Actionarea Unui Sistem DE Alimentare CU Apa Industrial Proiectarea Sistemului DE Actionare Electrica Si Controlul CU Ajutorul Unui Plc
ACȚIONAREA UNUI SISTEM DE ALIMENTARE CU APĂ INDUSTRIAL
PROIECTAREA SISTEMULUI DE ACȚIONARE ELECTRICĂ ȘI CONTROLUL CU AJUTORUL UNUI PLC
CUPRINS
REZUMAT
Prezenta lucrare are ca principal scop, optimizarea funcționării din punct de vedere energetic a sistemelor de alimentare cu apă și a subsistemelor din structura acestora, având la bază, o informare la zi, cu privire la noile tehnologii care au aparut o dată cu dezvoltarea economică și socială. Dezvoltarea tehnicilor și mijloacelor de procurare, a hranei și apei necesare, au marcat în mod decisiv istoria dezvoltării civilizației umane.
Apa fiind unul dintre cele trei elemente fundamentale ale industriei, alături de materiile prime și energia, este compusul chimic cel mai abundent și larg distribuit.
Problemele cele mai mari cu care se confruntă în prezent domeniul alimentărilor cu apă, se datorează în special:
creșterii exponențiale a cerinței de apă;
caracterului limitat al resurselor de apă și a distribuției lor neuniforme;
măririi exigenței standardelor privind condițiile de calitate.
În dorința rezolvării acestor probleme s-a impus atât o dezvoltare extensivă, cât și una intensivă a alimentărilor cu apă.
Lucrarea de licență este structurată în 5 capitole distincte, alcătuite din mai multe subcapitole, care vor prezenta pe rând pașii necesari în proiectarea unui sistem automatizat de alimentare cu apă, ce deservește un consumator industrial.
În primul capitol, vor fi prezentate generalități ale sistemelor de alimentare cu apă, tipuri de sisteme, scopul realizării lor și câteva cuvinte legate de evoluția acestora în lume și în România.
În al doilea capitol al acestei lucrări, se regăsesc prezentate noțiuni despre automate programabile, limbaje de programare, configurarea softului de programare Step 7, a softului WinCC pentru realizarea interfeței HMI.
Capitolul trei abordează, criterii de dimensionare a parametrilor necesari pentru calculul diametrului nominal al conductelor, alegerea și dimensionarea pompelor și motoarelor electrice de acționare.
Al patrulea capitol este destinat descrierii schematicii secvențiale a funcționării sistemului de alimentare cu apă, logica de funcționare a secvențelor de comandă, protecție semnalizare și afișarea alarmelor.
În capitolul cinci sunt prezentate câteva concluzii legate de proiect, care conțin ideile principale ale lucrării.
În final sunt prezentate, bibliografia și anexele.
INTRODUCERE
Un sistem de reglare automată, asigură menținerea funcționării unui proces într-o stare
curentă cât mai aproape de o stare de referință. Evoluția întregului proces are loc în sensul
anulării abaterii, respectiv a anulării diferenței dintre valoarea prescrisă și valoarea măsurată din proces, prin aceasta asigurându-se compensarea efectului acțiunilor externe (în principal cel al perturbațiilor). În plus, pentru a permite atât monitorizarea procesului cât și intervenția operatorului în proces, dacă este cazul, a fost implementată o interfață grafică prin intermediul softului SCADA, WinCC Flexible.
Astfel utilizatorul are posibilitatea să modifice parametri, să realizeze și să simuleze comenzi și poate să monitorizeze evoluția presiunii pe coloana principală de apă din fața calculatorului fără a fi nevoit să se deplaseze în teren pentru a urmări această evoluție din fața senzorului de presiune.
Reglarea presiunii sistemului de alimentare cu apă, implică utilizarea unor elemente specifice: senzori, elemente de execuție, automat programabil și un dispozitiv pentru monitorizare. În acesată lucrare s-a utilizat un senzor de presiune pentru măsurarea presiunii la consumator, 3 senzori prezență apă în fiecare puț, 3 pompe centrifuge ca elemente de execuție, un automat programabil Siemens din seria S7-300, pentru conducerea procesului și un PC pentru achiziție de date și monitorizare.
Prin prezenta lucrare vor fi însușite noțiuni teoretice și practice despre controlul și monitorizarea unui proces utilizând PLC-ul Siemens CPU 314C-2 DP(1) și softul WinCC Flexible, pentru aplicații SCADA .
CAPITOLUL 1
SISTEME DE ALIMENTARE
CU APĂ
1. SISTEME DE ALIMENTARE CU APĂ
1.1 SISTEME DE ALIMENTARE CU APĂ – NOȚIUNI GENERALE
Sistemul de alimentare cu apă este complexul de lucrări inginerești prin care:
– se asigură prelevarea apei din mediul natural, inclusiv corectarea calității înmagazinarea, transportul și distribuția acesteia la presiunea, calitatea și necesarul solicitat de utilizator.
– se asigură permanent apă potabilă pentru comunități umane inclusiv instituții publice și agenți economici de deservire ai comunității.
– se asigură apă de calitate pentru alți utilizatori: platforme industriale, complexe pentru creșterea animalelor și alte activități industriale și agricole.
Schema unui sistem de alimentare cu apă se adoptă din numeroase variante posibile pe baza conceptului că cea mai bună schemă este definită de complexul de lucrări care:
asigură timp îndelungat (minim 50 de ani), calitatea și necesarul de apă în condiții de siguranță privind sănătatea utilizatorilor la costuri suportabile;
prezintă fiabilitatea necesară pentru a se adopta pe termen scurt și lung modificărilor de calitate a apei la sursă, modificărilor necesarului și cerinței de apă, extinderii și perfecționării tehnologiilor.
Principalele elemente de care trebuie să se țină seama sunt:
– siguranța sursei: debit asigurat, menținerea calității apei în limite normale;
– amplasarea sursei în corelație cu amplasamentul utilizatorului și factorii de risc privind poluarea sau situațiile extreme (viituri, secetă, seisme).
Relieful și natura terenului pe care sunt distribuite obiectele schemei sistemului de alimentare cu apă influențează:
transportul apei;
tipul construcțiilor pentru aducțiuni;
rezervoarele, stațiile de pompare.
Este recomandat să se aleagă schema în care se poate asigura transportul apei gravitațional, dar în situația în care relieful impune alt gen de schemă se poate concepe și o schemă de alimentare cu apă obținută prin extracție cu turbopompe. În figurile de mai jos sunt exemplificate câteva scheme clasice de alimentare cu apă, în funcție de relief.
Fig.1.Schemă de alimentare cu apă în zonă de munte []
Fig.1.1 Schemă de alimentare cu apă în zonă de deal []
Fig.1.2 Schemă de alimentare cu apă în zonă de șes (apă de suprafață) []
Fig.1.3 Schemă de alimentare cu apă industrială în circuit închis []
SP-stație de pompare;ST-stație de tratare;C-captare;AD-aducțiune;SRP-repompare.
1.2 ISTORICUL ALIMENTĂRILOR CU APĂ
1.2.1 ISTORICUL ALIMENTĂRILOR CU APĂ ÎN LUME
Cele mai vechi construcții cunoscute de captare a apei au existat în urmă cu aproximativ 5000 de ani. În Egiptul antic existau mecanisme simple pentru ridicarea apei, asemănătoare cumpenelor noastre. În China antică se foloseau puțuri pentru alimentarea cu apă, uneori foarte adânci, din care apa era scoasă cu găleți folosind scripeți și trolii.
De asemenea, babilonenii știau să construiască lacuri de acumulare și foloseau procedee de ridicare a apei la înălțimi destul de mari, utilizând-o la udatul grădinilor și în alte scopuri. Pentru transportul apei, în antichitate se foloseau canale cu scurgere liberă și conducte din tuburi de argilă arsă, de lemn sau metalice (din tablă de plumb sau de cupru).
În perioada de înflorire a Greciei antice au existat sisteme centrale mari pentru alimentarea cu apă, care erau folosite mai mult în scopuri de igienă.
Legislatorul atenian Solon (sec. VI-VII î.e.n.) prescrie anumite condiții pentru construcția puțurilor de apă, dând chiar o normă pentru folosirea lor (echivalentă cu 54 dm³/om pe zi în unitățile de măsură actuale), foarte apropiată de consumul gospodăresc minim prevăzut actualmente, iar istoricul Herodot (sec.V î.e.n.) descrie pentru prima dată pompa aspirantă.
Roma antică era alimentată prin mai multe apeducte, care constitue modele de artă inginerească din antichitate. Apa era adusă prin gravitație în rezervoare centrale, de unde era distribuită prin conducte spre băile publice și spre locuințele patricienilor.
Romanii au impus construcția unor asemenea instalații de alimentare cu apă și în țările cucerite de ei, astfel încât aceste instalații au început să fie răspândite în multe centre populate.
În secolele XVI-XVII apariția și dezvoltarea manufacturii capitaliste impune o oarecare dezvoltare a tehnicii alimentării cu apă. În secolele XVII-XVIII încep să se construiască alimentări cu apă în orașe.
Dezvoltarea industrială din secolele XVIII-XIX, legată de avântul sistemului capitalist precum și dezvoltarea transportului feroviar care folosea pentru tracțiune locomotivele cu abur, au contribuit la promovarea alimentărilor cu apă pentru producție. Folosirea pompelor acționate de mașini cu abur au înlesnit mărirea distanțelor de transport a apei, folosirea surselor mai îndepărtate și alimentarea consumatorilor așezați la distanțe mai mari de ,,uzina” de apă.
Pe de altă parte, dezvoltarea anumitor industrii care necesitau o apă foarte limpede (industria hârtiei, industria alimentară etc.), a condus la îmbunătățirea condițiilor tehnice pentru producerea apei de calitate superioară din surse de suprafață (decantarea cu reactivi chimici, filtrarea rapidă, dezinfectarea cu clor etc).
În etapa actuală, dezvoltarea economică cu ritmuri înalte în tot mai multe țări ale lumii și creșterea standardului de viață în centrele populate urbane și rurale impun un ritm rapid de creștere a cantităților de apă utilizată. Cum însă rezervele de apă dulce sunt relativ restrânse pe scoarța terestră, în raport cu cantitățile totale de apă, problema gospodăririi raționale a apei a început să devină acută în multe regiuni ale lumii.
1.2 .2 ISTORICUL ALIMENTĂRILOR CU APĂ ÎN ROMÂNIA
Pe teritoriul țării noastre s-au descoperit numeroase lucrări ingenioase vechi de alimentări cu apă. Astfel în cetățile dacice (Grădiștea Muncelului, Blidaru, Costești) se aflau captări de izvoare, conducte din tuburi de ceramică și bazine cu pereții din zidărie sau din lemn, constituind instalații pentru limpezirea și înmagazinarea apei din râuri de munte. De asemenea la cetățile grecești de pe malul Mării Negre: (Tomis, Callatis si Histria) s-au descoperit urme de captări de apă subterană și aducțiuni de mare lungime. La Histria se văd și astăzi urmele a trei apeducte dintre care cel mai recent, construit din zidărie din piatră în sec. I-II e.n., are lungimea de 25 km, apa fiind adusă de la izvoarele din comuna Fântânele, situată cu 105 m. mai sus.
Până acum 150 de ani, alimentarea cu apă a orașelor din țara noastră nu se deosebea mult de acea a satelor de astăzi. Apa se lua din puțuri săpate în stratul freatic, din izvoarele învecinate sau din râul cel mai apropiat. În unele orașe apa era transportată cu sacale de la izvoare sau de la râuri și vândută populației pe străzi. Câteva încercări de a se executa alimentări cu apă centralizate în unele din orașele țării noastre s-au făcut încă din sec. XVII (Iași 1675, Focșani 1690). Mai târziu, în sec. XVIII s-a adus apa și în București, de la izvoarele din Valea Crevediei (1786).
Treptat, iau ființă unități speciale însărcinate cu întreținerea lucrărilor de alimentare cu apă (“Breasla Cișmigiilor“ înființată de Alexandru Ipsilanti în 1775 și “Casa Cișmelelor“ înființată de Nicolae Mavrogheni în 1787). Astfel, se execută primele instalații interioare în casele unor boieri și la spitale (1822) și se face trecerea de la conductele din tuburi ceramice la cele din tuburi metalice aceasta fiind executată pentru prima dată în Iași 1843.
Alimentările cu apă în centrele populate ale țării noastre au cunoscut o dezvoltare rapidă, în special în perioada 1880 ÷ 1915. Figura cea mai proeminentă a tehnicii românești în domeniul alimentărilor cu apă a fost inginerul Elie Radu, care a proiectat și a condus execuția a numeroase lucrări de alimentare cu apă în diferite orașe din țară (București, Sinaia, Botoșia, Botoșani, Brăila, Drobeta-Tr. Severin, Piatra Neamț, Tg. Ocna etc).
Sistemul instaurat în țara noastră dupa cel de-al doilea război mondial a creat condițiile pentru dezvoltarea cu ritmuri înalte a economiei naționale și în același timp și dezvoltarea corespunzătoare a gospodăriei comunale în centrele populate. Acestea au impus realizarea a numeroase și ample construcții și instalații pentru captarea, tratarea și transportul apei care s-au bazat pe principiul folosirii raționale în mod complex a surselor de apă din țara noastră.[]
1.3 REȚELE DE TRANSPORT ȘI DISTRIBUȚIE A APEI
Aducțiunea și distribuția apei se face prin conducte de aducțiune și prin rețele de distribuție, care se compun din conducte, armături, aparate de măsură și accesorii. Conductele rețelei de distribuție sunt conducte sub presiune și în funcție de rolul pe care îl au în instalație se împart în:
conducte principale (artere);
conducte de serviciu (conducte secundare);
Conductele au rolul de a face legătura între pompă, sursa de aspirație și locul de refulare a lichidului. Din aceste motive, conducta care se racordează la rezervorul de aspirație se numește conductă de aspirați și în mod analog cea care unește ștuțul de refulare al pompei cu rezervorul de refulare, conductă de refulare.
În figura 1.4 este reprezentată schema unei instalații hidraulice simple, în circuit deschis. Instalația se compune din următoarele elemente: sorbul S, montat la capătul conductei de aspirație CA scufundat în lichid, pompa P, acționată de motorul electric EM, conducta de refulare CR. Ca aparate de măsură sunt atașate: un manometru MV, amplasat pe conducta de aspirație, și un manometru M, montat pe conducta de refulare a pompei. Distanțele sunt cotate cu următoarele specificații:
HgA înălțimea geodezică de aspirație – reprezintă distanța pe verticală dintre nivelul lichidului din rezervorul de aspirație și axa rotorului pompei;
HgR înălțimea geodezică de refulare – reprezintă distanța pe verticală dintre axa rotorului pompei și axa conductei orizontale de refulare;
Hgtot înălțimea geodezică totală, care este egală cu suma dintre înălțimea geodezică de aspirație și înălțimea geodezică de refulare (HgA + HgR).
Fig. 1.4 Instalație în circuit deschis []
Conductele principale transportă apa de la rezervoarele de înmagazinare, sau de la stații de pompare în sectoarele de consum. Aceste conducte trebuie să fie cat mai scurte ca lungime, să domine zona pe care o deservesc la distanțe minime de consumatorii importanți pentru a se obține presiuni cât mai uniforme în rețea.
Materialul din care sunt confecționate conductele se alege în funcție de dimensiunile acestora, dimensiuni rezultate din calcule, în funcție de caracteristicile reliefului, solicitărilor exterioare, caracteristicile lichidului transportat și a presiunii acestuia.
Fig.1.5 Conductele rețelei de distribuție []
Conductele de serviciu transportă apa de la conductele pricipale până la punctele de consum, având diametrul în funcție de debitul pe care trebuie să-l transporte. Se amplasează în locurile unde există consumatori, mai puțin acolo unde sunt amplasate conductele principale. La conductele de serviciu se leagă de regulă branșamente ale consumatorilor mici, hidranți de incendiu.
Fig.1.6 Conductă principală și conductă de serviciu []
Branșamentele sunt conductele prin care apa din rețeaua de distribuție este introdusă pentru consum în rețeaua interioară de alimentare cu apă din clădiri sau incinte industriale și sunt compuse din: priză cu sau fără colier, robinet de concesie, robinet de trecere sau descărcare.
Fig.1.7 Branșament []
1.4 POMPE
1.4.1 NOȚIUNI GENERALE DESPRE POMPE
Pompa este o mașină care transformă energia mecanică primită de la o sursă de antrenare în energie hidraulică. Astfel energia transmisă lichidului, poate fi utilizată potrivit
scopului dorit: alimentare cu apă, transport hidraulic, acționare hidraulică etc.
Deoarece pompele sunt destinate mai ales transportului de lichide la distanțe și nivele diferite, utilizarea lor s-a impus aproape pretutindeni unde s-a ivit necesitatea unui astfel de transport. În industrie, pompele sunt utilizate nemijlocit în diverse procese tehnologice, vehiculând o mare varietate de lichide, sau în scopuri auxiliare pentru alimentări cu apă industrială și potabilă.
Transportul unui lichid cu ajutorul pompei presupune o continuitate a curgerii între sursa de alimentare și locul deversării, aceasta nu se poate realiza decât într-o instalație hidraulică. O astfel de instalație este alcătuită în mod obișnuit din: conducte, armături, aparate de măsură și bineânțeles pompa, ca element principal.
Prin urmare, pompa este un element absolut indispensabil într-o instalație hidraulică, iar energia pe care o transmite lichidului se manifestă prin circulația acestuia în conducte, la o
anumită presiune.Astfel, într-o instalație, pompa îndeplinește următoarele atribuții principale:
de transvazare, atunci când lichidul este deplasat de la sursa de alimentare până la consumator;
de recirculare, atunci când o cantitate limitată de lichid este vehiculată în circuit închis;
de acționare, în cazul în care energia de presiune a lichidului este folosită pentru producerea și amplificarea forțelor. În cazul lucrării de față pompa îndeplinește atribuții de transvazare.
Caracteristicile lichidului vehiculat în instalație determină tipul constructiv al pompei și impun alegerea potrivită și adecvată a dimensiunilor acesteia. Deoarece diversitatea instalațiilor hidraulice deservite de pompe este practic nelimitată, datorită nenumăratelor domenii de activitate în care acestea își găsesc aplicarea, pompa trebuie să posede anumite calități valabile pentru orice tip de instalație.
Dintre acestea, principalele calități sunt:
siguranța în funcționare – prin aceasta se înțelege că, în condițiile unei exploatări corecte pompa trebuie să funcționeze neîntrerupt o perioadă de timp acceptabilă, până la opririle necesare reviziilor.
asigurarea parametrilor hidraulici solicitați – prin aceasta se înțelege că pompa trebuie să realizeze caracteristicile nominale contractate care sunt cele, la care pompa va funcționa cea mai mare parte din timpul ei de exploatare. Este de dorit ca la valoarea nominală a caracteristicilor, pompa să funcționeze cu un randament maxim, realizându-se prin aceasta o exploatare avantajoasă din punct de vedere economic.
întreținere simplă, acces ușor – prin aceasta se înțelege că operațiile de întreținere care se efectuează în timpul exploatării trebuie să se limiteze la un număr cât mai redus de intervenții și la intervale de timp cât mai mari.
În stadiul actual al dezvoltării industriale, soluțiile tehnice alese, la proiectarea instalațiilor prevăd utilizarea pompelor la transportul fluidelor cu o mare diversitate de caracteristici. Acestea determină la rândul lor necesitatea realizării unei game largi de construcții de pompe, bazate pe principii de funcționare adecvate pompării fluidelor cu caracteristicile respective. De aici apare evident nevoia clasificării diverselor tipuri de pompe pe categorii distincte, care să contribuie astfel la o clasificare a denumirilor și noțiunilor utilizate în domeniul acestor mașini. Pompele se clasifică după următoarele criterii principale:
criteriul principiului de funcționare;
criteriul constructiv;
criterii specifice.
După criteriul funcțional rezultă următoarele categorii de pompe:
turbo-pompe;
pompe volumice;
pompe cu fluid motor;
pompe electromagnetice și elevatoare hidraulice.
După criteriul constructiv sunt:
pompe centrifuge monoetejate și multietajate;
pompe cu angrenaje;
pompe cu piston;
pompe cu membrană,
pompe cu rotor excentric;
pompe cu canal lateral etc.
1.4.2 POMPE CENTRIFUGE
Pompele centrifuge fac parte din categoria pompelor cu rotor, fiind de fapt niște turbine de apă cu funcționare inversă, prevăzute cu un rotor care deplasează lichidul. În cazul pompelor centrifuge, funcționarea neuniformă este evitată datorită continuității curentului de lichid care traversează pompa. Presiunea necesară pentru echilibrarea înălțimii coloanei de apă este realizată de acțiunea paletelor rotorului asupra lichidului, acțiune care se exercită prin forțe centrifuge. Lichidul pătrunde în pompă datorită aspirației rotorului și este condus în rotor în direcție axială, fiind apoi deviat între paletele rotorului după o direcție radială.
Se poate afirma că pompa centrifugă este cea mai răspândită dintre toate tipurile constructive existente în prezent în lume. Tendința actuală pe plan mondial este aceea de a utiliza astfel de pompe chiar în domenii în care în mod obișnuit se folosesc pompe cu piston sau pompe cu angrenaje, respectiv în domeniul debitelor relativ reduse și a presiunilor ridicate.
Elementele principale ce alcătuiesc o pompă centrifugă sunt prezentate în figura 1.7:
statorul pompei ;
rotorul pompei;
carcasa pompei;
axul pompei;
coroana statorică a pompei.
Fig.1.8 Elemente principale ale unei pompe centrifuge []
După cum se poate observa din figura 1.7, carcasa are o anumită formă dimensionată prin calcule de proiectare. Pe carcasă se găsește montat rotorul, alcătuit din discuri solidarizate între ele printr-un număr de palete, a căror formă este determinată de proiectant în funcție de caracteristicile hidraulice pe care trebuie să le realizeze pompa. Funcționarea propriu-zisă a pompei are loc astfel:
arborele fiind antrenat de la o sursă exterioară transmite rotorului o mișcare de rotație;
orice particulă de lichid care se găsește în contact cu rotorul, va fi proiectată către periferia acestuia, datorită forței centrifuge ce acționează asupra ei.
Paletele au rolul de a dirija traiectoria particulei de lichid în așa fel încât, la ieșirea din rotor aceasta să posede o energie cinetică care să poată fi transformată apoi în energie potențială de presiune. La ieșirea din rotor, particula de lichid este colectată în carcasa pompei iar de aici este dirijată spre conducta de refulare.
S-a realizat astfel o deplasare a particulei de lichid de la intrarea în rotor până la orificiul de refulare al pompei. Același principiu este valabil și pentru o masă compactă de lichid, care sub acțiunea aceleiași forțe centrifuge, parcurge traiectoria către orificiul de aspirație al pompei și cel de refulare, realizând un circuit continuu și prin aceasta, fenomenul de pompare.
Rezultă că la o pompă centrifugă, lichidul trebuie să fie permanet în contact cu rotorul, adică chiar de la începutul rotirii acestuia, în caz contrar deplasarea lichidului nemaiputând avea loc. Astăzi există în lume pompe antrenate la turații de 6000 – 7000 rot/min, dar trebuie menționat că o turație prea ridicată prezintă dezavantajul înrăutățirii condițiilor de aspirație a pompei, cu toate urmările defavorabile pentru instalație.
Pompele acționate de motoare electrice sunt de obicei cuplate direct și antrenate la turația nominală a acestora. Pentru țările unde frecvența rețelei electrice este de 50 Hz, turațiile de antrenare, neglijând alunecarea sunt: 500, 600, 750, 1000, 1500 și 3000 rot/min. În țările în care frecvența rețelei este de 60 Hz, valorile indicate mai sus se multiplică cu 1,2.
Fig.1.9 Pompă centrifugă []
CAPITOLUL 2
AUTOMATE PROGRAMABILE
2. AUTOMATE PROGRAMABILE
2.1 AUTOMATE PROGRAMABILE – NOȚIUNI GENERALE
Un automat programabil este un „calculator„ specializat, prevăzut cu diverse tipuri de
funcții de control de o complexitate diferită. La început denumirea automatului programabil
era de PC dar s-a schimbat în PLC – „Programmable Logic Controller„ pentru a nu se confunda cu „Personal Computer". Spre deosebire de calculatoarele personale, PLC-urile sunt computere specializate proiectate pentru a fi utilizate pentru procese cu numeroase intrări și ieșiri, construite în așa fel înât să reziste variațiilor de temperatură, vibrațiilor, fiind
imune la zgomote electrice. Un PLC este un exemplu de sistem în timp real, deoarece ieșirile sunt un răspuns la condițiile de intrare și sunt strâns legate de timp.
PLC-urile sunt utilizate în mai multe ramuri ale industriei pentru a realiza funcții
logice, de numărare, de secvențiere, de control PID, pentru a ajuta procesul tehnologic să devină cât mai eficient (industria alimentară, industria construcțiilor de mașini etc).
Eficiența unui PLC constă în faptul că acesta, poate înlocui cablarea dintre diverse
echipamente. Astfel, în locul conectării directe, echipamentele sunt conectate cu PLC-ul
iar programul de control realizează conexiunea dintre acestea. În acest caz, spunem că PLC-ul realizează o cablare software („softwiring„). Dacă se dorește modificarea conexiunilor între
echipamente, trebuie doar modificat programul din PLC, fără a umbla la cablarea fizică.
Automatele programabile rezistă în industrie datorită avantajelor pe care le dețin. Au
o flexibilitate ridicată, întrucât majoritatea modificărilor se realizează la nivel software, nu la
nivel hardware. Față de releele mecanice, PLC-urile sunt mult mai sigure și ușor de întreținut, pot conduce mai multe procese complexe la un cost scăzut, se pot testa stările procesului și echipamentelor în orice moment.
2.2 AVANTAJELE UTILIZĂRII PLC-urilor
fiabilitate – odată ce programul a fost scris și simulat, acesta poate fi ușor transferat și descărcat și în alte automate programabile. Acesta reduce timpul de programare, minimizează depanarea și crește fiabiliatea. Datorită logicii existente în memoria PLC, nu există nici o șansă de a face o eroare logică de cablare. Cablarea necesară, fiind numai pentru putere, intrări/ieșiri;
flexibilitate – modificarea programului poate fi făcută foarte ușor. Producătorii de echipamente pot pune cu ușurință, în aplicare actualizări de sistem prin trimiterea unui nou program;
implementarea schimbărilor și corecția erorilor – prin intermediul logicii cablate, era nevoie de timp în cazul unei schimbări sau pentru corecția unei erori. Prin utilizarea automatelor programabile, aceste schimbări sau corecții pot fie efectuate foarte ușor;
cost redus – la acest cost s-a ajuns în decursul timpului și astfel poate fi achiziționat un automat cu numeroase timere, numărătoare și alte funcții logice, pentru sume pornind de la câteva sute de dolari;
funcții avansate – PLC-urile pot efectua o mare varietate de sarcini de control, de la o singură acțiune, la manipulare de date complexe.
posibilități de testare – programul poate fi rulat și evaluat înainte de a fi instalat pe automat pentru a realiza conducerea dispozitivului.
viteză de operare – viteza de operare este dependentă de timpul de scanare al intrărilor, timp care în prezent este de domeniul milisecundelor;
modul de programare – prin introducerea diagramelor „ladder„, respectiv a metodei booleene de programare, a fost facilitat accesul la mediul de programare și pentru cei care nu au cunoștințe deosebite în domeniul programării;
documentare – este posibilă o foarte bună documentare a programelor prin inserarea de comentarii în spațiile alocate acestora, facilitând astfel depanarea acestora de către alți programatori;
2.3 DEZAVANTAJELE UTILIZĂRII PLC-urilor
aplicații "fixe" – unele aplicații nu necesită automat programabil, datorită gradului foarte mic de complexitate;
probleme de mediu – în unele medii există temperaturi ridicate sau alte condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile, astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
funcționare "fixă" – dacă nu apar schimbări în cadrul procesului de multe ori
folosirea automatului poate fi mai costisitoare decât o acționare clasică.
2.4 STRUCTURA UNUI PLC
Structura de bază a unui sistem de control cu PLC este dată în figura 2:
Fig.2. Structura de baza a unui sistem de control cu PLC []
O atenție specială trebuie acordată intrărilor și ieșirilor, deoarece în aceste blocuri se găsește protecția PLC, prin izolarea CPU de influența distrugătoare a mediului industrial.
2.4.1 UNITATEA CENTRALĂ DE PROCESARE
CPU este un „microcontroler„ de 8 biți sau mai recent de 16 sau 32 biți. Unitatea centrală de procesare controlează comunicațiile, conexiunile dintre celelalte părți ale PLC, executarea programului, operațiile cu memoria și controlul intrărilor și ieșirilor.
Fig.2.1 Unitatea centrală a unui PLC []
CPU realizează un număr mare de verificări ale funcționării corecte a PLC. Orice eroare este semnalizată într-un anumit mod evidențiat în tabelul de mai jos.
Tabelul.1.Exemple de erori ale CPU
2.4.2 MEMORIA
Memoria de sistem (cel mai adesea implementată cu ajutorul tehnologiei flash) este utilizată de un PLC, pentru un sistem ce controlează un proces. Conținutul memoriei „flash„ poate fi schimbat dacă programul utilizatorului a fost schimbat. Memoria utilizatorului este divizată în blocuri cu funcții speciale. Câteva părți ale memoriei sunt utilizate pentru a stoca stările intrărilor și ieșirilor.
Starea reală a intrării este stocată în 0 logic sau în 1 logic, aceasta reprezentând un bit de memorie. Alte părți din memorie au rolul de a stoca conținutul variabilelor utilizate în programul utilizatorului.
2.4.3 SURSA DE ALIMENTARE
Alimentarea cu energie electrică se realizează atât la tensiunea de 24V c.a, cât și la 230V c.a. Pe unele dintre PLC-uri vom vedea sursa de alimentare, ca un modul separat în general la cele de mari dimensiuni. Cele de serie mică sau medie ca dimensiuni, au sursa încorporată în interiorul PLC.
Fig.2.2 Sursa de alimentare a PLC []
2.4.4 INTRĂRILE PLC-ului
Inteligența unui sistem automat depinde mult de abilitatea PLC-ului de a citi semnale de la diferite tipuri de senzori și dispozitive de intrare: senzori de proximitate, limitatori de cursă, senzori foto electrici, senzori de nivel etc. Astfel, semnalele de intrare pot fi logice (închis/deschis) sau analogice.
2.4.5 IEȘIRILE PLC-ului
Un sistem automat este incomplet dacă nu este conectat la câteva dispozitive de
ieșire. Cele mai uzuale dispozitive de ieșire utilizate sunt: motoarele, electromagneții, releele,
indicatorii, semnalizatori sonori, etc. Ieșirile pot fi de tip analog sau digital. Cele digitale sunt
asemănătoare cu comutatoarele. Ele conectează sau deconectează linii de cablu/conductor.
Ieșirile analogice sunt utilizate pentru a genera semnale analogice (de exemplu un motor a cărui viteză este controlată de o tensiune care corespunde unei anumite valori a vitezei).
Fig.2.3 Digital Input & Output Modules SM 321/322 []
Exemple de module de extensie:
SM 321- modul de intrare digital, conține 16 intrări digitale pentru 24VDC. Display-ul se realizează cu ajutorul ledurilor, semnalul de ieșire 1 este de aproximativ 9 mA.
SM 322 – modul de ieșire digital, conține 16 ieșiri digitale. Display-ul se realizează cu ajutorul ledurilor iar semnalul de ieșire 1 este de aproximativ 500 mA.
SM 334 – modul combinat, pentru semnale analogice de intrare și ieșire. Conține 4 intrări analogice și 2 ieșiri analogice cu un rang de 0-10V.
FM 353 – modulul cu funcție de poziționare, pentru motoare pas-cu-pas cu frecvențe de ceas mari.
2.5. FUNCȚIONAREA UNUI PLC
Un PLC funcționează pe baza programului prin scanări repetate. Sunt trei etape de bază pe care le parcurge procesul de scanare. În ciclul de funcționare prima etapă va fi de testare a intrărilor, PLC-ul va scana fiecare intrare pentru a stabili stările de „on/off„ în cazul intrărilor numerice, sau valoarea unei intrări analogice.
Prin urmare, se verifică dacă senzorii sau switch-urile conectate în intrări sunt activate sau nu. Informația se va salva în anumiți regiștri asociați intrărilor și va fi utilizată în etapa următoare. A doua etapă, va fi execuția programului, în care PLC-ul va schimba, în funcție de starea intrărilor și de logica programului, configurația regiștrilor de ieșire, (ultima etapă) în formă binară, executând programul, instrucțiune după instrucțiune, deci în mod secvențial.
Schema de comandă se implementează în PLC prin intermediul ecuațiilor boolene sau a unor secvențe de calcul logic, unde variabilele sunt semnalele de intrare ale PLC- lui. Ieșirilor PLC-ului îi sunt atribuite rezultatele de pe urma calculelor din program. Această operație este executată în fiecare ciclu și ține seama de noile valori ale intrărilor. Datorită timpului mic de rezolvare a ecuațiilor se poate considera că rezultatele sunt obținute simultan, deși ele sunt
rezolvate secvențial.
Fig.2.4 Etapele procesului de scanare []
În funcție de complexitatea proceselor comandate prin intermediul PLC-ului, schema
de comandă poate să realizeze și alte operații, decât cele logice: funcții trigonometrice, ridicarea la putere, radicali, operații asupra datelor din memorie (adunare, scădere, decalaj de biți la stânga sau la dreapta, codificare și altele).
2.6 DISPOZITIV DE PROGRAMARE/CONEXIUNE CPU
MPI reprezintă un acronim „multi point interface„ fiind element, necesar pentru stabilirea unei conexiuni între dispozitivul de programare și PLC. Doar după ce adaptorul este setat este posibil transferul programelor către PLC. Interfețele MPI sunt disponibile în variante multiple.
În trecut era folosită interfața COM, astăzi este folosită o interfață USB sau PCMCIA pentru laptop-uri. Viteza de transfer poate fi setată pentru anumite interfețe MPI în funcție de modelul folosit.
Fig.2.5 Adaptor MPI []
2.7 AUTOMATE PROGRAMABILE DIN FAMILIA SIMATIC
2.7.1 SISTEMUL DE AUTOMATIZARE SIMATIC
Automatele programabile din familia SIMATIC (S7) reprezintă baza sistemului de automatizare. Cele trei tipuri principale aflate pe piață sunt:
S7- 200 un automat de mici dimensiuni folosit în automatizarea unor procese mai simple (obiecte casnice de exemplu);
S7-300 este un automat pentru automatizări medii;
S7-400 reprezintă soluția pentru automatizări complexe.
Un astfel de automat este format din unitatea centrală și module de I/O. Unitatea
centrală are încărcat programul utilizator în timp ce modulele de I/O asigură comunicarea cu procesul care este controlat. Celelalte componente din soluția SIMATIC pentru automatizări, cum ar fi HMI, completează automatul programabil reprezentând o consolă specializată de programare. Limbajul acestui concept de automatizare totală este STEP7 care este utilizat pentru configurarea componentelor SIMATIC, pentru a le atribui parametri și nu în ultimul rând pentru a le programa, unealta software centrală pentru control este reprezentată de „simatic manager„ care păstrează toate datele unui proiect de automatizare într-un director cu o structură ierarhică și permite reutilizarea softului de utilizator prin librării.
Principalele activități realizate de STEP 7 sunt:
configurarea hardware-ului – reprezintă aranjarea modulelor, atribuirea de adrese, precum și setarea proprietăților acestora;
configurarea parametrilor de comunicare precum și a proprietăților acestora;
scrierea de programe utilizator pentru automatul programabil într-unul dintre cele trei moduri folosite: Ladder Logic (LAD), Function Block Diagram (FBD) sau Statement List (STL), precum și testarea on-line a acestora pe automat. Soluția SIMATIC pune la dispoziție și pachete software opționale care pot extinde funcționarea uneltelor standard din STEP 7.
2.7.2 ALEGEREA HARDWARE-ULUI
Există mai multe criterii pentru alegerea tipului de automat programabil. Pentru
aplicații de nivel redus, criteriul cel mai important este reprezentat de numărul de intrări și
ieșiri precum și de dimensiunea programului utilizator. În cazul proceselor mai complexe trebuie avut în vedere dacă răspunsul în timp este suficient de rapid și dacă memoria este suficientă pentru volumul de date ce urmează să fie înmagazinată. O mașină unealtă va fi probabil comandată prin intermediul unui singur automat programabil. În acest caz numărul de I/O, dimensiunea memoriei, răspunsul în timp vor fi esențiale pentru alegerea între una din variantele S7-200, S7-300 sau S7- 400.
2.7.3 ALEGEREA LIMBAJULUI DE PROGRAMARE
Depinde de utilizator precum și de complexitatea task-ului ce trebuie realizat. În
cazul prelucrării semnalelor binare sunt mai ușor de folosit LAD și FBD, în timp ce în cazul task-urilor care cer mânuirea variabilelor complexe și adresarea indirectă poate fi utilizat STL.
2.7.4 CREAREA UNUI PROIECT
Toate datele care oferă soluția de automatizare sunt colectate împreună într-un proiect. Acesta va fi creat utilizând STEP 7, datele fiind structurate ierarhic. Următorul nivel
după proiect este reprezentat de "stații " care conțin una sau mai multe unități centrale cu un
program utilizator.
2.7.5 SCRIEREA ȘI SALVAREA UNUI PROGRAM
Programul utilizator conține toate instrucțiunile folosite de către programator pentru procesarea semnalelor, pentru controlul mașinii sau procesului, pentru a realiza task-ul cerut. Împărțirea programului în blocuri de instrucțiuni poate fi:
orientată pe proces, caz în care fiecare funcție corespunde unei părți a procesului sau mașinii;
orientată funcțional, caz în care funcțiile corespund comunicării, modurilor de operare. Programele sunt editate și testate. Testarea acestora se poate face după încărcarea lor
pe automatul programabil sau pe soft-ul de testare PLCSIM. După testarea soft-ului, acesta
este încărcat într-o memorie EPROM și este generată documentația proiectului utilizând
DOCPRO. Proiectul poate fi salvat sub forma unui fișier comprimat.
2.8 COMPONENTELE UNEI STAȚII SIAMTIC
Componentele unei astfel de stații sunt:
șina de montare – asigură conectarea modulelor individuale. Automatele S7-300 utilizează șină simplă, lungimea sa fiind determinată de numărul modulelor, S7-400 folosește o șină de aluminiu de lungime fixă prevăzută cu conectori pentru magistrală.
sursa de alimentare – asigură alimentarea întregii stații de automatizare;
unitatea centrală – înmagazinează și execută programul utilizator, atribuie parametri modulelor, realizează comunicația între dispozitivul de programare, module, stații
adiționale prin intermediul magistralei;
module de interfață – conectează șinele de montare între ele;
modulele I/O – fac adaptarea semnalelor din proces sau către proces;
module funcționale – realizează diverse funcții care nu pot fi acoperite de către
unitatea centrală;
procesor pentru "comunicare" – folosit în momentul în care se dorește conectarea
în subrețele. Sunt folosite două tipuri de magistrale:
una pentru trimiterea spre/dinspre modulele de I/O, respectiv;
una pentru comunicarea rapidă cu un volum mai mare de date între unitatea centrală și celelalte module.
2.9 FAMILII DE UNITĂȚI CENTRALE SIMATIC
2.9.1 SIMATIC S7 – 200
Limbaj de programare STEP 7 Micro folosit pentru automatizări mici, module de extindere, posibilități de conectare în rețea. Numărul de module I/O poate fi ridicat astfel încât să satisfacă cerințele legate de proces. O interfață de tipul „punct cu punct„ permite conectarea mai multor unități centrale împreună (până la 31), precum și conectarea cu alte automate din familia SIMATIC.
Fig.2.6 Unitate centrală S7- 200 []
2.9.2 SIMATIC S7 – 300
Automatizări medii, aceleași caracteristici ca la S7-200 și în plus posibilitatea de instalare a sursei pe șina centrală. Sloturile sunt numerotate: 1 pentru sursă (chiar dacă lipsește), 2 pentru unitatea centrală, 3 pentru modulul de interfață, 4-11 modulele de I/O.
Este prevăzut cu module pentru lucru în mediu cu condiții ostile (temperaturi foarte ridicate sau foarte scăzute, nivel ridicat de vibrații, rezistență la șocuri).
Fig.2.7 Unitate centrală S7- 300 []
2.9.3 SIMATIC S7-400
Automatizări complexe, îmbunătățește performanțele stațiilor din familia 300 având o mai mare capacitate de procesare a informației, posibilitatea de conectare a două unități centrale la aceeași sursă, capacitate de multiprocesare.
Componentele din standardul SIMATIC S7 400 permit un sistem redundant de automatizare în cazul proceselor lente, astfel că o stație poate prelua controlul procesului în
cazul în care o altă stație („master„ de exemplu) se defectează.
Fig.2.8 Unitate centrală S7- 400 []
2.10 AUTOMATIZAREA SISTEMULUI DE ALIMENTARE CU APĂ
2.10.1 AUTOMATUL PROGRAMABIL UTILIZAT
În această lucrare s-a utilizat automatul programabil Siemens S7-300, modelul procesorului 314-C-2 DP(1), modulele de intrări/ieșiri: SM 321 DI/24x24v, SM322 DO16x24V și SM 334 AI5/AO2. Acest PLC face parte din familia Simatic 300 și este un automat pentru automatizări medii.
Fig.2.9 PLC cu procesor 314-C-2 DP(1) []
Sursa automatului (PS-307 2A) furnizează 24V curent continuu, tensiune necesară
pentru alimentarea celorlalte module interconectate, având și un comutator „on/off„. Bornele
principale se alimentează la 230 V c.a. Unitatea centrală are încărcat programul utilizat în timp ce modulele de I/O asigură comunicarea cu procesul care este controlat. Celelalte componente din soluția SIMATIC pentru automatizări, cum ar fi HMI, completează automatul programabil reprezentând o consolă specializată de programare.
2.11 STEP 7
Configurarea componentelor SIMATIC, atribuirea de parametri și programarea uneltelor software pentru control se va realiza de către programul STEP7. Toate aceste date vor fi păstrate de „simatic manager„ într-un director cu o structură ierarhică ce permite reutilizarea softului.
Limbajul de programare STEP7 este utilizat pentru configurarea componentelor
SIMATIC, pentru a le atribui parametri și nu în ultimul rând pentru a le programa.
SIMATIC pune la dispoziție și pachete software opționale care pot extinde
funcționarea uneltelor standard din STEP7, prin urmare avem un meniu larg de instrucțiuni
reprezentat ca în figura următoare:
Fig.2.10 Meniul de instrucțiuni în STEP 7
Pachetul STEP7 conține trei moduri de a scrie programele pentru automatul programabil și anume: „Ladder Logic„ (LAD), „Statement List„ (STL) sau „Funcțion Block
Diagram„ (FBD).
2.11.1 LIMBAJUL LADDEER LOGIC (LAD)
Acest tip de limbaj se bazează pe elemente grafice și este conceput pentru compatibilitatea retroactivă cu formalismul diagramelor logice scară („relay ladder logic„), fiind chiar el un rezultat al compatibilității retroactive cu scheme electrice convenționale.
Ecuațiile folosite în program sunt conectate la barele de alimentare, reprezentate prin
linii verticale amplasate la stânga și la dreapta diagramei și sunt executate de la stânga la
dreapta. Ecuațiile sunt plasate unele sub altele, precum treptele unei scări, de unde vine
numele limbajului („ladder – scară„).
Contactele sunt folosite în program ca și simboluri pentru intrări, iar prin aranjarea în
serie sau paralel sunt efectuate operații logice asupra stării semnalelor. Există trei tipuri de
contacte: „normal deschis„,„ normal închis„ și „contacte cu funcții speciale„. Acestea sunt testate în funcție de valoarea pe care o are semnalul lor.
Fig.2.11 Simbolizare intrări în scrierea LAD
Bobinele sunt elemente grafice atribuite ieșirilor. La bobinele simple, bitul de la
adresa acesteia este setat dacă rezultatul este 1, iar în cazul bobinelor cu litere sau simboluri
pot avea diverse acțiuni: salt într-un alt loc din program, funcții de numărare, controlul timer-ului și altele.
Fig.2.12 Simbolizare ieșiri în scrierea LAD
2.11.2 LIMBAJUL STATEMENT LIST (STL)
Limbajul STL este un limbaj clasic, imperativ prin secvențiere. Caracterul său secvențial reprezintă un dezavantaj, mai ales pentru scrierea cu paralelisme a programelor de control. Acesta presupune o listă de instrucțiuni („statement list„). Instrucțiunile la nivel de bit
sunt cele cunoscute: A – „și„ ; O – „sau„. În momentul în care se folosește un N după una din
operațiile enumerate, înseamnă că variabila respectivă este negată. În cazul funcțiilor numerice atribuirea se face folosind "=".
Fig.2.13 Instrucțuni de scriere comenzi STL
Structurile de control sunt următoarele:
funcțiile care pot fi folosite, au apelare cunoscută și sunt aritmetice;
cele oferite de STEP 7 sunt caracteristice familiei.
Pentru a arăta limbajul de programare STL s-a realizat o pornire a unui motor.
Fig.2.14 Exemplu de instrucțiuni în forma STL
2.11.3 LIMBAJUL FUNCȚION BLOCK DIAGRAM (FBD)
Pentru a creea programul în limbaj FBD, se vor folosi blocuri conectate între ele pentru
a defini schimbul de date care se va produce în sistem digital, unde starea „1" reprezintă „DA„
logic și starea „0" reprezintă „NU„ logic. Acești doi biți formează baza sistemului binar.
Fig.2.15 Limbaj de programare FBD
2.11.4 CONFIGURAREA HARDWARE A PLC-ului
Pentru orice proiect dezvoltat în STEP 7 stabilirea configurației hard este primul pas care trebuie făcut. Pentru a realiza configurarea se selectează „Simatic 300 stațion„ din partea stangă a ecranului și se dă dublu click pe simbolul „Hardware„ care apare în partea dreaptă a ecranului. Se va deschide o fereastră cu numele „hw config-symatic 300 stațion„.
Fig.2.16 Realizarea configurației hardware
În figura 2.16 se poate observa realizarea configurației hardware. În partea din dreapta a ecranului se găsesc librăriile cu componentele necesare configurării. În partea din stânga vor fi afișate două tabele cu componentele hardware selectate din librării. CPU-ul care a fost selectat la crearea proiectului este afișat în ferestrele din stanga, în cazul nostru acesta este CPU 314 C-2 DP(1). Fiind un CPU care are conține intrări/ieșiri analog/numerice, vor apare și acestea în cele două tabele.
După alegerea CPU, se vor configura modulele de intrare/ieșire corespunzătoare. În cazul lucrării, este vorba despre un modul cu 24 de intrări digitale, 16 ieșiri digitale (DI24/DO16), 5 intrări analogice și respectiv 2 ieșiri analogice (AI5/AO2).
Adresele modulelor analogice și digitale pot fi configurate după dorință, dar respectând condiția ca ele să nu se suprapună. Pentru modificarea adreselor astfel încât cele ale modulului analogic să înceapă de la 256, iar cele ale modulului digital de la 0, se va da „dublu click„ pe fiecare modul și se va alege tab-ul „addresses„ după care se va deselecta „system default „ și se vor modifica adresele.
intrările digitale vor începe de la 0 și se vor termina la 2: I0.0…I0.7, I1.0.. I1.7..;
ieșirile digitale încep de la 0 și se vor termina la 1: Q0.0…Q0.7, Q1.0…Q1.7.;
intrările analogice încep de la 256 și se vor termina la 265: PIW 256…PIW 265;
ieșirile analogice încep de la 256 și se vor termina la 259:PQW 256..PQW 259.
Prin intermediul aplicației SIMATIC Step7 vor fi implementate toate componentele
necesare programării PLC-ului și interfeței WinCC Flexible, pentru monitorizarea reglării
procesului dorit.
Fig.2.17 Vedere de ansamblu asupra unui proiect de automatizare []
Înainte de a crea un proiect, este bine de știut că, implementarea unui program în STEP 7 pentru o anumită aplicație poate fi realizată în mai multe moduri.
Fig.2.18 Realizarea unei aplicații Step 7 []
Dacă aplicația este una mai complexă, cu mai multe intrări/ieșiri se recomandă realizarea configurării hardware la început. Avantajul este că STEP 7 afișează adresele posibile în „hardware configuration editor„. Dacă se alege a doua opțiune utilizatorul va trebui să aleagă fiecare adresă în funcție de componentele selectate și nu se poate apela la ajutor din partea mediului STEP 7.
2.11.5. INSTRUMENTE ÎN STEP 7
Pachetul software STEP 7 înglobează o serie de aplicații („instrumente„). Nu este neceasară deschiderea acestor aplicații separat. Ele sunt pornite automat când se selectează o funcție corespunzătoare sau se deschide un obiect.
Fig.2.19 Instrumente în Step 7[]
2.11.5.1. SIMATIC MANAGER
Simatic manager gestionează toate datele care aparțin unui proiect de automatizare, indiferent de sistemul de control programabil („S7/M7/C7„) pentru care sunt concepute. Instrumentele necesare pentru editarea datelor selectate sunt pornite automat de „Simatic manager„.
Fig.2.20 Simatic Manager
2.11.5.2 SYMBOL EDITOR
Cu „symbol editor„ se gestionează toate simbolurile aplicației. Sunt disponibile următoarele funcții:
crearea numelor și componentelor simbolice pentru semnalele procesului (intrări/ieșiri, bit memorie și blocuri).
funcții de sortare;
import/export la/de la alte programe Windows.
Tabela de simboluri creată cu acest instrument este disponibilă pentru toate celelalte instrumente ale pachetului SIMATIC. Orice modificare a proprietăților unui simbol este așadar recunoscută automat de toate celelalte instrumente.
Fig.2.21 Symbol Editor
2.11.5.3 HARDWARE DIAGNOSTIC
Această funcție oferă o imagine de ansamblu asupra stării controllerului programabil. Se poate localiza un defect și se pot obține informații detaliate despre el.
afișează informații generale despre modul (de exemplu: numărul de ordine, versiune, nume), precum și starea modulului (de exemplu defecte);
afișează defectele modulului pentru I/O central și slave DP;
afișează mesajele de la „buffer-ul„ de diagnosticare;
Pentru CPU afișeză următoarele informații suplimentare:
cauzele defecțiunilor la rularea unui program utilizator;
afișează durata ciclului (al celui mai lung, mai scurt, și a ultimului ciclu)
posibilități de comunicare pe MPI și de încărcare;
date de performanță (număr de intrări/ieșiri posibile, bit memorie, numărătoare, timere și blocuri).
2.12 ORGANIZAREA GENERALĂ A PROGRAMULUI
Modul de organizare a unui program STEP 7 are anumite particularități față de alte
limbaje de programare. Un factor foarte important în această organizare îl au OB-urile, („organization block„). De fapt aceste blocuri sunt singurele care se execută în rularea programului, restul funcțiilor fiind doar apelate din interiorul acestor blocuri.
Singurul OB care va apărea obligatoriu în orice proiect dezvoltat în STEP 7 este OB1 un bloc care se execută într-o buclă infinită atâta timp cât CPU-ul se află în modul „run„.
Toate celelalte OB-uri reprezintă cazuri speciale în evoluția programului.
Pentru o mai bună organizare a programului sunt folosite anumite funcții FC-uri și FB-uri diferența dintre aceste 2 tipuri de funcții fiind aceea că, FB vor avea întotdeauna un
bloc de date asociat pe când FC-urile pot să apeleze în mod indirect anumite blocuri de date
dar nu vor avea un anumit bloc de date asociat.
Blocurile de date, DB-urile, sunt blocuri în care memoria CPU-ului poate fi împărțită în anumite segmente distincte, cu adrese distincte, în funcție de tipul de date care se dorește a
fi memorat în acea locație.
Blocurile de date pot fi împărțite în două mari categorii:
DB-uri generale, în care sunt păstrate valori globale ale programului;
DB-uri instanțiate. Aceste DB-uri corespund fiecare unei anumite instanțieri a unei funcții FB.
2.13 DEFINIREA SIMBOLURILOR
Într-un program STEP 7 se lucrează cu adrese, cum ar fi semnale I/O, bit de memorie,
numărătoare, timere, blocuri de date și funcții bloc. Sunt permise două moduri de adresare:
adresarea absolută – este alcătuită dintr-un identificator și o locație de memorie (de exemplu: Q 4.0, I 1.1, M 2.0, ).
adresarea simbolică – programul este mai ușor de înțeles și simplifică rezolvarea problemelor de depanare, dacă se atribuie nume simbolice adreselor absolute. Astfel, o adresă din program poate fi accesată prin intermediul unui simbol STEP 7 și poate interpreta numele simbolic, în adresele cerute în mod automat.
2.14 PROGRAMAREA FUNCȚIILOR
STEP 7 pune la dipoziție mai multe structuri de programare:
Organization Block (OB)
Funcțion (FC)
Funcțion Block (FB)
Data Block (DB)
În contrast cu FB-uri, în FC-uri nu pot fi declarate variabile statice.Variabilele statice declarate în funcțiile bloc (FB), se păstrează când blocul este închis, FB și FC sunt apelete în cadrul blocurilor de organizare (OB).
Fig.2.22 Inserarea unei funcții
În caseta de dialog „properties funcțion„ se acceptă numele funcției și se selectează limbajul de programare. Se confirmă cu OK.
Fig.2.23 Proprietățile funcției
2.15 SISTEMUL S.C.A.D.A
Sistemul de achiziții date, supraveghere, teleconducere (S.C.A.D.A. – “Supervisory Control and Data Acquisition“), cuprinde managementul întreruperilor, detectarea erorilor, izolarea și repunerea în funcție, minimizarea timpului de întrerupere, menținerea frecvenței și a nivelurilor de tensiune în limite acceptabile. Sistemul include funcții de achiziție de date, control supraveghere, aplicații de analiză a rețelei de distribuție, automatizarea stațiilor, precum și asigurarea legăturilor cu alte sisteme de control computerizate, incluzând și alte sisteme automate de interfață cu consumatorii.
Un sistem de automatizare a distribuției, bine definit și bine proiectat, permite utilizatorului să supravegheze de la distanță, să coordoneze și să exploateze în timp real componentele distribuției, ceea ce conduce la eficientizarea și îmbunătățirea fiabilității rețelei de distribuție a energiei electrice, la reducerea costurilor și la creșterea efectivă a calității serviciului oferit consumatorilor.
2.15.1 AVANTAJELE UTILIZĂRII SISTEMELOR S.C.A.D.A
datele culese din teren cu ajutorul R.T.U. (“remote terminal units“) pot fi
afișate în orice mod dorit de utilizator;
se pot stoca cantități mari de informații;
multitudine de senzori dintr-o zonă vastă pot fi conectați la acest sistem;
operatorul uman are posibilitatea să simuleze diverse situații în timp real.
2.15.2 DEZAVANTJELE UTILIZĂRII SISTEMELOR S.C.A.D.A
sistemul în sine este mult mai complicat decât sistemele utilizate în trecut;
pentru operatorul uman sunt necesare competențe în domeniul programării;
costurile implementării unui astfel de sistem sunt încă ridicate.
Fig.2.24 Sistem SCADA []
Pentru a înțelege mai bine modul de funcționare a sistemului de tip SCADA, în figura
2.24 este exemplificat un astfel de mod de funcționare, fiind reprezentate legăturile dintre sistemul SCADA și două PLC-uri.
Un sistem S.C.A.D.A. conține următoarele subsisteme:
interfața om-mașină (HMI), sau modulul operator ce se prezintă sub forma unui dispozitiv care permite afișarea datelor de proces către un operator, oferindu-i acestuia și posibilitatea de control asupra procesului;
unitatea centrală de calcul – este reprezentată de un calculator care rulează aplicația S.C.A.D.A. și care realizează achiziția datelor de proces, precum și controlul procesului prin trimiterea comenzilor specifice către elementele de acționare;
unitățile terminale comandate la distanță („r.t.u„ – „remote terminal unit„) care realizează conectarea senzorilor la proces și care transpun semnalele electrice de la ieșirile senzorilor în semnale electrice digitale;
un automat programabil folosit ca și element de proces, poate îndeplini funcția de unitate terminală periferică și prezintă față de acestea avantajul unei mai bune versatilități și flexibilități în configurație, la un cost mai scăzut.
2.16 SIMATIC WinCC FLEXIBLE
Un operator care lucrează într-un mediu în care procesele devin tot mai complexe, are
nevoie de transparență. Interfața om-mașină („human machine interface„) oferă această
transparență.
Sistemele HMI reprezintă interfața dintre om („operatorul„) și proces („mașina„).
Automatele programabile sunt cele care controlează efectiv procesul. Astfel, există o interfață
între operator și WinCC flexible („dispozitivul hmi„) și o interfață între WinCC flexible și
automatul programabil. Un sistem HMI presupune:
vizualizarea procesului – procesul poate fi urmărit pe dispozitive HMI („operating panel-op„,„mulți panel-mp„,„touch panel-tp„,„pc„). Imaginea afișată pe dispozitivul HMI este continu modificată în concordanță cu ceea ce se întâmplă în câmp.
controlul operatorului asupra procesului – operatorul poate controla procesul prin intermediul interfeței grafice. De exemplu, acesta poate seta valori de referință pentru controlul unui motor sau poate controla direct ventile, pompe și alte componente ale procesului.
afișarea alarmelor – stările critice din proces sunt semnalate pe astfel de dispozitive, astfel că operatorul poate interveni în timp util pentru evitarea unor defecțiuni majore. În cazul unei reglări, depășirea valorii presetate pentru referință, ar putea avea efecte negative importante în cadrul unui sistem.
stocarea variabilelor de proces și a alarmelor – sistemele HMI pot crea baze de date în care să fie stocate valori ale variabilelor de proces sau alarme (“data logs“). Această opțiune permite înregistrarea unor secvențe din proces care pot fi mai apoi analizate pentru a îmbunătăți producția.
parametrii de funcționare: parametrii unui proces sau a unor mașini pot fi reținuți în așa numitele rețete (“recipes“). Acești parametrii de funcționare se pot referi la caracteristicile unui anumit produs și pot fi descărcați de pe dispozitivul HMI pe PLC pentru a schimba produsul curent cu un altul.
2.17 SIMATIC HMI
oferă soluții pentru controlul și monitorizarea sarcinilor – procesul este adus la standarde înalte prin menținerea tuturor dispozitivelor și unităților de lucru la un nivel ridicat de funcționare.
sistemele SIMATIC HMI utilizate pentru controlul și monitorizarea centrelor de producție reprezintă nivelul superior din punct de vedere al performanței.
WinCC Flexible este sofware-ul care oferă soluții inginerești confortabile și eficiente pentru conceptele orientate spre automatizarea de viitor.
2.17.1 CONCEPTE DE WinCC FLEXIBLE
WinCC Flexible Engineering System este un software pentru controlul proceselor industriale.
WinCC Flexible Runtime este un software pentru vizualizarea procesului. Proiectul se execută în modul proces WinCC Flexible Runtime.
opțiunile WinCC Flexible permit expandarea funcționalității standard a softului.
2.18 REALIZAREA UNUI PROIECT NOU WinCC
În figurile ce urmează sunt prezentați cei 8 pași necesari pentru crearea unui proiect. Proiectul WinCC Flexible se integrează în proiectul Step7 prezentat anterior. Există și opțiunea realizării unui nou proiect WinCC Flexible direct din fereastra „Simatic manager„.
crearea unui nou proiect prin intermediul opțiunii „project wizard"
Fig.2.25 Project Wizard
din lista apărută se alege opțiunea „small machine"- reprezintă tipul de proiect pentru o legătură directă PLC – panou sinoptic. Apoi se integrează proiectul Step7 pentru care se dorește crearea unei interfețe grafice.
Fig.2.26 Integrarea proiectului creat în Simatic Manager
se alege tipul de dispozitiv HMI – în acest caz se alege „WinCC Flexible Runtime". Tot aici este setată și rezoluția pentru ecran, tipul de conexiune – MPI/DP/Ethemet și seria din care face parte automatul programabil – SIMATIC S7 300/400. În cazul lucrării de fața S7-300.
Fig.2.27 Alegerea tipului de conexiune, a rezoluției, și a seriei PLC
se specifică dacă se dorește crearea unui „header„, butoane de control pentru navigație, linie pentru alarme, fereastră pentru alarme, tipul de conexiune, selectarea poziției și stilul pentru bara de navigație cât și cea a alarmelor.
Fig.2.28 Configurarea afișajului
alegerea numărului ecranelor cu detalii corespunzătoare fiecărui ecran.
Fig.2.29 Alegerea numărului de ecrane
se specifică dacă se dorește crearea unui ecran principal pentru toate ecranele sistem, sau dacă ecranele ar trebui afișate direct în poziția specifică.
Fig.2.30 Gestionarea ecranelor
se adaugă librăriile necesare, sunt selectate până la 6 fișiere care pot fi integrate ca
librării opționale.
Fig.2.31 Inserarea librăriilor
în ultima secțiune se adaugă comentariile aferente. Apăsând butonul „finish„ este generat proiectul ce conține toate setările specificate în pașii anteriori.
Fig.2.32 Generarea proiectului
2.18.1 CREAREA TAG-URILOR
După ce proiectul a fost creat, din meniul apărut se selectează secțiunea "communicațion" și se realizează lista de tag-uri. Tag-urile sunt variabile de lucru ce corespund fiecărui obiect creat în WinCC. Prin intermediul tag-urilor se face legătura între obiectele create în WinCC Flexible și adresele utilizate în Step7. Tag-urile trebuie să fie externe și de tipul conexiunii cu PLC-ul. Pot fi create și tag-uri interne dar acestea pot fi utilizate numai în WinCC Flexible, fără a avea posibilitatea de a lega aceste tag-uri de adresele din PLC. Se pot adăuga nume sau se poate schimba ciclul de citire al tag-ului. Ciclul de citire se referă la viteza de actualizare a unui tag.
Acesta poate fi de ordinul milisecundelor dar poate fi stabilit chiar și de ordinul minutelor.
Fig.2.33 Lista tag-urilor în WinCC
2.18.2 REALIZAREA ECRANELOR DE LUCRU
Pentru aceasta trebuie inserat un ecran de lucru în care folosind instrumentele disponibile, cu „drag and drop„ se pot adăuga elementele necesare reprezentării întregului proces.
Fig.2.34 Inserarea obiectelor
2.18.3 RULARE ȘI TESTARE
După ce s-au adăugat acțiunile pe elementele componente ale interfeței, aceasta se salvează și se compilează, verificându-se astfel dacă există erori în proiectare. Împreună cu
programul realizat în „simatic manager„ această interfață poate fi rulată și simulată în prealabil utilizării propriu-zise. Se deschide aplicația simatic manager, se descarcă programul realizat în simulator si se dă "run".
.
Fig.2.35 Simulare program
Deoarece programul necesar PLC-ului a fost integrat în Wincc Flexible, interfața HMI se poate deschide direct cu simatic manager din meniul "WinCC Flexible RT". Se dă „dublu click„ pe ecranul dorit, iar după deschiderea intefeței se dă "start runtime" pentru a simula
întreg procesul. Senzorul de presiune și reacțiile butoanelor de comndă se pot simula cu ajutorul simulatorului, sau din HMI.
CAPITOLUL 3
PROIECTAREA SISTEMULUI
DE
ALIMENTARE CU APĂ
3. PROIECTAREA SISTEMULUI DE ALIMENTARE CU APĂ
3.1 DETERMINAREA REGIMULUI DE CURGERE A FLUIDULUI
Ținând seama de cerințele privind stabilitatea în funcționare a sistemelor hidraulice adoptarea corectă a deschiderii nominale critice a conductelor DN, este esențială în proiectarea instalațiilor de acest tip. Mai mult importanța acestui calcul este evidențiată și de faptul că acesta determină atât gabaritul conductelor cât și al aparaturii.
Mărimea diametrului conductelor, împreună cu viteza admisibilă de curgere indică, capacitatea maximă de vehiculare pe care o poate asigura conducta.
În cazul proiectării, atăt din considerente de ordin economic cât și tehnic conduc la tendința de minimizare și în consecință de reducere pe cât posibil a valorii DN. Este indicat să nu se micșoreze această valoare sub limita care, determină schimbarea regimului de curgere, de la laminar la turbulent. În acest sens trebuie determinată valoarea numărului ,,Reynolds” cu ajutorul relației :
(3.1)
(3.2)
Înlocuind (3.2) în (3.1) rezultă că numărul ,,Reynolds” se calculează cu relația:
(3.3)
în care : Re – numărul ,,Reynolds” (adimensional) ;
v – viteza de curgere [cm/s];
d – diametrul interior al conductei [cm];
– vâscozitatea cinematică [cstk];
Se pleacă de la ipoteza că:
regimul de curgere este realizat prin conducte netede;
înălțimea geodezică de pompare totală Hgtot, este stabilită la valoarea de 70 m (din care: Hga =35m reprezintă înalțimea geodezică de aspirație și Hgr =35 m reprezintă înălțimea geodezică de refulare);
Q reprezintă debitul maxim necesar pentru consumatorul industrial și este stabilit la 70 l/s ≈ 4200 l/min ≈ 252 m3/h;
D reprezintă diametrul conductei și în laborator s-a considerat = 1mm;
reprezintă vâscozitatea cinematică a apei care variază în funcție de temperatură.
;
Pentru calcule s-au efectuat următoarele transformări :
(3.4)
(3.5)
Înlocuind aceste valori în relația (3.3) va rezulta numărul ,,Reynolds”, cu ajutorul căruia se va stabili regimul de curgere al apei.
(3.6)
Valoarea numărului ,,Reynolds” obținut, comparat cu valorile graficului din figura 3, stabilesc că regimul de curgere al fluidului este unul turbulent.
Fig.3 Analiza regimului de curgere (Re) în funcție de debitul Q[]
Valorile de prag ale numărului ,,Reynolds”, care separă cele trei regimuri de curgere, sunt prezentate în figura 3.1.
Fig.3.1 Valorile de prag ale numărului ,,Reynolds”
3.2 CALCULUL DIAMETRULUI NOMINAL AL CONDUCTELOR
Viteza de curgere în conductele sistemelor de acționare hidro variază în funcție de destinația conductei, lungimea acesteia, forma, presiunea de lucru precum și de modul de montaj.Vitezele, conform standardelor în vigoare, privind circulația lichidelor de lucru în sistemele de acționări hidro sunt cele prezentate în tabelul 3.
Tabelul. 3 Valorile vitezei fluidului în funcție de presiune[]
Valoarea vitezei fluidului în conducte se adoptă în raport cu destinația conductei și lungimea sa.Valorile recomandate mai jos sunt pentru conducte cu lungime < 100 m.
pentru conductele de aspirație valoarea de calcul a vitezei de aspirație va se recomandă :; (3.7)
pentru conductele de scurgere valoarea de calcul a vitezei de scurgere vs se recomandă : ; (3.8)
pentru conductele de refulare valoarea de calcul a vitezei de refulare vr se recomandă : ; (3.9)
Folosind valorile recomandate ale vitezelor se pot calcula diametrele conductelor care compun sistemul de alimentare cu apă, folosind relația de calcul :
(3.10)
în care: vi – reprezintă valoarea vitezei de curgere adoptată în [cm/s];
Qmax – reprezintă valoarea cea mai mare a debitului vehiculat în timpul ciclului de lucru exprimată în [cm3/s].
3.2.1.CALCULUL DIAMETRULUI NOMINAL AL CONDUCTELOR DE ABSORBȚIE, SCURGERE ȘI REFULARE
Înlocuind (3.7),(3.8),(3.9) în (3.10) rezultă următoarele diametre DN pentru fiecare conductă :
aspirație : DNa (3.11)
scurgere : DNs (3.12)
refulare : DNr (3.13)
3.3 DIMENSIONAREA ȘI ALEGEREA POMPELOR
3.3.1 CALCULUL RANDAMENTULUI POMPELOR
Puterea generată de pompă, reprezintă puterea înmagazinată de agentul motor refulat de pompă. Ipotetic s-a stabilit că presiunea maximă pe care o va putea atinge fluidul pe coloana principală este de 10 bari.Valorile standardizate ale randamentelor unei pompe sunt definite de STAS 7145-86 și sunt :
ηh – reprezintă randamentul hidraulic = 0,95 (3.14)
ηv – reprezintă randamentul volumic = ( 0,8- 0,9) (3.15)
ηm – reprezintă randamentul mecanic = (0,85 – 0,95) (3.16)
[]
Randamentul pompei notat cu ηp se calculează ca fiind produsul celor trei randamente (hidraulic, volumic și mecanic) și reprezintă capacitatea pompei de a-și menține caracteristicile de performanță și randamentul inițial în instalația în care a fost montată pentru un timp cât mai îndelungat.
(3.17)
(3.18)
3.3.2 CALCULUL PUTERII HIDRAULICE A POMPELOR
Puterea hidraulică a pompei notată cu Ph se definește ca fiind raportul dintre produsul presiunii maxime notat cu p [bar] și valoarea debitului maxim notat cu Q [l/min], care se pot regăsi în instalația de alimentare cu apă pe unitatea de timp măsurată în [sec].
(3.19)
în care: p – presiunea maximă = 10 [bar];
Q – debitul maxim = 70 l/s ≈ 4200 l/min ≈ 252 m3/h;
min – minute = 600[ sec].
Înlocuind valorile rezultă o putere hidraulică a pompei de:
(3.20)
3.3.3 CALCULUL PUTERII MECANICE A POMPELOR
Puterea mecanică a pompei notată cu Pm se definește ca fiind produsul dintre puterea hidraulică, randamentul mecanic și randamentul volumic.
(3.21)
Înlocuind (3.15),(3.16) și (3.20) în (3.21) rezultă o putere mecanică de:
(3.22)
3.3.4 CALCULUL MOMENTULUI POMPELOR
Momentul realizat de hidromotor se determină cu relația :
(3.23)
în care q – reprezintă capacitatea teoretică= 40 [cm3];
p – presiunea maximă = 10 [bar] ;
Înlocuind (3.16) în (3.23) se poate determina momentul pompelor ca fiind:
(3.24)
3.3.5 CALCUL TURAȚIEI POMPELOR
Pornind de la relația cuplului :
(3.25)
(3.26)
(3.27)
se poate calcula turația (n) a pompei folosind relația (3.27):
(3.28)
Înlocuind (3.22), (3.24), în relația (3.28) rezultă o turație a pompei de:
(3.29)
3.3.6 ALEGEREA POMPELOR
În urma studiului amănunțit asupra ofertelor mai multor producători de turbo pompe, în vederea alegerii unei pompe adecvate care să satisfacă rezultatele reieșite din calcule, s-a decis achiziționarea a trei turbo pompe tip Lotru-10, produse de firma ,,Sc.Mecanex Sa” Botoșani-România.
Fig.3.2 Pompe Lotru-10[]
Pompele au specificați în catalogul oferit de producator următorii parametri:
înălțimea totală de pompare Hgot = (3-90) [m];
debitul pompat Q = (5-550) [m3/h];
temperatura maximă a fluidului 1300C;
presiunea nominală p=10 [bar] ;
DN al conductei de aspirație DNa = (5-200) [mm];
DN al conductei de refulare DNr = (40-150) [mm];
turații diferite pentru acționarea cu motoare electrice :750 [rot/min],
1000 [rot/min];
frecvență 60 [Hz];
tensiunea de alimentare : 220 [V]; 380/415 [V];
clasă de izolație : E,F;
aspirație axială,refulare orizontală sau verticală ;
putere hidraulică nominală Ph = (0,55-75) [Kw];
pompă centrifugală monoetajată cu ax orizontal confecționată din materiale standardizate, ușor de montat și pus în funcțiune.
3.4 CALCULUL PUTERII MOTORULUI ELECTRIC
În alegerea celor mai potrivite motoare electrice pentru acționarea diverselor mecanisme industriale, utilaje agricole, aparate medicale, aparate electrocasnice, etc, se are în vedere în principal, următoarele elemente:
tensiunea de alimentare;
puterea;
viteza la care vor trebui să funcționeze electromotoarele respective.
În cazul de față principalul criteriu de alegere a motorului electric îl constituie puterea acestuia. Motorul electric trebuie să realizeze turația la care pompa furnizează debitul maxim Qmax. Pornind de la relația (3.30) a randamentului pompei, care reprezintă raportul dintre puterea hidraulică a pompei și puterea motorului electric, ambele exprimate în [kW] și înlocuind (3.18) în (3.31) se poate calcula puterea motorului electric al pompei :
(3.30)
(3.31)
în care ηp – reprezintă randamentul pompei a cărui valoare s-a calculat în relația (3.18);
Ph – reprezintă puterea hidrauluică a pompei și s-a calculat în relația (3.20);
Pe – reprezintă puterea motorului electric.
3.4.1 ALEGEREA MOTORULUI ELECTRIC
Stabilirea puterii electromotoarelor are o importanță deosebită. Regula generală este că fiecare electromotor să aibă o putere egală sau cât mai apropiată de puterea necesară funcționării utilajului pe care îl deservește.
Această regulă urmărește, nu numai costul unui electromotor, de putere mai mare decât cea necesară, (care nici el nu trebuie neglijat), cât mai ales asigurarea randamentului optim la care trebuie să lucreze fiecare electromotor.
Este știut, că un electromotor supradimensionat funcționează cu un randament scăzut, ceea ce înseamnă că el consumă permanent, inutil, pentru nevoile proprii de funcționare, o energie electrică activă și mai ales, o energie electrică reactivă mai mare decât cea consumată de un electromotor mai mic (potrivit cu utilajul pe care acesta îl acționează).
Alegerea motoarelor electrice se face ținându-se seama și de tipul de construcție al acestora, astfel încât să corespundă condițiilor de lucru impuse de mediul în care vor trebui să lucreze (protejare împotriva prafului, umezelii, gazelor, acizilor, etc).
Ținând seama de marea diversitate a mecanismelor și utilajelor acționate de electromotoare, precum și de regimurile de lucru foarte diferite ale acestora, alegerea celui mai potrivit electromotor pentru fiecare din ele este destul de dificilă și totuși foarte necesară. În această lucrare s-a decis folosirea motoarelor asincrone deoarece motorul electric asincron trifazat este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari.
Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor.
Rotorul este format din armatura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică.
După tipul înfășurării rotorice, aceste rotoare pot fi de tipul :
rotor în colivie de veveriță (în scurtcircuit) – înfășurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau mai rar de cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
rotor bobinat – capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele se face prin intermediul a 3 perii.
Fig.3.3.Motoare electrice asincrone trifazate[]
Prin intermediul inducției electromagnetice câmpul magnetic învârtitor, va induce în înfășurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfășurare și asupra acesteia acționează o forță electromagnetică ce pune rotorul în mișcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului este întotdeauna mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor, denumită și turație de sincronism.
Dacă turația rotorului ar fi egală cu turația de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu. Un alt criteriu foarte important în alegerea unui motor electric, este serviciul de funcționare al acestuia. Serviciul de funcționare pentru care a fost proiectat un motor se numește ,,serviciu nominal” și se trece pe plăcuța indicatoare a mașinii.
Considerând că serviciul de funcționare al motoarelor celor 3 pompe este serviciul neântrerupt cu modificarea periodică a turației (S8) și constă dintr-o succesiune de cicluri identice, în care există mai multe regimuri de funcționare, pe baza puterii rezultate din calcule și în urma studierii ofertelor mai multor producători, s-a decis alegerea motorului „K315 L-6„ din catalogul de produse al firmei ,,Valiadis Hellenic Motors” – Grecia.
Motorul ales are următorii parametri specificați de firma producătoare :
putere nominală Pn = 110 [Kw] (3.32);
turația nominală n= 989 [rot/min] (3.33);
tensiunea de alimentare Un = 400 [V] Δ (3.34) / Un = 690 [V] Y; (3.35);
frecvența f = 50[Hz] (3.36);
curent în sarcină Isar = 196,71 [A] (3.37) / Isar =113,57 [A]; (3.38);
curent In = 72,039 [A] (3.39);
carcasă de bronz;
factor de putere cosφ = 0,86 (3.40);
randament nominal ηn = 0,95 (3.41);
număr poli = 6. (3.42).
Fig.3.4 Date tehnice motor asincron K315-L6[]
[valiadis.ro]
CAPITOLUL 4
AUTOMATIZAREA SISTEMULUI
DE
ALIMENTARE CU APĂ
4.AUTOMATIZAREA SISTEMULUI DE ALIMENTARE CU APĂ
4.1 DESCRIEREA FUNCȚIONĂRII APLICAȚIEI
Aplicația prezentată î-și propune să asigure controlul și supravegherea automată a unui sistem de alimentare cu apă industrial, prevăzut să lucreze cu ajutorul a 3 turbo pompe de suprafață care captează apa din trei puțuri diferite.
Acestea puțuri sunt forate, fiecare având adâncimea de 35 m și sunt prevăzute cu sesizor de prezență apă, montat la un nivel al apei din puț la care să se poată realiza absorbția apei în condiții optime și sigure. Senzorii de prezență apă, au rolul de-a oferi în orice moment sistemului, informații referitoare la prezența/lipsa apei din puțul respectiv.
Utilitatea acestor sesizori se reflectă în faptul că, asigură atât protecția motorului electric de antrenare al pompei, cât și a întregului sistem de pompare, nepermițându-i să funcționeze fără apă în puț, prin deschiderea unui contact normal închis atunci când sesizează lipsa apei.
Sistemul de pompare este compus dintr-un ansamblu complex de conducte, prin care se asigură captarea, transportul și evacuarea apei către consumatorul industrial, un bazin tampon, cu rol de-a suplimenta în caz de nevoie cantitatea de apă necesară consumului pentru o perioadă de timp scurtă (atât timp cât o pompă este defectă, sau este oprită pentru revizie), asigurând suplimentarea debitului numai cu jumatate din volumul său, deoarece rolul bazinului tampon este de a asigura cantitatea de apă necesară stingerii unui eventual incediu, cumulat cu apariția simultan, a unei avarii la rețeaua de alimentare cu energie electrică, avarie care nu ar permite funcționarea pompelor datorită imposibilității asigurării tensiunii de alimentare.
Bazinul este prevăzut cu o vană care poate fi acționată “automat“ sau “manual“, astfel putând fi asigurată apa necesară pentru lichidarea eventualului incendiu apărut.
Controlul sistemului de pompare, este asigurat de către un senzor de presiune montat pe conducta principală de refulare, care are rolul de a monitoriza permanent nivelul presiunii pe coloană, generând un semnal analogic a cărui valoare este prelucrată de PLC și apoi transformată în comenzi de cuplare/decuplare pompe.
Logica de comandă este realizată cu ajutorul softului Step 7 produs al firmei Siemens și cuprinde 2 blocuri de organizare “OB1 și OB30“, 4 funcții de control “ FC1, FC2, FC3, FC4“, 2 funcții “FC105, FC106“ de control nivel presiune, (cu rol de scalare si descalare a semnalului analogic primit de la senzorul de presiune).
În blocul de organizare “OB1“ sunt apelate toate cele 4 funcții “FC1,FC2,FC3,FC4“, blocul “OB30“ fiind folosit pentru obținerea unui semnal impuls de tip “clock“, necesar pentru secvența de contorizare timp funcționare pompe.
Cele 4 funcții de control sunt structurate astfel :
FC1 – logica de comandă și control comună funcționării celor 3 pompe;
FC2 – logica de comandă, control, protecție și semnalizare pentru pompa 1;
FC3 – logica de comandă, control, protecție și semnalizare pentru pompa 2;
FC4 – logica de comandă, control, protecție și semnalizare pentru pompa 3;
Monitorizarea parametrilor electrici și hidro cât și o permanentă informare prin generarea de semnalizări și alarme sonore sau text, a personalului de exploatare și întreținere cu privire la stadiul de funcționare la care se află instalația, sau cu privire la parametrii la care se află/sau ar trebui să se afle, este asigurată cu ajutorul interfeței “HMI“ (“human machine interface“), realizată cu ajutorul softului “WinCC Flexible“ produs al firmei Siemens.
În continuarea capitolului este prezentată descrierea funcțională a comenzilor logice ale sistemului de alimentare cu apă .
Fig.4 Blocurile de organizare și funcțiile aplicației
4.2 CUPLAREA TENSIUNII DE COMANDĂ
Pentru punerea în funcțiune a schemei logice de comandă este nevoie, în primul rând de asigurarea tensiunii de lucru. Aceasta se realizează prin apăsarea pe ecranul interfeței HMI a butonului “cuplat“, având ca efect în Step 7, schimbarea stării din 0 logic, în 1 logic a intrării (I0.0), care realizează ieșirea (Q0.1), prin care se asigură tensiunea generală de lucru a PLC. Deconectarea voluntară a tensiunii generale se face prin acționarea în HMI a butonului “decuplat“ a cărui adresă în Step 7, este (I0.1) realizându-se schimbarea stării logice din 1 în 0, sau prin acționarea butoanelor “reset“ sau “avarie“ al căror efect în aval este același ca și cel al butonului “decuplat“.
Butoanele “cuplat-decuplat“ sunt prevăzute cu interblocaj logic pentru a evita suprapunerea funcționării simultane a secvențelor. În (fig.4.1), este prezentată secvența logică de funcționare Step 7, care asigură “cuplarea-decuplarea“ tensiunii generale de comandă.
Fig 4.1 Secvență cuplare-decuplare tensiune generală
Simultan realizării ieșirii (Q0.1), prin contactele “normal deschise“ ale acesteia, conectate la începutul fiecărei secvențe de comandă, se asigură simultan tensiunea de lucru și funcționarea secvenței de semnalizare “cuplare tensiune generală“ (fig 4.2).
Fig.4.2 Semnalizare “tensiune generală“ cuplată
4.3 SELECTARE REGIMURI DE LUCRU
Funcționarea sistemului de alimentare cu apă se poate face în două regimuri de lucru:
“regim manual“;
“regim automat“.
Cele două regimuri de lucru se pot selecta de pe interfața “HMI“, prin simpla acționare a butonului corespondent regimului dorit: (“manual-automat“). Butoanele sunt prevăzute cu lămpi de semnalizare de culoare verde, care la starea 1 logic se aprind, confirmând astfel modul de lucru ales.
Fig.4.3 Cuplare-decuplare tensiune generală și selectare regim de lucru
4.3.1 REGIMUL DE LUCRU MANUAL
Regimul de lucru “manual“ se poate selecta prin acționarea butonului “manual“ de pe interfața panoului de lucru a utilizatorului. Acest buton are adresa în logica Step 7, intrarea (I0.2) inițial cu stare 0 logic care , devine 1 logic după acționarea butonului și realizează ieșirea (Q2.3).
Contactele ieșirii (Q2.3) sunt conectate în secvențele de funcționare în regim “manual“ a celor 3 pompe, dar și în secvența de semnalizare “regim manual selectat“ (fig.4.5).
Regimul “manual“, permite cuplări-decuplari voluntare ale celor 3 turbo pompe în situația în care condițiile impun acest lucru: (pentru probe, verificări în urma unor avarii sau revizii). Aceste porniri/opriri voluntare se realizează prin acționarea butoanelor “run“ și “stop“ aferente fiecărei pompe, doar după ce a fost selectat regimul “manual“ de funcționare al acestora. Secvența de funcționare manuală este limitată din punct de vedere al complexității, având active protecțiile minime esențiale pentru funcționarea pompelor.
În (fig. 4.4) este prezentată secvența de selectare “regim manual“, iar în (fig.4.5) este prezentată semnalizarea care confirmă acest lucru.
Fig.4.4 Selectare regim de lucru manual
Fig.4.5 Semnalizare regim manual selectat
4.3.2 REGIMUL DE LUCRU AUTOMAT
Regimul “automat“, (fig.4.6) este regimul permanent de funcționare a sistemului de pompare. Acest regim se poate selecta prin acționarea butonului “automat“ de pe panoul operatorului a cărui adresă în logica de funcționare Step 7, corespunde intrării (I0.3), care se află în starea 0 logic și în urma acționării butonului “automat“ devine 1 logic realizând ieșirea (Q2.4).
Fig.4.6 Selectare regim de lucru automat
Contactele “normal deschise“ ale ieșirii (Q2.4), sunt conectate în secvențele de funcționare în regim automat ale celor 3 pompe, cât și în secvența de semnalizare “regim automat selectat“ (fig.4.7).
Regimul de lucru “automat“ asigură monitorizarea parametrilor și controlul acestora pentru o bună funcționare a sistemului la valorile impuse. Logica de comandă a acestui regim de lucru oferă controlul și protecția celor trei pompe, a bazinului tampon cu care este dotat sistemul de pompare, a sesizorilor de nivel apă, a alarmelor, a protecțiilor, și a secvențelor de avarii, etc.
În comparație cu regimul de lucru “manual“, regimul de lucru “automat“ este mult mai complex din punctul de vedere al secventelor gestionate .
Prin acest regim de lucru, este asigurată funcționarea pompelor la turație variabilă în funcție de necesarul de consum, oprirea sau deconectarea tensiunii acestora dacă este atinsă valoarea presiunii nominale sau valoarea limită a presiunii de avarie. Deasemeni tot prin acest regim de lucru este asigurată secvența logică de stingere incendii, facilitând asigurarea apei necesare operațiunii de stingere.
Fig.4.7 Semnalizare regim automat selectat
4.4 FUNCȚIONAREA POMPELOR ÎN REGIMUL MANUAL.
Pentru funcționarea pompelor, individual sau simultan în regimul de lucru “manual“, condițiile principale impuse sunt :
ieșirea (Q0.1) – “cuplare tensiune de comandă“ să fie în stare 1 logic;
ieșirea (Q2.3) – regimul de lucru “manual “selectat să fie în 1 logic.
Pentru pornire, intrările aferente butoanelor de “run“- funcționare pompe se află în starea 0 logic, iar pentru oprire intrările aferente butoanelor de “stop“ oprire pompe se află în starea 1 logic. Starea acestora se schimbă automat în urma acționării butoanelor, cele cu 0 logic devin 1 logic și invers. Pentru a funcționa pompele în regim “manual“ trebuie efectuate următoarele comenzi:
pentru “run“ pompa 1, se va acționa butonul de pornire – adresă corespondentă în Step 7 (I0.4), pentru “stop“ pompa 1 se va acționa butonul de oprire – adresă corespondentă în Step 7 (I0.5), (fig 4.8).
pentru “run“ pompa 2, se va acționa butonul de pornire – adresă corespondentă în Step 7 (I0.6) , pentru “stop“ pompa 2 se va acționa butonul de oprire – adresă corespondentă în Step 7 (I0.7), (fig 4.9).
pentru “run“ pompa 3, se va acționa butonul de pornire – adresă corespondentă în Step 7 (I1.0) , pentru “stop“ pompa 3 se va acționa butonul de oprire – adresă corespondentă în Step 7 (I1.1), (fig 4.10).
Fig.4.8 Secvență “cuplare-decuplare“ pompa 1- regim manual
Fig.4.9 Secvență “cuplare-decuplare“ pompa 2 – regim manual
Fig4.10 Secvență “cuplare-decuplare“ pompa 3 – regim manual
4.5. FUNCȚIONAREA POMPELOR ÎN REGIMUL AUTOMAT.
Regimul de lucru “automat“ perminte prin logica de comandă pe care o gestionează funcționarea pompelor la turații variabile secvențele de “pornire/oprire“ sau “mărire/reducere“ a turației fiind controlate cu ajutorul senzorului de presiune, cu care este dotat sistemul de alimentare cu apă. Pentru ca pompele să funcționeze în acest regim de lucru este necesar acționarea butonului “start“ care în Step 7 are, adresă de corespondeță intrarea (I1.2) , care inițial are starea 0 logic.
Fig.4.11 Funcționare “pompa.1,pompa.2 și pompa.3“ la turație maximă
Prin acționarea butonului, intrarea î-și schimbă starea în 1 logic și realizează ieșirea (Q2.1), ale cărei contacte NO sunt conectate în secvențele de funcționare pompe în regim “automat. Cele 3 pompe pornesc și funcționează simultan în urma acestei acțiuni, doar dacă senzorul de presiune SP se află la valoarea 0 unități, și lucrează toate la capacitate 100%, atât timp cât senzorul SP nu înregistrează o modificare ascendentă a valorii de 0 unități. Simultan pornirii pompelor este deschisă și electrovana de alimentare cu apă a bazinului tampon cu care este prevăzut sistemul de pompare și astfel se realizează umplerea acestuia cu apă, până când:
valoarea 1 unitate (presiune) afișată de senzorul SP, comandă oprirea alimentării cu apă a bazinului tampon, prin închiderea electrovanei și simultan realizează și reducerea turației pompei 3 de la 100% din capacitatea de funcționare a acesteia la 66%, celelalte 2 pompe (pompa1 și pompa 2), continuând să funcționeze la capacitate maximă.
Fig.4.12 Funcționare pompa.3 66% din capacitate
atingerea valorii de 2 unități (presiune), la senzorul SP, comandă prin logica PLC reducerea turației pompei 3 de la 66% la 33%, menținând pompele 1 și 2 la 100% din capacitatea de funcționare.
Fig.4.13 Funcționare pompa.3 33% din capacitate
la valoarea 3 unități (presiune), se comandă oprirea funcționării pompei 3 și menținerea acesteia oprită atât timp cât valoarea indicată de senzor nu se modifică subunitar valorii 3, pompele 1 și 2 funcționând tot la capacitate maximă.
Fig.4.14 Oprire pompa.3
reducerea turației pompei 2 de la 100% la 66% din capacitatea sa de funcționare, se produce la atingerea valorii de 4 unități (presiune) pe senzorul SP. Pompa 1 fiind în această etapă la funcționare de 100% din capacitate și pompa 3 fiind oprită.
Fig.4.15 Funcționare pompa 2 la capacitate de 66%
atunci când senzorul de presiune SP atinge valoarea 5 unități (presiune), comandă funcționarea pompei 2 cu 33% din capacitatea de lucru, pompa 1 funcționând cu 100% din capacitate și pompa 3 fiind menținută oprită datorită consumului scăzut.
Fig.4.16 Funcționare pompa 2 la capacitate de 33%
la valoarea 6 unități (presiune), senzorul SP comandă oprirea pompei 2, menținerea oprită a pompei 3 și funcționarea pompei 1 la capacitate maximă.
Fig.4.17 Oprire pompa 2
când se atinge valoarea 7 unități (presiune), este redusă si turația pompei 1 de la 100% la 66% din capacitatea de funcționare, iar pompele 2 și 3 sunt menținute oprite.
Fig.4.18 Funcționare pompa 1 la capacitate de 66%
valoarea de 8 unități (presiune) atinsă pe coloana de refulare indică un necesar scăzut de apă la consumator și în această situație senzorul SP comandă funcționarea pompei 1 doar la 33% din capacitate, pompele 2 și 3 fiind în continuare oprite.
Fig.4.19 Funcționare pompa 1 la capacitate de 33%
oprirea pompei 1 se face atunci când pe conducta de refulare senzorul SP atinge valoarea 9 unități (presiune) și nu se înregistrează consum sau pierderi, care să determine scăderea presiunii și implicit pornirea pompelor la turația corespunzătoare valorii de presiune pe care o va indica senzorul SP.
Fig.4.20 Oprire pompa 1
Simultan cu oprirea pompei 1 pe interfața de utilizator, personalul de deservire operativă va putea observa afișată intermitent o lampă de semnalizare de culoare verde, care indică “presiune ok“, acest lucru confirmând că toate pompele sunt oprite, sistemul de alimentare cu apă nu înregistrează consum sau pierderi și nu necesită să funcționeze.În cazul în care apare un consum brusc liniar sau neliniar și spre exemplu presiunea înregistrată de senzor se modifică: (de la 9 unități la 2 unități), PLC va comanda pornirea pompei 1 la 100% din capacitate, pornirea pompei 2 la 100% din capacitate și pornirea pompei 3 la 33% din capacitatea sa de funcționare, datorită faptului că valoarea 2 afișată de senzor corespunde acestui ciclu de funcționare.
Fig.4.21 Afișare presiune ok
4.6 PROTECȚIA SISTEMULUI DE POMPARE
4.6.1 PROTECȚIA SISTEMULUI DE POMPARE LA APARIȚIA PRESIUNII DE AVARIE
În situația în care nu se realizează oprirea pompei 1, cu toate că senzorul de presiune SP a atins pragul de 9 unități (“presiune ok“) și presiunea continuă să crească datorită funcționării continue a pompei 1(contactor forță blocat,contacte lipite), sistemul de alimentare cu apă, fiind protejat împotriva avariei conductelor și a celorlate elemente de câmp, la atingerea valorii de 10 unități (“suprapresiune“), va comanda deconectarea tensiunii de alimentare generală, semnalizând “presiune avarie“ pe interfața HMI. Ciclul de funcționare al pompelor în regim “manual“ sau “automat“ va putea fi reluat în situația prezentată, doar după ce se va face o verificare a cauzei apariției suprapresiunii și apoi o reconectare a întregului sistem pornind cu, cuplarea tensiunii generale din butonul “cuplare“ de pe panoul interfeței HMI.
Fig.4.22 Secvență presiune avarie
Toate valorile presiunii citite de senzorul de presiune SP sunt automat introduse ca intrări, comparate cu funcția comparator (“counter“) din librăria Step 7 și transformate în ieșiri care în avalul schemei logice, generează comenzile de funcționare.
4.6.2 PROTECȚIA ÎMPOTRIVA LIPSEI APEI ÎN PUȚURI
În logica funcțională prezentată intervin cei 3 senzori de prezență apă, montați la nivelul la care sorbul pompei poate absoarbe optim apa, dar sub limita căruia dacă se ajunge există risc de avarie a sistemului de pompare. Când sesizează lipsa apei, vor opri funcționarea pompei al cărei puț a atins nivelul de atenție și riscă să rămână fără apă. Oprirea pompei aferente senzorului activat se realizează prin contactul său “normal deschis“ care se va închide și va realiza o ieșire prin contactele “normal deschise“ ale căreia, simultan se comandă pornirea altei pompe (din cele 2 rămase), a cărui puț nu este afectat de lipsa apei.
Celor 3 senzori de prezență apă în puț le corespund în secvenețele logice de funcționare din Step 7, următoarele intrări:
pentru pompa 1 – intrarea (I1.3), realizează starea 1 logic pentru ieșirea (Q0.3) care va opri pompa 1 și va putea porni pompele 2 sau 3;
pentru pompa 2 – intrarea (I1.4), realizează ieșirea (Q0.5), ale cărei contacte vor opri pompa 2 și vor putea porni pompele 1 sau 3;
pentru pompa 3 – intrarea (I1.5) care prin schimbarea stării sale face ca ieșirea (Q0.7) să treacă din starea 0 logic în 1 logic și prin contactele acesteia se va opri pompa 3 și se vor putea porni pompele 1 sau 2.
Fig.4.23 Declanșare pompa 1 la “lipsă apă“
Pe interfața HMI operatorul va putea observa în timp real lipsa apei din puțul al cărui senzor este activat pe cele 3 lămpi de semnalizare poziționate sub simbolul grafic aferent fiecărui puț.
Fig.4.24 Semnalizare “lipsa apă“ în puț.1
4.6.3 PROTECȚIA MOTOARELOR LA APARIȚIA CURENTULUI DE SUPRASARCINĂ
Schema logică din Step 7, este prevăzută pentru fiecare din cele 3 pompe cu secvențe de declanșare la apariția unui curent de suprasarcină, la motoarele de acționare. Protecția la suprsarcină este asigurată prin intermediul a 3 relee termice, prin contactele principale ale cărora se alimentează motoarele pompei. Pentru fiecare pompă, contactul releului termic are următoarea corespondență în intrările din logica Step7 și acționează astfel :
pentru pompa 1- intrarea (I1.6), comandă ieșirea (Q13.0); ale cărei contacte sunt legate în secvența de “cuplare-decuplare“ motor pompa 1 (fig.4.25);
pentru pompa 2 – intrarea (I1.7), comandă ieșirea (Q13.1) ale cărei contacte sunt legate în secvența de “cuplare-decuplare“ motor pompa 2;
pentru pompa 3 – intrarea (I2.4), comandă ieșirea (Q13.2) ale cărei contacte sunt legate în secvența de “cuplare-decuplare“ motor pompa 3.
Pentru comunicarea adreselor de intrări din Step 7 cu “WinCC“, s-a apelat la folosirea unor relee intermediare (“memorii“) a căror adrese alocate sunt numerotate cu (M…).
Fig.4.25 Secvența de declanșare pompa 1 prin “suprasarcină“
4.6.4 PROTECȚIA SISTEMULUI DE POMPARE PRIN ACȚIONAREA BUTONULUI DE AVARIE
Fiecare dispozitiv de lucru indiferent de natura acționării, trebuie prevăzut pe lângă “butonul de oprire“, “butonul de pornire“ și cu un buton de avarie “tip ciupercă“ cu contacte “normal închise“, legate în serie cu secvența pe care urmează să o protejeze în caz nevoie. Utilitatea acestui buton poziționat întotdeauna înaintea butonului de oprire și a celui de pornire, se evidențiază prin faptul că odată acționat, deschide contactele, întrerupe circuitul relizându-se astfel protecția.
În cazul sesizării unei avarii de orice natură, a unui evenimnet nedorit sau atunci când celelalte elemente de oprire nu-și mai îndeplinesc funcțiile, este obligatoriu acționarea butonului de avarie care prin natura sa nu revine la starea inițială decât prin răsucirea capului“tip ciupercă“. Și în cazul de fața fiecare secvență de alimentare cu energie electrică a motoarelor de acționare, este prevăzută cu un astfel de butoan de avarie care în logica de comandă Step7, are alocată o intrare ce modifică starea ieșirii la care este conectat.
Pentru exemplificare :
pompa 1- butonul de avarie are alocată adresa (I2.5) și acționează asupra ieșirii (Q13.0), ale cărei contacte “normal închise“ întrerup circuitul realizând protecția motorului pompei 1 și simultan semnalizând pe ecranul interfeței HMI avaria (fig.4.26);
pompa 2 – butonul de avarie are corespondență în logica de comandă intrarea (I2.6) ce acționează ieșirea (Q13.1) realizând declanșarea și semnalizând totodată acest lucru pe interfața HMI;
pompa 3 – butonul de avarie are corespondență în logica de comandă intrarea (I3.0) ce realizează ieșirea (Q13.2) prin contactele căreia se întrerupe secvența de funcționare.
Fig.4.26 Funcționare “buton avarie“
4.7 SEMNALIZĂRI PE INTERFAȚA HMI
4.7.1 SEMNALIZARE OPTICĂ – STARE CONVERTIZOR
Interfața HMI a fost realizată în așa fel încât operatorului să-i fie foarte ușor să observe în timp real orice anomalie care apare în funcționare, eventuale semnalizări optice, sau chiar avertizări sonore. Astfel schema logică a sistemului de alimentare cu apă este prevazută cu secvențe care monitorizează și semnalizează buna funcționare a convertizoarelor statice de frecvență prin care este asigurată funcționarea la turație variabilă a pompelor, sau în cazul avariei acestora semnalizează declanșarea lor prin protecție.
Contactul “normal deschis“ din convertizor aferent secvenței comfirmă avaria/ok acestuia, trimite semnalul logic 1 către intrarea PLC, adresele de corepondență din Step 7, fiind alocate astfel:
pompa 1- intrarea alocată are adresa în Step 7 (I3.2) realizează ieșirea (Q11.7 ) care atât timp cât are starea 1 logic semnalizează “convertizor ok“, iar când starea logică este 0 semnalizează “convertizor avarie“;
pompa 2 – intrarea alocată are adresa în Step 7 (I3.3) realizând ieșirea (Q12.0 ) care atât timp cât are starea 1 logic semnalizează “convertizor ok“, iar când starea logică este 0 semnalizează “convertizor avarie“;
pompa 3 – intrarea alocată are adresa în Step 7 (I3.4) realizând ieșirea (Q12.1 ) care atât timp cât are starea 1 logic semnalizează “convertizor ok“, iar când starea logică este 0 semnalizează “convertizor avarie“.
4.7.2 SEMNALIZARE OPTICA – FUNCȚIONARE UNGERE
Sistemul de pompare este prevăzut pentru fiecare pompă cu un dispozitiv de ungere prin care se realizează gresarea cu vaselină pe perioada de timp cât pompa este în funcție. Acesta se face prin deschiderea automată a unei supape, ce permite introducerea vaselinei în lagărele pompei, și în toate elementele mecanice care sunt supuse frecării reducând astfel uzura. Funcționarea secvenței de ungere este semnalizată pe interfața HMI prin afișarea intermitentă a unei picături de vaselină, poziționată peste simbolul grafic al motorului de acționare (fig.4.28), dar și prin intermediul unei lămpi de semnalizare, care atunci când ieșirea aferentă funcționării supapei are starea logică 1 este verde – indică(“ungere ok“). Când motorul este oprit sau sistemul de ungere este în avarie și ieșirea are starea logică 0 lampa de semnalizare are culoarea roșie și indică intermitent “ ungere off“.
Fig.4.27 Semnalizare “convertizor ok“ și “ungere pompe“
Fig.4.28 Avarie ungere
4.7.3 SEMNALIZARE ACUSTICĂ
Logica Step 7 are implementată un circuit de semnalizare acustică prevăzut cu o hupă ce atenționează sonor personalul de întreținere cu privire la anomaliile apărute în funcționare, avarii, declanșari prin protecție, etc.
Sistemul de avertizare sonoră este realizat dintr-un difuzor tip goarnă care emite semnale sonore de diferite tonalități și cu un volum foarte ridicat capabil să atenționeze personalul.
Utilitatea semnalizării acustice se reflectă prin faptul că se elimină situația în care ar putea apare un defect și personalul operativ fiind implicat în alte activități de serviciu să nu sesizeze în timp util semnalizarea optică a anomaliei apărute pe interfața HMI, astfel putând să apară o situație de pericol iminent. Această avertizare acustică este activată automat pentru oricare dintre avariile apărute în funcționarea pompelor. Simultan cu avertizarea sonoră se afișează pe interfața HMI, simbolul intermitent al unei hupe, care pulsează în colțul din stânga al ecranului (figura 4.28), indicând că avertizarea sonoră este activă și s-a înregistrat o avarie a cărei cauză se poate citi în pagina de alarme.
Starea logică a ieșirii (Q10.4) este 1 atunci când ieșirile secvențelor de avarie a pompelor sunt în starea 1, indicând faptul că pompa a cărei secvență de avarie este activă are o defecțiune sesizată.
Fig.4.29 Secvență funcționare “hupă
4.8 CONTORIZARE TIMP FUNCȚIONARE POMPE
Sistemul de pompare are implementat secvențe prevăzute cu funcții logice, care contorizează și memorează timpul de lucru scurs al fiecărei pompe, pentru a putea atenționa personalul de întreținere despre necesitatea opririi pompelor pentru efectuarea reviziilor periodice. Acești contori de timp după o perioadă setată activează inițial cu ajutorul unor timere o secvență de presemnalizare ce informează operatorul despre necesitatea efectuării unei revizii (fig.4.31), la pompa a cărui timp este scadent. Astfel că, pe interfața HMI acest eveniment este evidențiat printr-o lampă de semnalizare de culoare roșie cu mesajul intermitent “revizie“.
Dacă situația impune ca aceea revizie să fie amânată, operatorul are posibilitatea prin apăsarea butonului “revizie“ să confirme luarea la cunoștiință a acestui eveniment și astfel acel contor este resetat, reluându-și numărarea iar pompa continuând să funcționeze, până când contorul va reajunge la timpul la care a fost setat. În situația în care operatorul nu ia cunoștiință despre presemnalizarea “ revizie“, timerul va porni numărarea și după un timp va declanșa automat secvența de funcționare a pompei respective prin deschiderea unui contact, simultan semnalizând în HMI “revizie – avarie“.
Fig.4.30 Contorizare timp funcționare pompa 3
Fig.4.31 Preavertizare “necesar revizie“ pompa.3
4.9 SECVENȚĂ INCEDIU
Schema Step este prevăzută cu o secvență logică care asigură funcționarea sistemului de stingere la apariția unui eventual incendiu. Bazinul cu care este dotat sistemul de alimentare cu apă, în cazul izbucnirii unui incendiu, va deschide automat electrovana de evacuare montată pe conducta de refulare, asigurând în rețeaua de hidranți apa necesară stingerii focului. Această secevență este funcțională cu condiția ca incendiul să nu fi afectat alimentarea cu energie electrică a pompelor, (deteriorat aparataj, conductoare), sau să nu existe nevoia întreruperii voite a alimentării acestora, dispusă de pompieri pentru evitarea unei posibile electrocutări a personalului muncitor în timpul operațiiunilor de stingere. În situația în care nu se poate asigura energia electrică, vana de golire a apei din tanc se poate acționa manual asigurând rezerva de apă necesară pentru lichidarea incendiului.
În Step 7 intrarea aferentă butonului de incendiu are adresa (I4.0) cu starea logică 0, care odată acționat devine 1 și realizează ieșirea (Q10.2), ce activează secvența de incendiu, afișând pe intrefața HMI flăcări la baza clădirii, simulând incendiu.
Fig.4.32.Secvență simulare “incendiu“
Fig.4.33 Simulare incendiu în HMI
4.10 PROBĂ LĂMPI
Sistemul de alimentare cu apă este prevăzut cu un buton “probă lămpi“ prin care se poate verifica în orice moment starea funcțională a semnalizărilor. Se poate vedea dacă acestea funcționează normal, dacă becurile lămpilor nu sunt arse, evitând situația prin care, la apariția unor avarii, acestea să nu poată fi semnalizate vizibil, atrăgând astfel avarii mult mai grave. Butonul de “probă lămpi“, nu influențează în nici un fel funcționarea pompelor și nici a ciclului de lucru. Intrarea alocată pentru acest buton este (I3.7) și are starea logică inițială 0 și este legată în toate network-urile unde există semnalizări.
Fig.4.34 Buton “probă lampi“
4.11 SECVENȚĂ RESET
În practică s-a constatat că în funcționarea schemelor logice cu ajutorul softurilor de programare, există riscul ca anumite memorii, timere, sau alte funcții logice din program să nu mai răspundă prompt la comenzi sau să manifeste o funcționare defectuaosă și întârziată. Aceasta influențează sistemul să reacționeze lent, sau să nu mai funcționeze, motiv pentru care una dintre soluțiile de depanare ar fi o resetare generală. Prin resetare se readuc funcțiile logice la parametrii nominali inițiali, se reia numărarea timpilor de funcționare, se resetează “counterele“ și toate condițiile.
Operațiunea se execută prin acționarea butonului“reset“, prevăzut cu contact “normal închis“, a cărui simbol grafic este afișat pe interfața HMI, ce are ca efect anularea tuturor comenzilor în derulare sau în așteptare. Pentru repunerea în funcție este nevoie să se repornească schema logică începând cu pasul 1 și anume “cuplarea tensiunii de comandă generală“.
4.12 ALARME
WinCC Flexible, oferă posibilitatea realizării unei pagini dedicată alarmelor unde sunt afișate mesaje generate de sistem, care faciliteză personalului operativ cunoașterea cauzei, apariței unei semnalizări, locul și momentul de timp în care a apărut o avarie, natura acesteia.
Alarmele ca de altfel toate comenzile necesită configurarea unor adrese de comunicație (“tag-uri“). Alarmele (mesajele), conțin informații pe scurt despre evenimentul produs. Accesul la pagina de vizualizare alarme se face de pe interfața de utilizator unde se află în colțul din dreapta sus un buton denumit “alarme“, care odată acționat permite accesul la pagina a doua a interfeței, dedicată acestora (fig.4.35).
Fig.4.35 Pagină de alarme
Pagina de alarme permite vizualizarea ultimelor 20 de alarme apărute și memorate, cu posibilitatea ștergerii acestora după luarea la cunoștiință. Alarmele conțin mesaje text ce indică motivul declanșării, ora, și un cod de eroare generat de soft. Stergerea se realizează prin apăsarea butonului “clear“.
Revenirea la pagina principală se face prin acționarea butonului “home“, alăturat butonului de ștergere (fig.4.36).
Fig.4.36 Ștergere alarme și revenire la pagina principală
CAPITOLUL 5
CONCLUZII
5. CONCLUZII
Prin automatizarea sistemului de alimentare cu apă, s-a realizat controlul turației pompelor în funcție de presiunea măsurata pe senzor asigurând astfel o economie substanțială de energie electrică obținută prin menținerea pompelor oprite, atunci când nu există consum sau pierderi de presiune, atât pe timpul zilei cât și pe timpul nopții, sau funcționarea a doua sau a unei singure pompe dacă necesarul de presiune nu impune alt ciclu de lucru.
Totodată s-au obținut reduceri de cheltuieli alocate pieselor de schimb care înainte se uzau des, datorită funcționării continue a pompelor, dar prin controlul automat al funcționării durata lor de viață a crescut considerabil. Prin logica de funcționare implementată în Step 7 s-a asigurat un control strict al timpului de lucru scurs de la ultima revizie a fiecarei pompe în parte, pentru a putea face reparații predictive la anumite perioade de timp bine stabilite, evitând producerea unor avarii majore care ar avea un puternic impact financiar.
Cu ajutorul interfeței HMI, operatorului i s-a asigurat posibilitatea supravegherii simultane a celor 3 pompe din fața calculatorului direct din cabina de lucru aflată la distanță față de sistemele de pompare, nefiind necesar urmărirea parametrilor la fața locului în teren și prin acest mod s-au realizat îmbunătățiri considerabile ale condițiilor de muncă.
Având în vedere că, consumul de apă a crescut de-a lungul timpului datorită creșterii si dezvoltării, dar rezervele de apă s-au micșorat considerabil, implementarea unei astfel de automatizări asupra sistemelor de alimentare cu apă se justifică, deoarece au ca rezultat obținerea raționalizarea consumului,acesta fiind limitat la nevoile impuse, fără a se mai face risipă.
Utilizarea softului Step 7 împreună cu schema logică realizată, se poate implementa cu mare usurință și în alte aplicații similiare care folosesc PLC fără a fi necesare cunostiințe vaste în domeniul programarii, iar în situația în care se constată ca ar mai fi nevoie de achiziția unei noi pompe pentru a deservi acelasi consumator sau chiar un altul implementarea automatizării s-ar putea realiza cu cheltuieli reduse.
Pe viitor se poate adopta un control mai riguros prin utilizarea unui regulator de presiune PID, prin care s-ar obține o mai bună gestionare a consumului.
Beneficiul rezultat în urma abordării acestei teme constă în faptul că au fost însușite cunostiințe noi în domeniul programării unei scheme de automatizare, proiectării și dimensionării unui sistem de alimentare cu apă industrial și s-au aprofundat cunostiințele capătate până acum, urmărind pașii cei mai importanți ce stau la baza reușitei proiectului.
BIBLIOGRAFIE
Giurconiu, M., Mirel, I, ș.a., Construcții și instalații hidroedilitare, Editura de Vest, Timișoara, 2002;
Ianculescu, O., Ionescu,Gh., Alimentări cu apă, Editura Imprimeria de Vest Oradea, 1999;
Ionescu, Gh., Instalații de canalizare, Editura Didactică și Pedagogică R.A, București, 1997;
Florescu,I.,Note de curs pentru uzul studeților. Bacau.Editura Alma Mater, 2007;
Grădinaru, S., Sisteme industriale moderne, Note de curs;
Nicola,M., Lucrare de evaluare finală.Cluj-Napoca, Universitatea Tehnica, 2011;
Brătucu, R., Interfețe specilizate-suport curs.Brașov,Universitatea Transilvania, 2001;
Simatic S7-300., Programmable Controller System Manual,Edițion, 2003;
Crișan, R., Simatic Step – note de curs, 2009;
Georgescu, A.M., Hidraulica rețelelor de conducte și mașini hidraulice, Bucuresti, Editura Printech, 2007;
Manolea, G., Acționări electromecanice.Tehnici de analiză teoretică și experimentală, Editura Universitaria,Craiova , 2003;
Axinti, G., Axinti, A.S., Acționări hidraulice și pneumatice. Dinamica echipamentelor și sistemelor, Ed. Tehnica-Info, Chișinău, 2008;
Constantin, E., Ciocan, O., Proiectarea și construcția acționărilor hidropneumatice – Acționări hidrostatice tehnologice, Universitatea din Galați, 1988;
Stan, F., Baroiu, N., Ciocan, O.D., Hidrostatică tehnologică-Aplicații, Ed. Didactică, București, 2014;
*** Internet, Istoricul alimentărilor cu apă, http://aquamundus.ro ;
*** Internet, Pompe centrifuge, http://directindustry.it;
*** Internet, Automatizări cu PLC, http:/robotics.ucv.ro;
*** Internet, PLC-uri, http:// s7automation.com;
*** Internet, Siemens, S7-300, Module data manual.pdf;
*** Internet, Stanciu,V., Automate programabile, http://robotics.ucv.ro;
*** Internet, http:// ibhsoftec.com/USB-S7-adapter;
*** Internet, Automatizări industriale, http://paratrasnet.ro/pdf;
*** Internet, Aparatură de comandă și control, http://siemcrom.ro ;
*** Internet, Realizarea unui program de conducere cu un automat programabil, http://robotics.ucv.ro;
*** Internet, http://sr.wikipedia.org/wiki/SCADA;
*** Internet, http://botosani.all.biz/lotru-cerna-cris;
*** Internet, http://diodor.ro/motoare-electrice;
*** Internet, http://valiadis.ro;
Normativ privind proiectarea,execuția și exploatarea sistemelor de alimentare cu apă și canalizare – indicativ NP 133/2013.
BIBLIOGRAFIE
Giurconiu, M., Mirel, I, ș.a., Construcții și instalații hidroedilitare, Editura de Vest, Timișoara, 2002;
Ianculescu, O., Ionescu,Gh., Alimentări cu apă, Editura Imprimeria de Vest Oradea, 1999;
Ionescu, Gh., Instalații de canalizare, Editura Didactică și Pedagogică R.A, București, 1997;
Florescu,I.,Note de curs pentru uzul studeților. Bacau.Editura Alma Mater, 2007;
Grădinaru, S., Sisteme industriale moderne, Note de curs;
Nicola,M., Lucrare de evaluare finală.Cluj-Napoca, Universitatea Tehnica, 2011;
Brătucu, R., Interfețe specilizate-suport curs.Brașov,Universitatea Transilvania, 2001;
Simatic S7-300., Programmable Controller System Manual,Edițion, 2003;
Crișan, R., Simatic Step – note de curs, 2009;
Georgescu, A.M., Hidraulica rețelelor de conducte și mașini hidraulice, Bucuresti, Editura Printech, 2007;
Manolea, G., Acționări electromecanice.Tehnici de analiză teoretică și experimentală, Editura Universitaria,Craiova , 2003;
Axinti, G., Axinti, A.S., Acționări hidraulice și pneumatice. Dinamica echipamentelor și sistemelor, Ed. Tehnica-Info, Chișinău, 2008;
Constantin, E., Ciocan, O., Proiectarea și construcția acționărilor hidropneumatice – Acționări hidrostatice tehnologice, Universitatea din Galați, 1988;
Stan, F., Baroiu, N., Ciocan, O.D., Hidrostatică tehnologică-Aplicații, Ed. Didactică, București, 2014;
*** Internet, Istoricul alimentărilor cu apă, http://aquamundus.ro ;
*** Internet, Pompe centrifuge, http://directindustry.it;
*** Internet, Automatizări cu PLC, http:/robotics.ucv.ro;
*** Internet, PLC-uri, http:// s7automation.com;
*** Internet, Siemens, S7-300, Module data manual.pdf;
*** Internet, Stanciu,V., Automate programabile, http://robotics.ucv.ro;
*** Internet, http:// ibhsoftec.com/USB-S7-adapter;
*** Internet, Automatizări industriale, http://paratrasnet.ro/pdf;
*** Internet, Aparatură de comandă și control, http://siemcrom.ro ;
*** Internet, Realizarea unui program de conducere cu un automat programabil, http://robotics.ucv.ro;
*** Internet, http://sr.wikipedia.org/wiki/SCADA;
*** Internet, http://botosani.all.biz/lotru-cerna-cris;
*** Internet, http://diodor.ro/motoare-electrice;
*** Internet, http://valiadis.ro;
Normativ privind proiectarea,execuția și exploatarea sistemelor de alimentare cu apă și canalizare – indicativ NP 133/2013.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Actionarea Unui Sistem DE Alimentare CU Apa Industrial Proiectarea Sistemului DE Actionare Electrica Si Controlul CU Ajutorul Unui Plc (ID: 161790)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.