Controlul Electronic al Unei Camere Termice cu Plc

Lucrare de licență

Controlul electronic a unei camere

termice cu Automat logic

programabil (PLC)

Cuprins

Cap 1 Introducere

1.2 Motivație și Obiective

1.3 Structura

Cap 2 Aplicații industriale cu PLC

2.1 Prezentarea generală a PLC

2.1.1 Arhitectura

2.2.2 Generalități privind construcția și funcționarea PLC

2.3 Medii de dezvoltare software pentru PLC

Cap 3 Controlul unei camere termice cu PLC

3.1 Descrierea sistemului de control

3.2 Implementare hardware

2.3 Implementare software

Cap 4 Rezultate aplicație practică

4.1 Mijloace și metode4.2 Rezultate obținute

Bibliografie

Abrevieri

PLC Programable Logic Controller

Modicon Modular Digital Controller

AP Automate Programabile

Capitolul 1 Introducere

Datorită dezvoltării industriei a fost nevoie de o metodă mai rapidă și eficientă a proceselor de producție, înlocuind în mare parte munca omului.

Primele PLC-uri au apărut în anii ’60 în industria automobilelor și în acest fel s-a ajuns la performanța schimbării schemelor de la aproape 1 luna la câteva zile.

Dacă ne aflăm în mijlocul unui proces de producție, există sigur cel puțin un automat programabil, dacă nu, se risipesc timpul și banii. Aproape orice aplicație care are nevoie de control electric tinde spre un PLC. Motivul pentru care a fost proiectat un astfel de aparat este acela de a elimina costuri mari aduse de mașinile automate pe bază de relee. Cei de la  Bedford Associates au propus proiectara primului model de PLC numit MODICON 084, așadar acesta fiind primul PLC folosit vreodată în producție. Astăzi cel mai mic PLC este compus doar dintr-un releu, folosit pentru aplicații simple.

Cei mai mulți producatori de PLC-uri din anul 1990, aveau implementat limbajul de programare Ladder Logic. Firmele cunoscute sunt: Mitsubishi, Siemens, General Electric.

În sistemul de control al unui proces toate dispozitivele sunt cablate între ele în așa fel în care sistemul este proiectat să opereze.

Automate logice programabile care sunt utilizate pentru mașini și procese industriale se programează cu ajutorul tehnicii digitale. Această inginerie controlată a evoluat pe parcursul timpului. Cândva, în trecut, oamenii erau principala metodă de a controla un sistem. PLC-urile lucrează analizând intrările și dupa starea lor, ieșirea poate fi activă sau inactivă. Utilizatorul va scrie un program prin intermediul unui software care va da rezultatul dorit.

1.1 Motivație și obiectivele

Domeniul abordat de proiectul de licență este unul interdisciplinar, al electronicii și al automatizărilor, care se regăsește în cadrul liniilor de producție din cadrul Celestica Oradea, presupunând efectuarea automată a unor pași în scopul menținerii unei temperaturi care se încadrează în “ profil termic ” ex. temperatura minima de celsius și cea maxima celsius în cazul unei camere termice la cald.

Obiectivele principale ale acestui proiect constau în alegerea unui model de PLC, formarea documentației tehnice, reprezentarea grafică, alcătuirea unui program și implementarea practică.

În prezent, electricitatea este folosită pentru a controla și alimenta PLC-urile, iar acestea funcționează cu ajutorul releelor electrice. Releele fac posibilă furnizarea energiei electrice fără a utiliza întrerupătoare mecanice. În general aceste relee se folosesc pentru a executa decizii simple logice. Tehnologia evoluând la scară largă a adus șansa de a simula în timp real multe aplicații din domeniul industrial. Aceste simulări în timp real sunt foarte utile atunci când se desfășoară programarea unui proces tehnologic automatizat, existând posibilitatea de a fi simplu sau complex deoarece verificarea prin simulare nu aduce dupa sine un consum mare de materiale pentru diversele testări inițiale.

1.2 Structura

Capitolul I se prezintă o introducere în tehnologia automatizărilor și anume ale PLC-urilor, care a fost primul model și de ce s-a optat pentru proiectarea unui astfel de dispozitiv.

Capitolul II sunt prezentate aplicațiile industriale ale PLC-urilor, arhitectura lui, specificând părțile componente. Mediile de dezvoltare software, cel ales pentru partea practică este Mitsubishi FX1S-14 MR la care voi folosii mediul de programare GX Developer.

Capitolul III este prezentat controlul unei camere termice cu PLC, descrierea sistemului de control, implementarea hardware și implementarea software.

La Capitolul IV este prezentat rezultatul lucrării practice.

Capitolul 2 Aplicații industriale

În cadrul unui sistem automatizat, elementul principal este sistemul de control care reglează, conduce și optimizează procesul. Funcțiile acestea sunt executate de o structură fizică dedicată de tip controler, care este realizată cu circuite integrate, microprocesoare, microcontrolere, automate programabile sau un calculator personal.

Aplicațiile industriale folosesc în cea mai mare parte sistemele electronice de tip Automate Programabile PLC, care reglează și comandă aplicația pe baza programului creat de utilizator. Numele dat inițial a fost cel de Programable Controllers, iar după ce au apărut calculatoarele personale, acestea au fost denumite Programmable Logic Controller.

Cu timpul, capacitatea de procesare s-a dezvoltat prin asimilarea funcțiilor temporizatoare, numărătoare, executarea de operații matematice, procesarea semnalelor analogice cum ar fi măsurarea forțelor și deplasărilor.

Timpul rapid de răspuns al automatelor programabile fiind foarte util într-un proces în care cantități mari trebe prelucrate cum este dat exemplu în figura 2.1

În fig 2.2 este prezentată flexibilitatea uni astfel de aparat fiind mult mai ușor de schimbat programul decât să recablăm procesul.

O aplicație des intâlnită în industrie este cea a umplerii sitclelor, fig 2.3 care sunt deplasate pe o bandă, ajung la un anumit senzor și sistemul controlat de un automat programabil va iniția umplerea lor. Dacă acest proces ar fi manual ar dura foarte mult timp și cantitatile ar fi minime.

2.1 Prezentarea generala a unui PLC

Istoric: Începând cu primul automat programabil care a fost realizat dintr-un calculator simplu prin anii 1970, au apărut primele probleme, referitor la programare care necesita o echipă pregătită în acest scop.

Pe parcurs au apărut primele îmbunatațiri având ca scop rezolvarea acestor probleme prin realizarea unor automate mai “prietenoase”. S-a ajuns la introducerea microprocesoarelor în 1978 care a avantajat creșterea puterii de operare în raport cu scaderea prețului de cost. Se realizează în anii ’80 o creștere exponențiala a utilizării automatelor programabile în diverse domenii. Cele mai multe companii de produse electronice sau calculatoare au constatat că vânzarea de automate programabile reprezintă cea mai buna soluție pentru o industrie care se află pe scara evoluției.

Un sistem automat de control a unui proces este un dispozitiv electronic care confera acuratețe, performanță și stabilitate. Implementările sistemul de operare pot include domenii pornind de la surse de alimentare și până la mașini.

Evoluția rapidă a progresului tehnologic a adus după sine operații complexe prin interconectarea în sistem a automatelor programabile și a unităților centrale de procesare. În continuare le vom denumii PLC-uri (Programable Logic Controller), pe lânga conexiunile cu instrumentele de măsura și senzorii din procesul de automatizare, se va face posibilă comanda întregului proces și ceea ce este important să transmită operatorului stările procesului prin semnale și sunet sau printr-o rețea de comunicație la un calculator local.

Totalitatea acestor caracteristici permit desfășurarea automatizării la un înalt grad de flexibilitate, prin monitorizarea si schimbarea mult mai comoda a parametrilor de bază al procesorului.

Componentele sistemului de control joacă un anumit rol, fiecare având importața sa. Ca exemplu, dacă nu ar exista niciun senzor, PLC-urile nu ar putea știi modul de variație în timp a parametrilor principali ai procesului ( considerați parametrii de intrare).

La sistemele automate, PLC-urile sunt partea principală a sistemului de control sau a automatizării. Prin lansarea programului scris în memorie, PLC-ul monitorizează automat stările sistemului prin recepția semnalelor de la dispozitivele de intrare (senzori).

Automatul programabil determină ce acțiune trebuie executată pentru a activa un instrument pe baza logicii implementate în program. Pentru a comanda mai multe procese simultan există posibilitatea de a fi conectate mai multe PLC-uri la un calculator. Un exemplu de sistem este prezentat în fig 2.4 :

Automatele programabile au următoarele avantaje:

flexibilitate: mai demult era nevoie pentru fiecare dispozitiv în parte de un automat care sa îl conducă. Automatelor programabile fac posibilă conducerea simultană a mai multor dispozitive utilizând doar un singur automat programabil. Fiecare dispozitiv deține programul propriu care va fi rulat pe automatul programabil;

introducerea schimbărilor și corectarea erorilor: această schimbare și corecție a erorilor necesita timp în modul de realizare a logicii cablate. Cu ajutorul automatelor programabile aceste schimbări sau corecții puteau fi efectuate foarte ușor în program;

cost redus: pe parcursul timpului prin varietatea de producători s-a ajuns la acest cost fiind accesibil un automat cu numeroase timere, numărătoare și multe alte funcții la prețuri mici;

posibilitatea de a fi testat: programul trebuie instalat pe automatul programabil pentru a realiza conducerea dispozitivului înainte de a fi rulat. În acest mod vor fi evaluate cu costuri reduse, micile erori care apar și există avantajul de a îmbunătății programul;

viteza de operare: fiind un alt avantaj. Această viteza de operare depinde de timpul de scanare al intrărilor, timp care este de domeniul milisecundelor;

modul de programare: prin utilizarea limbajului de programare ladder logic a fost ușurat accesul la mediul de programare și pentru acele persoane care nu dețin cunoștințe în domeniul programării;

modul de securitatea: este marită datorită modului de lucru cu procesul;

Dezavantajele lucrului cu automate programabile:

aplicații fixe: există aplicații care nu necesită automat programabil datorită unui grad foarte mic de complexitate, astfel necesitatea achiziționarii unui automat programabil sofisticat reducându-se;

probleme de mediu: pot exista probleme în medii în care temperatura este ridicată sau există alte condiții neadecvate care ar pune în pericol buna funcționare al automatului programabil astfel ca acestea să fie greu de utilizat;

functionare fixă: unele schimbări trebuie să existe în sistemul automat, pentru ca utilizarea automatului să fie mai puțin costisitoare;

2.1.1 Arhitectura

Componentele automatului programabil pot diferii ca numar de la un automat la altul dar elementele generale sunt urmatoarele:

unitatea centrala de procesare: este cea mai importantă parte a automatului programabil, fig 2.5, fiind alcătuită din 3 parți principale: procesor, memorie și sursa de alimentare. Prin intermediul unității centrale se realizeaza practic conducerea întregului proces.

-CPU-ul este prin definiție un microcontroler. Primele microcontrolere erau pe 8 biți, iar în prezent există microcontrolere pe 16 biți sau 32 de biți. Diverse tipuri de microcontrolere produse de Motorola se găsesc în mărcile renumite cum ar fi Siemens-urile, Hitachi și Fujitsu. La unul dintre porturile microcontrolerului se regăsește modulul de comunicație. Memoria este verificată din motive de siguranță prin diferite rutine. În general, pentru a verifica starea tehnică a unui PLC, se efectes.

-CPU-ul este prin definiție un microcontroler. Primele microcontrolere erau pe 8 biți, iar în prezent există microcontrolere pe 16 biți sau 32 de biți. Diverse tipuri de microcontrolere produse de Motorola se găsesc în mărcile renumite cum ar fi Siemens-urile, Hitachi și Fujitsu. La unul dintre porturile microcontrolerului se regăsește modulul de comunicație. Memoria este verificată din motive de siguranță prin diferite rutine. În general, pentru a verifica starea tehnică a unui PLC, se efectuează o serie de cicluri de verificare din partea unității generale de procesare. Pentru a semnaliza diferitele erori sau stări de funcționare, PLC-urile au în dotare indicatori optici (diode luminiscente sau leduri).

-Memoria sistemului – actualmente de tip FLASH – se utilizează cu scopul de a stoca programul folosit la controlul automatizării de automatul programabil. Primul pas este compilarea cu ajutorul altui program care deține logica automatizării în mediul de programare ledder diagram apoi se face scrierea lui în memorie. Toată această operațiune de rescrierea sau reprogramare a memoriei se realizează cu ajutorul unui cablu serial. Se face împărțirea în diferite blocuri a memoriei utilizate. Unele dintre părțile memoriei sunt utilizate pentru a înregistra stările porturilor (intrare sau ieșire). Fiecărei intrări sau ieșire îi corespunde un bit din memorie. Variabilele pe care le folosește programul sunt stochate de alte părți ale memoriei. Ca exemplu putem da perioada de temporizare ori valoarea numărată poate fi stocată în această parte a memoriei.

În fig 2.6 se observă conectarea sursei de alimentare la automatul programabil. Este folosită pentru alimentarea cu energie electrică a automatul programabil. Automatele programabile„ în general funcționează cu tensiuni de 24Vdc sau 230Vdc. Sunt și automate programabile care se amimentează printr-un model separat. Prin analizarea consumului PLC-urilor și necesarul de curent la ieșire putem determina puterea sursei. Sursa de alimentare trebuie să respecte anumite cerințe de compatibilitate electromagnetică, ca de exemplu: să fie imună la perturbații electromagnetice, mediu corozive, întalnit cu preponderență în mediul industrial.



 unitatea de programare: este defapt un calculator cu ajutorul căruia pot fi scrise programele si apoi încărcate pe unitatea centrală în prezent este reprezentată de un PC cu ajutorul căruia vor fi scrise programele, iar următorul pas va fi încărcarea în unitatea centrală . Dacă se dorește ca unitatea să fie mai ușor de manevrat pot fi puse la dispoziția celor care programează, console cu ajutorul cărora vor fi scrise programele pentru automate;

– modulele pentru intrare și ieșire: aduc posibilitatea de a comunica cu procesul primind sau transmițând semnale către acestea. Modulele I/O pot fi conectate la o unitatea centrala sau controlată la distanță, dacă un anumit proces necesită, fig 2.7:

– intrările: sunt dispozitive care fac posibilă transmisia semnal/dată la un plc. Un mic exemplu ce astfel de intrări sunt butoanele de acționare, întrerupătoare și dispozitive de măsurare.

– ieșirile: sunt dispozitive care primesc un semnal dat de la PLC pentru efectuarea unei funcții de control. Exemple pot fi semnalizările luminoase, motoarele și valvele .

– șina: este acel dispozitiv pe care sunt asamblate unitatea centrala, module de

intrare/ieșire și alte module funcționale aditionale.

2.2.1 Generalități privind construcția și funcționarea PLC-urilor :

Industria a necesitat îmbunătățirea și cresterea productivității în anii ’60. O preocupare majoră a fost flexibilitatea adică capacitatea de a schimba rapid stările procesului și a remedia deranjamentul care a devenit o cerință foarte importantă pentru mulțumirea clientului.

Linia de producție prin anii ’60, era alcatuită dintr-un numar mare de cabluri electrice pentru a controla automatizarea și de cele mai multe se extindeau pe o suprafață mare. Releele erau într-un număr foarte mare fiind integrate în panoul clasic de automatizare care realizând munca întregului sistem. Existența multor panouri clasice implica angajarea unui personal calificat de întreținere și punere în funcțiune, personalul care trebuia să cunoască toate schemele de automatizare și să interconecteze releele și cablurile.

Inginerul trebuia să realizeze logic schema iar un electrician cu schema în față trebuia să o implementeze cablând corespunzător releele. Multe scheme conțineau sute de relee electromagnetice de diferite tipuri. Electricianul avea un plan dupa care executa cablarea panoului de automatizare, aceasta numindu-se schema monofilară sau “ ladder schematic”. În schema monofilară erau afișate componente: comutator, senzor, valvă, releele care le găsim în sistemul de automatizare. Electricianului interconecta toate aceste componente.

O mare problemă a schemei era dată de releele electromagnetice. Cele mai dispuse uzurii sunt părtile mecanice datorită componentelor în mișcare. Când un anumit releu era defect, electricianul era nevoit să verifice întregul sistem. Astfel, o problemă serioasă fiind întreruperea întregului sistem în cazul unui deranjament. Dacă se opta pentru schimbarea etapelor de funcționare a sistemului, acest lucru se efectua cu pierderi de timp si unele costuri mari până ce sistemul putea fi din nou funcțional.

Această soluție clasică de execuție era predispusă la realizarea unui lot sisteme de automatizare cu multe exemplare rebut. După introducerea automatelor programabile a fost eliminat acest dezavantaj.

2.2.2 Etapele realizării sistemelor automate:

Prima dată trebuie ales un sistem pe care se dorește a fi automatizat. Sistemul automatizat ar putea fi o mașină sau un proces complex sau mai puțin complex. La intrări vor fi conectate dispozitivele de intrare ( cum ar fi senzori sau traductoare). PLC-ul trimite un semnal la un dispozitiv extern ( numit dispozitiv de execuție) ca răspuns la semnalul de intrare, controlând după diagrama, sistemul sau procesul. Etapele generale în privința proiectării sunt prezentate în fig 2.8

Va fi ales un sistem pe care se dorește a fi automatizat. Sistemul automatizat ar putea fi o mașină sau un proces complex sau mai puțin complex. La intrări vor fi conectate dispozitivele de intrare ( cum ar fi senzori sau traductoare). PLC-ul trimite un semnal la un dispozitiv extern ( numit dispozitiv de execuție) ca răspuns la semnalul de intrare, controlând după diagrama, sistemul sau procesul.

În al doilea rând, este nevoie să se specifice dispozitivele de intrare și ieșire care vor urma a fi conectate la automatul programabil. Aceste dispozitive de intrare pot fi senzori de presiune, temperatură și diverse tipuri de traductoare. Ca urmator exemplu pentru dispozitivele de ieșire: valve electromagnetice, motoare electrice, relee, bobine. Următorul pas este acela de a identifica intrările și ieșirile, dupa aceea pot fi usor de implementat în programul PLC-ului. Pentru a face mai ușoară identificarea intrărilor și ieșirilor, se atribuie o denumire în corelație cu o funcție executată sau preluată de automat.

Următorul pas este acela de a elobora programul care urmează să fie scris în memoria atuomatului programabil. O metodă simplă este scrierea programului cu ajutorul mediului de programare ladder diagram. Este necesar alegerea unui automat programabil, în general, producătorii de automate programabile oferă propria soluție de mediu de programare.

În fig 2.9 este prezentată magistrala de date care face conexiunea între memorie, unitatea centrală de procesare, unitatea de programare și modulele de intrare, ieșire.

2.3 Medii de dezvoltare software pentru PLC

Programarea automatelor:

Metodele de programare fiind prezentate în fig 2.10 sunt următoarele:

-IL (Instruction List) asemănător cu limbajul asamblării microprocesoarelor

-ST (Structured Text) sunt folosite instrucțiuni de selecție, atribuire și control al subprogramelor asemănător cu limbajele de programare la nivel înalt

-LD (Ladder Diagram) folosește scheme cu circuite în care sunt incluse relee și operează cu variabile boolene

-FBD (Function Block Diagram) este o extensie a limbajului LD care permite operarea cu blocuri complexe

-SFC (Sequential Function Chart) este un limbaj grafic secvențial, în care sunt folosite organigramele funcționale care permit utilizarea de funcții complexe și proceduri

PLC-urile pot fi programate și reprogramate cu ajutorul unui computer (fiind cea mai comodă cale), iar a doua variantă fiind cea manuală cu ajutorul unei console. Aceasta înseamnă ca fiecare automat programabil îi poate fi scris programul cu ajutorul unui computer pe care este instalat un program special pentu această operație. În prezent, calculatoarele pot accesa linii de transmisie pentru interconectarea PLC-urilor și programarea lor. Aceasta reprezintă un avantaj pentru industrie. Din momentul ce PLC-ul este conectat la computer, se poate citi programul scris pe acesta. Comunicația între PC și PLC este importantă deoarece permite monitorizarea întregului proces de automatizare, chiar si verificarea stării PLC-ului de la distanță.

Majoritatea programelor destinate în scopul programării automatelor programabile includ diverse opțiuni utile cum ar fi: schimbarea stărilor din ON în OFF a intrărilor și ieșirilor, programul poate fi simulat în timp real, etc. Opțiunile fiind utile pentru determinarea erorilor sau când există o funcționare defectuoasă. Cel care face programarea poate să adauge comentarii cum ar fi numele intrărilor și ieșirilor, prezentând un avantaj în întreținerea sistemului sau pentru depanarea acestuia.

Limbajul de programare ladder diagram (fig 2.11) constă dintr-o linie verticală, pe care o gasim în partea stângă a programului și una sau mai multe linii orizontale, care se înseriază, spre exemplu: contacte de intrare, ieșire și anumite elemente logice de program. Mai există o linie din dreapta care se numește “ bus bar “ iar cea orizontală poartă denumirea de linie de intrucțiuni.

Elementele logice ale programului se regăsesc pe linia de instrucțiuni cum ar fi contactele normal închis, normal deschis, porți logice, contactoare.

Simbolul , poate fi considerat un contact normal deschis. Iar simbolul reprezintă o bobină.

Capitolul 3 Controlul unei camere termice cu PLC

Camerele termice sunt realizate cu scopul de a testa sau păstra la o anumită temperatură diverse materiale, substanțe sau echipamente electronice. Schimbarea bruscă a temperaturii induce un anumit stres a componentelor unui aparat și se poate determina care rezistă în condiții de stres și care nu.

O cameră termică este alcătuită dintr-o încăpere izolată cum poate fi observat în fig 3.1, spații prin care circulă aerul, dispozitiv pentru racirea încăperii în cazul celor cu temperaturi scăzute iar a celor la temperaturi înalte sunt folosite dispozitive specifice și un automat programabil care controlează toate aceste procese. Sunt de diferite geometrii și mărimi. Pot fi proiectate pentru temperaturi foarte mari sau foarte mici. Transferul de căldură poate fi descris ca și o energie în tranzit deoarece există diferența de temperatură. Dacă două corpuri cu temperatură diferită sunt în contact , energia sau temperatura celui mai cald se va transfera corpului mai rece, iar dacă acestea rămând în contact suficient timp vor atinge a ceeași temperatură. Sunt trei metode pentru transferul de temperatură: convecția, conducerea și radiația.

Ventilatorul: este foarte important deoarece caracteristica de transfer a caldurii va fi influențată de poziția și mărimea acestuia. Distribuția aerului trebe sa fie uniformă altfel se vor creea vârtejuri și unele porțiuni din cameră ar putea avea diferentă de temperatură. Cea mai bună metodă de a limita aceste efecte este proiectarea camerei termice ca aerul să circule de sus în jos.

Datorită diferentelor de temperatură se poate produce condensul, cea mai bună soluție pentru pereții și podeaua din interior să se folosească table de oțel inoxidabil pentru o îndelungă durată a camerei termice.

3.1 Descrierea sistemului de control

Mitsubishi FX1S-14MR este un PLC care combină dimensiunea compactă și ușurința de a fi folosit în diverse aplicații. A fost lansat în 1997 având dimensiuni mici, este un automat ieftin și foarte rapid.

Un exemplu de PLC Mitsubishi FX1S-14MR:

Caracteristici ale PLC-ului FX1S-14MR:

Funcția RUN/STOP poate fi controlată:

Butonul RUN/STOP care se află lângă portul de programare

Intrare standard (X0 până la X7) definită de parametrii sistemului

Prin control de la distantă cu ajutorul unui PC conectat la rețea

Specificații generale:

Sursa de alimentare:

Cerințe intrare alimentare AC

Cerințe intrare alimentare DC

Terminalele Automatului:

3.2 Implementare hardware

Pentru a determina temperatura din camera termică, este folosit un senzor termic de tip analogic pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea de intrare. Termocuplul conduce la formarea unei diferențe de potețial electric pe baza unei diferențe de potețial termic.

Ventilatorul este compus dintr-un motor monofazat. Este activat de releul 1 prin intermediul automatului și are ca rol punerea în circulație a aerului cald de la radiator fiind necesar activarea lui de fiecare data când radiatorul va funcționa.

Radiatorul are rol încălzirea aerului care ca fi difuzat în cele din urmă de ventilator. Este alcătuit din două trepte de încălzire. Prima treaptă este activată de releul 2 dacă temperatura a scăzut sub pragul minim de referință iar a doua treaptă este activată de releul 3.

Implementare software: