Proiect de diplomă [625705]

Proiect de diplomă
11

Cuprins

Introducere ………………………………………………………………………………………………………………… 13
1. Coonstrucția PLC-urilor ………………………………………………………………………………………………. 15
1.1. Structura unui PLC ……………………………………………………………………………………………….. 15
1.2. Rolul elementelor componente ……………………………………………………………………………….. 16
1.3. Modul de funcționare ……………………………………………………………………………………………. 16
1.4. Programarea Ladder Diagram (LD)………………………………………………………………. …………… 18
1.4.1 Contacte ……………………………………………………………………………………………………… 18
1.4.2 Bobine ………………………………………………………………………………………………………… 18
1.4.3 Numărătoare ………………………………………………………………………………………………… 19
1.4.4 Temporizatoare …………………………………………………………………………………………….. 19
1.5. PLC-ul Siemens SIMATIC S7-1200 ………………………………………………………………………… 20
1.5.1 Elemente componente ……………………………………………………………………………………. 21
1.5.2 Capacitatea de extindere a automatului …………………………………………………………….. 21
2. STEP 7 SOFTWARE DE PROGRAMARE PLC …………………………………………………………….. 25
2.1. Portal View …………………………………………………………………………………………………………. 23
2.2. Project View ……………………………………………………………………………………………………….. 26
2.3. Modificarea aspectului și a configurației TIA Portal …………………………………………………… 27
3. Weintek eMT-3070A și software-ul EasyBuilder Pro ……………………………………………………….. 27
3.1. Informații generale ……………………………………………………………………………………………….. 28
3.2. Cerințe de energie ………………………………………………………………………………………………… 28
3.3. Conexiuni ……………………………………………………………………………………………………………. 28
3.4. Specificații ………………………………………………………………………………………………………….. 28
3.5. Dimensiuni eMT-3070A………………………………………………………………………………………… 29
3.6. EasyBuilder Pro …………………………………………………………………………………………………… 30
4. Descrierea procesului de epurare …………………………………………………………………………………… 33
4.1. Istoric …………………………………………………………………………………………………………………. 34
4.2. Tratament pentru producția de apă potabilă ………………………………………………………………. 35
4.3. Procesul de epurare ………………………………………………………………………………………………. 35
4.4. Tratarea apei industriale ………………………………………………………………………………………… 36
5. Automatizarea procesului de epurare ……………………………………………………………………………… 37
5.1. Descrierea procesului de automatizare ……………………………………………………………………… 37
5.1.1. Schema de automatizare pentru linia apei uzate ………………………………………………… 37
5.1.2. Schema de automatizare pentru pomparea nămolului ………………………………………… 41
5.1.3. Schema de automatizare pentru pomparea nămolului trimis către deshidratare ………. 42
6. Proiectarea grafică a HMI-ului Weintek eMT-3070A ……………………………………………………….. 45
7. Concluzii …………………………………………………………………………………………………………………… 47

Bibliografie …………………………………………………………………………………………………………………….. 48

Proiect de diplomă
12

Proiect de diplomă
13

INTRODUCERE

În cei mai simplii termeni, un PLC (Programmable Logic Controller) este un computer cu un
micro-procesor dar nu are tastatura, mouse sau monitor. Este construit in esența pentru a rezista
mediilor industriale foarte dure. Este o forma distinctă de dispozitiv informatic destinat utilizării in
sistemele de control industrial. Are o construcție robusta și caracteristici funcționale unice, cum ar fi
control secvențial, ușurință in programare, timere si contoare, hardware ușor de utilizat și
capabilități de control fiabile. Este proiectat sa fie extrem de robust, astfel încât să poată rezista
mediilor industriale dure, cum ar fi teperaturile extreme, vibrațiile puternice, umiditatea și zgomotul
electric.
Lucrarea de fața face parte din domeniul electric și se bazează pe proiectarea și simularea
procesului de automatizare a unei statii de epurare a apei, cu scopul îmbunatațirii si eficientizării
procesului. Automatizarea procesului s-a realizat cu ajutorul PLC-ului Siemens SIMATIC S7-1200,
HMI-ului WEINTEK eMT3070A, iar ca soft de programare am utilizat TIA Portal STEP 7 V13 și
EasyBuilderPro.
TIA Portal STEP 7 V13 este softul de programare pentru sistemul de automatizare al acestui
proces. Acest soft permite utilizarea umratoarelor funcții:
– Parametrizarea și configurarea hardware;
– Programarea; testarea;
– Punerea in functiune;
– Service-ul cu funcțiile de operare;
– Diagnosticare;
– Elaborarea documentației;
– Generarea ecranelor de afișare pentru panourile de operare de bază SIMATIC.
Cu ecranul HMI WEINTEK si softul EasyBuilderPro am creat interfata grafica pentru
controlul si monitorizarea unui sistem de epurare a apei. WINTEIK eMT3070A este un ecran de tip
touchscreen produs de către WEINTEK care permite crearea unei interfețe grafice pentru un anumit
număr de PLC-uri folosite.
Crearea programelor și încărcarea acestora în controlul SIMATIC nu sunt singurele sarcini
care trebuie efectuate in procesul de automatizare. Este nevoie și de planificare, configurarea și
proiectarea hardware si software a sistemului automatizat, simularea automatizării, întreținerea
sistemului, extinderea acestuia și modernizarea ulterioară. Realizarea tuturor sarcinilor sunte
necesare și alte medii software, specifice, care au nevoie sa fie in sincronism și să comunice între
ele printr-o bază de date unică.

Proiect de diplomă
14

Proiect de diplomă
15

1. Construcția unui PLC

1.1 Structura unui PLC

Un automat programabil funcționează prin examinarea semnalelor de intrare dintr-un proces
și efectuând instrucțiuni logice (care au fost programate in memoria sa) pe aceste semnale de
intrare, producând semnale de ieșire pentru a conduce echipamente sau utilaje de proces. Interfete
standard încorporate in PLC le permit să fie conectate direct la dispozitive de acționare și
traductoare de proces fără a necesita circuite intermediare sau relee.
Componentele difera de la un model la altul, componentele generale sunt:
– Unitate centrală de prelucrare;
– Sistemul de intrare și ieșire.

Fig. 1.1 Structura internă

Unitatea centrală este formată din procesor, memoria program, memoria de date și interfața
de comunicare cu sistemul de programare. Dacă este necesară urmărirea mai multor parametri în
cadrul procesului de automatizare, unitatea centrală poate sa conțină și o interfața de comunicare cu
alte dispozitive.
Procesorul, memoria și interfețele cu procesul automatizat comunică între ele prin
intermediul unei baze de date.
Interfața procesului de automatizare este compusă din intrări si ieșiri logice, intrări și ieșiri
numerice și intrări și ieșiri de tip analogic. Prin intermediul acestora PLC-ul comunică cu procesul
automatizat.
Sistemul de intrare/ieșire (I/O) este partea din PLC la care sunt conectate toate dispozitivele
din sistem. Sistemul de I/O constă in 2 părți principale:

Proiect de diplomă
16
– Cadrul de montare
– Modulele de intrare/ieșire (I/O)
Modulele de intrare/ieșire sunt dispozitive cu terminale de conectare la care sunt legate
dispozitivele din sistem. Împreună cu cadrul și modulele de I/O alcătuiesc interfața dintre
dispozitivele din cam si PLC

1.2. Rolul elementelor componente

o Relee de intrare (contacte) – sunt contacte spre exterior. Există fizic si primesc
semnalele ce provin de intrerupătoare, senzori, etc. Practic nu sunt relee ci
tranzistoare.
o Releele interne (contacte) – nu primesc semnal din exterior și nici nu există fizic.
Sunt relee simulate, permițând PLC-ului să elimine relee externe.
o Timere sau Circuite de ceas – nu există fizic. Se intâlnesc în diverse variante și
incremente de timp. Cel mai răspândit tip este cel de intârziere la cuplare (on-delay).
Există de asemenea intarziere la decuplare (off-delay) precum si tipurile retentiv si
non-retentiv.
o Countere sau Numărătoare – nu există fizic. Sunt numărătoare simulate si pot fi
programate pentru numărarea impulsurilor. De obicei un counter numără crescător,
sau descrescător, respectiv ambele variante (în sus și în jos). Deoarece sunt simulate,
sunt limitate ca viteză de numarare.
o Relee de iesire – (bobine) – Sunt conectate spre exterior. Există fizic si trimit
semnale on/off spre elemente de execuție, lămpi, etc. Implementarea poate fi pe t
ranzistor, releu, sau triac, depinzând de modelul ales.
o Stocarea datelor – de obicei sunt regiștri alocați să stocheze datele. Se folosesc ca
memorii tampon, pentru stocarea temporară a datelor în timpul operațiilor aritmetice
sau a diverselor manipulări. Pot fi utilizați pentru salvarea datelor la întreruperea
alimentarii PLC-ului. La realimentarea automatului, vor avea acelasi conținut,
identic cu cel dinaintea intreruperii alimentarii, proprietate foarte utila în aplicațiile
practice.

1.3. Modul de funcționare

PLC-ul primește informații de la senzori sau dispozitivele de intrare conectate,
procesează datele și declanșeaza ieșiri pe baza parametrilor programați. În funcție de intrări
și ieșiri un PLC poate monitoriază și înregistrează date despre timpul de funcționare, cum ar
fi productivitatea mașinii sau temperatura de funcționare, pornirea și oprirea automată a
proceselor, generarea de alarme în cazul unei defecțiuni a mașinii și multe altele.
Controlerele logice programabile sunt o soluție de control flexibilă și robustă, adaptabilă la
aproape orice aplicație.
Există câteva caracteristici cheie care setează PLC-urile in afară de PC-urile
industriale, microcontrolerele si alte soluții industriale de control:
o I/O – CPU-ul PLC stochează și procesează datele programului, dar modulele
de intrare si ieșire conectează PLC-ul la restul aparatului; aceste module de
I/O sunce cele care furnizează informații CPU și declanșează rezultate

Proiect de diplomă
17
specifice. I/O poate fi analog sau digital; dispozitivele de intrare ar putea
include senzori, intrerupătoare si contoare, in timp ce iesirile ar putea include
relee, lumini valve si unităti. Utilizatorii pot amesteca si potrivi I/O unui PLC
pentru a obține configurația potrivită pentru apliația lor.
o Comunicații – Pe lângă dispozitivele de intrare și ieșire, un PLC ar trebui să
se conecteze si cu alte tipuri de sisteme; de exemplu, utilizatorii ar outea dori
sa exporte datele aplicațiilor înregistrate de PLC într-un sistem de
supraveghere și achiziție de date (SCADA), care monitorizează mai multe
dispozitive conectate. PLC-urile oferă o gamă largă de porturi și protocoale
de comunicație pentru a se asigura că PLC-ul poate comunica cu aceste alte
sisteme.

Fig 1.3 Schema de funcționare

Proiect de diplomă
18

1.4 Programarea Laddder Diagram (LD)

Metoda de programare grafică cu simboluri de tip contact si bobină de releu (programarea
folosind Ladder diagram) a apărut în cazul automatelor programabile datorită necesității de a exista
un mod fascil de programare care să permită realizarea de aplicații fara a fi nevoie de cunoștințe
complexe de programare.
Elementele de bază folosite pentru scrierea unui program in limbajul LD sunt contactele,
bobinele, temporizatoarele și numărătoarele.

1.4.1 Contacte

În programarea Ladder diagram, contactele sunt cunoscute drept intrări ale automatelor
programabile. Notația folosită pentru intrări este utilizată litera „I” (I0.0. ; I0.1. ….I0.n).
La intrări pot fi conectate dispozitive care au doua stări de funcționare cum ar fi contactele
auxiliare ale contactoarelor și releelor, contactele normal deschise/închise ale butoanelor de
comanda. Prin aranjarea contactelor în serie sau în paralel pot fi realizate operații logice asupra
stării semnalelor. Cele normal deschise sunt testate pentru valoarea „1” a semnalului respectiv, iar
cele normal închise pentru valoarea „0”.

Fig 1.4. Tipuri de contacte

1.4.2 Bobine

Bobinele sunt ieșirile dinspre automat spre proces. Notația cea mai utilizată este litera Q
(Q0.0 ; Q0.1 ….Q0.n). La fel ca și in cazul bobinelor din rețelele electrice, bobinele din programele
folosind Ladder diagram pot avea două stări: Alimentate sau nealimentate. Pentru fiecare ieșire se
asociază o bobină și unul sau mai multe contacte ce pot fi utilizate în schemă in mod asemănător
contactelor auxiliare ale contactoarelor și releelor. La aceste iesiri pot fi conectate dispozitive care
au două stări de funcționare:
– Bobinele contactoarelor sau releelor;
– Intrările digitale ale unor aparate de măsura;
– Intrările digitale ale altor automate programabile sau sisteme de comandă.

Fig 1.4. Bobină simplă

Proiect de diplomă
19

1.4.3 Numărătoare (Counter)

Numărătorul este un element de programare care poate primii un număr de impulsuri care
sunt analizate în cadrul programului LD pentru a detecta numărul de apariții ale unor cazuri:
– Numărul de obiecte care trec pe o bandă transportoare;
– Numărul de conectări-deconectări ale unui echipament.
Numărul acestor cazuri poate fi comparat cu anumite valor prestabilite și în funcție de
rezultatul acestor comparații pot fi luate anumite decizii și date comenzile corespunzătoare.

Fig 1.5. Numărător

1.4.4 Temporizatoare

Temporizatoarele sunt elemente de programare care modifică funcționarea releelor de timp
și a contactelor temporizate. Sunt utilizate pentru a întârzia anumite acțiuni sau cele ce durează un
interval de timp.

Fig 1.6 Temporizator TIA PORTALS

Proiect de diplomă
20

Fig 1.7 Diagramă Temporizator

1.5 PLC-ul Siemens SIMATIC S7-1200

Controlerul S7-1200 asigură flexibilitatea și puterea de a controla o gamă largă de
dispozitive în sprijinul nevoilor de automatizare. Desgnul compact si configurația flexibilă fac ca
controllerul S7-1200 o soluție perfectă pentru controlul a o largă varietate de aplicații.
Acesta se compune dintr-o unitate centrală de procesare (CPU). CPU-ul combină:
– Un microprocesor;
– Sursă de alimentare încorporată;
– Circuite de intrare și ieșire;
– PROFINET încorporat;
– I/O de comandă a mișcării de mare viteză;
– Intrări analogice on-board

Totul încorporat într-un echipament compact. După descărcarea programului, acesta logica
necesară pentru monitorizarea și controlul dispozitivelor din aplicație. CPU-ul monitorizează
intrările și modificările ieșirilor în funcție de logica programului, care poate include operații
matematice, logica boolean, numărarea, sincronizarea și comunicarea cu alte dispozitive.
CPU-ul asigură un port PROFINET pentru comunicarea printr-o retea PROFINET. Sunt
disponibile module suplimentare pentru comunicarea prin rețele: PROFIBUS, GPRS, RS485,
Rețelele RS232, IEC, DNP3 și WDC.
Programarea PLC-ului Siemens SIMATIC S7-1200 se realizează prin software-ul TIA
Portal V14.

Proiect de diplomă
21

1.5.1 Elemente componente

Fig. 1.8 PLC Siemens SIMATIC S7-1200

1. Portul de alimentare;
2. Slot pentru cardul de memorie;
3. Conectori de cablu detașabili;
4. LED-uri de verificare pentru Intrări/Ieșiri I/O
5. Conector PROFINET

1.5.2 Capacitatea de extindere a automatului

Familia S7-1200 oferă o varietate de module și plăci plug-in pentru extinderea capabilității
procesorului cu alte intrări/ieșiri de date sau alte protocoale de comunicare.

Fig 1.9 PLC împreuna cu extinderile

Proiect de diplomă
22

1. Modul de comunicare(CM) / procesor de comunicare(CP);
2. CPU 1200;
3. Placuța de comunicare / semnal (SB);
4. Modul de semnal (SM).

Procesorul suportă o extensie a unui plug-in:

– O placă de semnal (SB) oferă suplimentar I/O pentru procesul de automatizare. SB se
conectează pe partea frontală a procesorului.
– O placă de comunicație (CB) permite adaugarea unui alt port de comunicare către
procesor.
– O placă de baterie (BB) permite asigurarea pe termen lung a unei copii de rezervă in
timp real.

Fig 2.0 Procesor cu extensii
1. Leduri de stare pe SB;
2. Conector cablu detașabil.

Modulele de semnal (SM) adaugă funcționalități suplimentare procesorului. SM-urile se
conectează din partea dreaptă a procesorului.
– I/O digitală
– I/O analogice
– RTD și termocuplu
– SM 1278 IO-link Master
– Contor de energie SM 1238

Proiect de diplomă
23

Fig 2.1 PLC cu placă de semnal

 Leduri de stare;
 Bus conector slide tab;
 Conector cablu detașabil.

Modulul de comunicare (CM) și procesorul de comunicații (CP) adaugă opțiuni de
comunicare către CPU, cum ar fi pentru conectivitatea PROFIBUS sau RS232 / RS485 sau Master
AS-i. Un CP oferă capabilități pentru alte tipuri de comunicări, cum ar fi conectarea procesorului la
un GPRS, LTE, IEC, DNP3 sau WDC.
– CPU acceptă până la trei CM sau CPs
– Fiecare CM sau CP se conectează pe partea stângă a procesorului.

Fig 2.2 Procesor cu CM și CP

1. Leduri de stare;
2. Conector de comunicare.

Proiect de diplomă
24

Proiect de diplomă
25

2. STEP 7 (TIA Portal v14)

Step 7 oferă un mediu ușor de utilizat pentru a dezvolta logica controlerului, vizualizarea și
Configurarea rețelei de comunicare. Pentru a contribui la creșterea productivității, Step 7 oferă două
puncte diferite de a vizualiza proiectul:
– Un set de portaluri orientate spre sarcini care sunt organizate privind funcționarea
instrumentelor(Portal view);
– Și o vizualizare orientată spre proiect a elementelor din cadrul proiectului
(Project view).

2.1 Portal View

Fig 2.3 Portal View

1. Portale pentru diferite sarcini;
2. Sarcini pentru portalul selectat;
3. Panoul de selectare pentru diferite acțiuni;
4. Modificări la vizualizarea proiectului.

Proiect de diplomă
26

2.2 Project View

Fig 2.4 Project view

1. Meniuri și bara de instrumente;
2. Navigator de proiect;
3. Zona de lucru;
4. Sarcini;
5. Fereastra inspectorului;
6. Modificari in Portal view;
7. Bara de editare.

Cu toate aceste componente într-un singur loc, se acceasează cu ușurința fiecare aspect al
Proiectului. Zona de lucru este formată din trei vizualizări:
– Vizualizare dispozitiv: Afișează dispozitivul selectat și asociat acestor modulel;
– Vizualizare rețea: Afișează procesoarele și conexiunile de rețea;
– Afișare topologie: Afișează topologia PROFINET a rețelei, incluziv
dispozitivele, componentele pasive, porturi, interconexiuni și diagnostice.
Fiecare vizualizare permite efectuarea sarcinilor de configurare. Fereastra inspectorului arată
proprietăți și informații pentru echipamentul selectat în zona de lucru. Prin afișarea tuturor
editoarelor deschise, bara de editor ajută la folosirea mai rapidă si mai eficientă a programului.

Proiect de diplomă
27

2.3 Modificarea aspectului și a configurației TIA Portal

Se selectează o varietate de setări, cum ar fi aspectul interfeței, limbii sau flderul pentru
Salvarea lucrării. Selectăm comanda „Setări” din meniul „Opțiuni” pentru a modifica aceste setări.

Fig 2.5 Meniul de setări

3. Weintek eMT-3070A și softul EasyBuilder PRO

Fig 2.6 Ecran HMI Weintek

Proiect de diplomă
28

3.1. Informații generale

Modelul eMT3070A de la Weintek este potrivit pentru o gamă largă de aplicații de la
Plant & Process Control până la aplicații automatizate pentru managementul clădirilor, oferind
performanțe operaționale clare și grafică uimitoare de la un procesor puternic. Sprijinirea unei rețele
de până la 64 de dispozitive prin COM, USB, Ethernet, Internet, unitățile Weintek pot schimba și
salva date și se pot opera reciproc pe Internet. Cu peste 150 de drivere de comunicare, printre care
Allen Bradley, Mitsubishi, Siemens MPI/ PPI, Modbus, CANopen, unitatea poate interfața cu cele
mai populare PLC-uri si doua porturi Video Input.

3.2. Cerințe de energie

Echipamentul eMT-3070A poate fi alimentat numai cu curent continuu. Tensiunea secificată
este de 24V DC. Acest lucru asigură compatibilitatea cu majoritatea controlerelor in curent
continuu. Circuitelede alimentare cu energie electrică din interiorlu untității se realizează prin
comutarea sursei de alimentare. Curentul de pornire de vârf poate fi la fel de mare ca 2A.

3.3. Conexiune

Pentru a realiza o conexiune, închideți izolația de aproximativ 3/8 de la capătul firului,
rotiți șurubul conectorului în sens invers acelor de ceasornic până când spațiul este larg, deschideți,
introduceți firul până când la capăt și rotiți șurubul în sensul acelor de ceasornic până se află strâmt.
Conectați linia DC pozitivă la borna „+ 24V” și firul negativ la terminalul „0V”.

Fig 2.7 Conexiune HMI

3.4. Specificații

4. Specificații Hardware
5. Display 7” TFT
6. Brightness 500 cd/m2
7. Color 16.7M
8. Contrast Ratio 500:1
9. Resolution ( dots) 800 x 480
10. Back light LED
11. CCFL life time 30,000 hr. Min.
12. Touch panel 4 wires resistive type
13. Touch Accuracy Active Area Length(X)±2%, Width(Y)±2%
14. Ethernet port 1 RJ45 port (10/100 Base-T)

Proiect de diplomă
29
15. I/O port COM1 (RS-232/RS-485 2W/4W), COM3(RS-232/RS-485 2W),CAN Bus
16. USB Host/Client 1 USB 2.0 Full Speed Host Port /1USB 2.0 Full Speed Client Port
17. Audio Line Out x 1
18. Processor 32bit RISC CPU 600 MHz processor
19. Storage 256MB flash memory
20. DRAM 256MB DDR2 RAM on board
21. SD card slot Support SD/SDHC
22. RTC Built-in (CR2032 3V lithium battery.)

3.5. Dimensiuni eMT-3070A

Fig 2.8 Vederile HMI eMT-3070A

Proiect de diplomă
30

3.6. EasyBuilder PRO

Pentru a oferi o modalitate ușoară de a proiecta un afișaj operațional elegant și profesionist,
Weintek RD Team a lucrat în mod continuu pe interfețele HMI, care oferă o experiență de utilizare
fără probleme, la fel ca un spartphone/tabletă. Noua versiune de EasyBuilder Pro oferă o bibliotecă
de imagini mai puternică, bogată și realistă, care face ca proiectul utilizatorului să reflecte cu
adevărat mediul real. Cu upgrade-uri hardware, Weintek HMI oferă imagini de înaltă calitate care
pot concura cu un smartphone sau cu o tabletă.
Resurse mai bogate și eficiență sportiă:
Anumite obiecte vor adopta imaginile sistemului ca stil implicit, acolo unde este cazul, ceea
ce reduce mult timp pentru a proiecta. Biblioteca de imagini a sistemului oferă o varietate de
obiecte într-un număr de stiluri.

Fig 2.9 Biblioteca de imagini

Proiect de diplomă
31

Pentru adăugarea unor noi imagini în biblioteca de imagini se accesează fereastra de setări
„Library / Shape Library”

Fig 3.0 Adăugarea unor noi imagini în biblioteca de imagini

Bara de instrumente pentru acces rapid pentru Biblioteca de imagini nu oferă doar
previzualizări în miniatură ale imaginilor, ci permite și utlizatorilor să shimbe cu ușurință imaginea
obiectului. Cănd este selectat un obiect, faceți dublu clic pe o imagine sau faceți clic pe pctograma
verde de verificare din colțul din dreapta jos al unei imagini pentru a aplica setarea imaginii la
obiect. Schimbarea imaginii pentru mai multe obiecte simultan este posibilă.

Fig 3.1 Schimbarea imaginii pentru anumite obiecte

Proiect de diplomă
32

Proiect de diplomă
33

4. Descrierea procesului de epurare a apei

Stația de epurare reprezintă ansamblul de construcții și instalații destinat epurării apelor
uzate prin metode mecanice, mecano-chimice, biologice și terțiere. Capacitatea stațiilor de epurare
se exprimă în m3/zi.

Pentru o stație de epurare, obiectul de activitate se referă la două categorii de ape uzate:
– Influentul reprezintă apele uzate intrate în stația de euprare.
– Efluentul reprezintă apa uzată epurată evacuată de stația de epurare sau de o
treaptă de epurare.

Epurarea apelor uzate (influentului) poate fi realizată în mai multe etape:
– Epurare primară – prin mijloace mecanice sau fizico-chimice;
– Epurare secundară – prin mijloace biologice, în care procedeele de epurare sunt
atât de natură fizică cât și biochimică;
– Epurare terțiară – prin pocese chimice, pentru îndepărtarea din apele uzate a unor
poluanți specifici unor ape uzate industriale.

Stația de epurare acționează pentru diminuarea cantității/concentrației poluanților pe care îi
conține apa uzată, astfel incât efluentul să respecte condițiile de evacuare impuse prin
reglementările în vigoare.

Apele uzate care se evacuează în receptorii naturali nu trebuie să conțină:

– Substanțele poluante cu grad ridicat de toxicitate;
– Materii în suspensie peste limita admisă, care ar putea produce depuneri în albiile
minore ale cursurilor de apă sau în cuvetel lacurilor și, în final colmatarea
acestora;
– Substanțe care pot conduce la creșterea turbidității, formarea spumei sau la
schimbarea proprietăților organoleptice ale receptorilor față de starea naturală a
acestora.

Fig 3.2 Schemă bloc pentru epurarea apei

Proiect de diplomă
34

4.1. Istoric

Istoria alimentării cu apă și salubritate este una dintre provocările logistice de furnizare a
sistemelor de apă curată și de salubritate de la începutul civilizației. În cazul în careresursele de apă,
infrastructură sau sistemel de salubritate erau insuficiente, bolile s-au răspândit și oamenii s-au
îmbolnăvit sau au decedat prematur.
Adăpostirile majore umane ar putea să se dezvolte inițial numai acolo unde apa de suprafață
proaspătă era abundentă, cum ar fi râurile sau izvoarele naturale. De-a lungul istoriei, oamenii au
conceput sisteme pentru a produce apă potabilă în comunitățile și gospodăriile lor și a elimina (și
mai târziu, și să trateze) apa uzată mai convenabil.
Obiectivul istoric al tratării apelor uzate a fost acela de a transporta canalizare brută într-un
corp natural de apă, de exemplu un râu sau un ocean, unde ar fi diluat și disipat. Locuințele timpurii
ale oamenilor erau adesea construite alături de sursele de apă. Râurile ar servi adesea ca o formă
brută de eliminare a apelor uzate naturalel.
De-a lungul mileniilor, tehnologia a crescut dramatic distanțele prin care apa poate fi
relocată. Mai mult, au fost îmbunătățite procesele de tratare a apei potabile și tratarea apei uzate.

Fig 3.2 Clorator manual pentru lichefierea clorului pentru purificarea apei 1918

Proiect de diplomă
35

4.2. Tratamentul pentru producția de apă potabilă

Tratamentul pentru producția de apă potabilă presupune eliminarea contaminanților din apa
brută pentru a produce apaă suficient de pură pentru consumul uman, fără riscuri pe termen scurt
sau lung de orice efect negativ asupra sănătății. În termeni generali, cele mai mari riscuri
microbiene sunt asociate cu ingerarea de apă contaminată cu fecale umane sau animale (inclusiv
păsări). Fecalele pot fi o sursă de bacterii patogene, viruși, protozoare și helminți. Dezinfecția are o
importanță incontestabilă în furnizarea de apă potabilă sigură. Distrugerea agenților patogeni
microbieni este esențială și implică foarte frecvent utilizarea agenților chimici reactivi, cum ar fi
solidele în suspensie, bacteriile, algele, virușii, ciupercile și mineralele, cum ar fi fierul și manganul.
Aceste substanțe continuă să dăuneze foarte mult mai multor țări puțin dezvoltate, care nu au acces
la purificarea apei.

Fig 3.3 Producția de apă potabilă printr-un sistem de euprare cu 3 camere

A) Decantor primar;
B) Bazin aerare;
C) Decantor secundar și separator de grasimi.

4.3. Procesul de epurare

O combinație selectată dintre următoarele procese este utilizată pentru tratarea municipală a
apei potabile la nivel mondial:

– Preclorinarea pentru controlul algelor și stoparea ceșterii biologice;
– Aerarea împreună cu preclorarea pentru îndepărtarea fierului dizolvat când este
prezent în cantități mici relativ de mangan;

Proiect de diplomă
36
– Coagularea pentru floculare sau filtrare cu nisip lent;
– Ajutor coagulant, de asemenea, cunoscut sub numele de polielectrolites;
– Sedimentarea pentru separarea solidelor care este îndepărtarea solidelor
suspendate;
– Filtrarea pentru îndepărtarea particulelor din apă fie prin trecerea printr-un pat de
nisip care poate fi spălat și reutilizat, fie prin trecerea printr-un filtru proiectat.
– Dezinfectarea pentru uciderea bacteriilor, a virușilor și a altor agenți patogeni.

Tehnologiile pentru apa potabilă și alte utilizări sunt bine dezvoltate și sunt disponibile
modele geralizate, din care pot fi selectate procesele de tratare pentru testarea pilot pe sursa de apă
specifică. În plus, o serie de companii private oferă soluții tehnologice brevetate pentru tratarea
contaminanților specifici. Automatizarea tratării apei este comună în lumea dezvoltată. Calitatea
surselor de apă prin anotimpuri, amploare și impactul asupra mediului poate determina costurile de
capital si costurile de exploatare. Utilizarea finală a apei tratate dictează tehnologiile de
monitorizare a calității necesare, iar comeptențele disponibile la nivel local dictează, de regulă,
nivelul de automatizare adoptat.

4.4. Tratarea apei industriale

Principalele procese de tratare a apei industriale sunt tratarea apei din cazan și tratarea apei
de răcire. O cantitate mare de tratare adecvată a apei poate duce la reacția solidelor și a bateriilor în
interiorul conductelor și în cazan. Cazanele cu abur pot suferi de coroziune atunci când sunt lăsate
netratate. Depunerile de depozite pot conduce la mașini slabe și periculoase, în timp ce este necesar
un combustibil suplimentare pentru a încălzi același nivel de apă din cauza creșterii rezistenței
termice. Apa murdară de calitate slabă poate deveni un teren de reproducere pentru baterii, cum ar fi
Legionella, care cauzează un risc pentru sănătatea publică.
Coroziunea la cazane de joasă presiune poate fi cauzată de oxigenul dizolvat, aciditatea și
alcalinitatea excesivă. Prin urmare, tratarea cu apă trebuie să îndepărteze oxigenul dizolvat și să
mențină apa din cazan cu pH-ul și nivelurile de alcalinitate corespunzătoare. Fără un tratament
eficient al apei, un sistem de apă de răcire poate suferi deformare de coroziune și de murdărire și
poate deveni un teren de reproducere pentru bacteriile dăunătoare. Acest lucru reduce eficiența,
scurtează viața plantelor și face operațiunile nesigure.

Fig 3.4 Sistem pentru tratarea apelor industriale

Proiect de diplomă
37

5. Automatizarea procesului de epurare

Proiectul de automatizare s-a realizat folosind automatul programabil (PLC) Siemens
SIMATIC S7-1200 programat de către Software-ul TIA Portals V14. Iar ca și interfață grafică s-a
folosit HMI-ul Weintek eMT 3070A programat de către Software-ul EasyBuilder Pro.

5.1. Descrierea procesului de automatizare

Folosind schema bloc din Fig 3.2. s-a programat schema de automatizare pentru procesul de
epurare a apei uzate.

5.1.1. Schema de automatizare pentru linia apei uzate

Fig.3.5 Schema bloc pentru prima parte a epurării

Fig.3.6 Schema de automatizare pentru prima parte a epurării

– I0.0 Intrare buton de pornire;
– I0.1 Intrare buton oprire;
– Q0.0 Pompa din bazinul de colectare ape uzate;

Proiect de diplomă
38
– M0.0 Alimentarea pompei pentru bazinul de colectare;
– DB1 Releul de timp
– I0.7 Senzorul de nivel din bazinul de colectare;
– Q0.1 Pompa pentru deznisipător;
– Q0.2 Deznisipător si separator de grăsimi.

Cu apăsarea butonului de pornire I0.0 se alimentează pompa din bazinul de colectare Q0.0
iar apoi aceasta primeste comandă de la Releul de timp DB1, acest releu este comandat de către
senzorul de nivel. Dupa ce senzorul de nivel aplică impuls spre releul de timp, după 5 minute
pornește pompa pentru deznisipător si separator de grăsimi Q0.1 și se incepe procesul de
deznisipare Q0.2 .

Fig.3.7 Schema bloc pentru a doua parte a epurării

Fig.3.8 Schema de automatizare pentru a doua parte a epurării

Proiect de diplomă
39

– Q0.2 Contact deznisipător si separator de grăsimi;
– DB4 Releu de timp pentru valva decantorului;
– Q0.3 Valva decantorului primar;
– I0.2 Senzor de nivel pentru decantarea primară;
– DB3 Releu de timp pentru bazinul anaerob;
– Q0.4 Pompă pentru bazinul anaerob;
– Q0.5 Valvă oxigen pentru bazinul anaerob;
– I0.3 Senzor de nivel si oxigen pentru bazinul anaerob;
– DB5 Releu de timp pentru bazinul anoxic;
– Q0.6 Pompă bazin anoxic;
– Q0.7 Valvă bazin anoxic.

Contactul deznisipătorului Q0.2 acționează releul de timp pentru valva decantorului primar
DB4, dupa 5 minute releul de timp dă impuls asupra Q0.3 iar aceasta deschide valva decantorului
primar și apa care a fost colectată și curațată in deznisipător se varsă în decantorul primar.
După ce senzorul de nivel din decantorul primar I0.2 detectează nivelul corespunzător de
apă pentru ca aceasta să fie pompată in bazinul anaerob declanșează releul de timp DB3 care pune
în așteptare pompa pentru bazinul anaerob, iar după aceste 5 minute se incepe pomparea apei în
bazinul anaerob.
Apa ajunge în bazinul anaerob și automat se declanșează valva pentru pompa de oxigen
Q0.5. Când senzorul de nivel si oxigen din bazinul anaerob I0.3 detectează nivelul de oxigen
corespunzător normelor iar apa ajunge la nivelul dorit acest senzor execută un impuls către releul de
timp pentru pomparea apei in bazinul anoxic DB5, dupa cele 5 minute se incepe pomparea apei cu
ajutorul Q0.6, iar dupa ce apa ajunge în bazinul anoxic se deschide valva bazinului Q0.7 .

Fig.3.9 Schema de automatizare pentru a treia parte a epurării

Proiect de diplomă
40

Fig.4.0 Schema bloc pentru a treia parte a epurării

– Q0.7 Contact bazin anoxic;
– I0.4 Senzor bazin anoxic;
– DB5 Releu de timp pentru pompa din bazinul anoxic;
– Q1.0 Pompă din bazinul anoxic către bazinul de aerare;
– Q1.1 Valvă oxigen pentru bazinul de aerare;
– I0.5 Senzor de nivel si oxigen din bazinul de aerare;
– DB6 Releul de timp pentru pompa din bazinul de aerare;
– Q8.0 Pompă pentru decantarea secundară;
– Q8.1 valvă decantare secundară pentru efluent stație.

Contactul bazinului anoxic Q0.7 alimentează senzorul din bazin I0.4, după ce senzorul
detectează un nivel al apei optim pentru pompare acționează un impuls către releul de timp din acest
bazin DB5, după 5 minute se incepe pomparea in bazinul de aerare a apei din bazinul anoxic cu
ajutorul pompei Q1.0.
După ce apa ajunge în bazinul de aerare se deschid valvele de pompare a oxigenului in bazin
Q1.1 și se începe procesul de oxigenare a apei uzate. Când senzorul bazinului de aerare detectează
un nivel al oxigenului, adăugat în apa uzată, optim, acesta trimite un impuls asupra releului de timp
pentru pompa Q8.0 decantării secundare. Contactul acestei pompe Q8.0 declanșează impuls către
valva decantării secundare Q8.1 care trimite apa in efluentul stației.

Fig.4.1 Schema de automatizare pentru efluentul stației

– Q8.1 Contact valvă decantare secundară;
– I0.6 Pompă evacuare apă purificată;
– DB7 Releu de timp;
– Q8.2 Valvă evacuare stație.

Proiect de diplomă
41

5.1.2. Schema de automatizare pentru pomparea nămolului

Fig.4.2 Schema bloc pompare nămol

Fig.4.3 Schema de automatizare pentru începerea procesului de pompare a nămolului

– Q1.1 Contactul bazinului de aerare;
– I1.0 Senzor de nivel al nămolului din bazinul de aerare;
– Q8.3 Stația de pompare a nămolului;
– Q8.1 Contactul decantării secundare;
– I1.1 Senzor de nivel al nămolului din decantarea secundară;
– Q8.3 Stația de pompare a nămolului.

Contactul bazinului de aerare Q1.1 alimentează senzorul de nivel al nămolului din bazinul
de aerare I1.1. Când acest senzor detectează un nivel al nămolului necesar pentru pompare, execută
un impuls către stația de pompare a nămolului iar acesta este extras din bazinul de aerare.
Același proces de extragere a nămolului se aplică și pentru a doua linie de automatizare din
program doar că această linie se execută in decantarea secundară iar senzorul I1.1 se alimentează
din contactul decantării secundare Q8.1.

Proiect de diplomă
42

5.1.3. Schema de automatizare pentru colectarea nămolului trimis către deshidratare

Fig.4.4 Schema de automatizare pentru colectarea nămolului pentru deshidratare

– Q8.3 Contact stație pompare nămol;
– I8.0 Senzor nivel reziduri electrovană Grătare;
– Q9.0 Pompa apă din electrovana de reziduri din grătare;
– Q0.2 Valvă deznisipător pentru nămol;
– Q9.1 Stație apă pluvială;
– Q8.2 Evacuare stație.

Contactul stației de nămol deschide valva din stație pentru pomparea nămolului către stația
de deshidratare, acest contact alimentează si senzorul de nivel pentru rezidurile din electrovana
gratarelor I8.0 . Senzorul din electrovana grătarelor detectează nivelul rezidurilor și trimite un
impuls asupra pompei de nămol din electrovana grătarelor. Dupa ce nămolul a început sa fie extras
din electrovana grătarelor se alimentează Q9.0 pompa de apă din această electrovană.
Contactul pompei de apă din electrovana de reziduri, alimentează pompa nămolului din
deznisipator Q0.2 care se intersectează cu Q9.2 stația de apă pluvială si se execută evacuarea
nămolului din stație Q8.2 către stația de deshidratare.

Proiect de diplomă
43

Fig.4.5 Schema de automatizare pentru pomparea nămolului către stația de deshidratare

– Q8.4 Contactul pompei de nămol din electrovana rezidurilor din grătare;
– I8.1 Senzorul de nivel al nămolului din decantarea primară;
– Q8.5 Pompă nămol decantare primară;
– I8.2 Senzor de nivel electrovană colectare nămol;
– Q8.6 Pompă electrovană colectare nămol;
– DB9 Releu de timp pompare nămol pentru deshidratare;
– Q8.7 Pompă nămol pentru electrovana de dezhidratare.

Contactul pompei de nămol din electrovana de reziduri din grătare alimentează pompa de
nămol din decantarea primară Q8.5 doar după ce senzorul de nivel de nămol din decantarea primară
recepționează un nivel optim al nămolului pentru pompare.
După ce pompa Q8.5 este alimentată, contactul acesteia alimentează pompa din electrovana
de colectare nămol, iar aceasta va porni doar daca senzorul de nivel din electrovana de colectare
nămol I8.2 detectează nivelul optim de pompare.
Iar în final contactul pompei din electrovana de colectare a nămolului Q8.6 alimentează
pompa pentru electrovana de dezhidratare Q8.7 doar după ce releul de timp DB9 cronometrează 5
minute pentru colectarea suficientă a nămolului pentru pompare.

Proiect de diplomă
44

Proiect de diplomă
45

6. Proiectarea grafică a HMI-ului Weintek eMT 3070A

Pentru programarea ecranului s-a folosit Software-ul EasyBuilder Pro.

Fig.4.6 Pagina de start

Pagina de start a HMI-ului Weintek, alcătuind „Butonul de Pornire” care ne dictează tot
procesul de automatizare. Acest buton alimentează prima bobină a automatizării, după apăsarea lui
nu mai este nevoie de o altă acțiune din partea operatorului, doar monitorizarea procesului.
„Butonul de Oprire” face ca alimentarea sa fie suspendată de pe prima bobină a automatizării. Iar
„Monitorizarea Procesului” este butonul care va deschide a doua pagină programată care este
„Pagina de monitorizare”.

Fig.4.7 Pagina de monitorizare

Proiect de diplomă
46

Pe „pagina de monitorizare” avem 4 ceasuri indicatoare de nivel, două din acestea
monitorizează nivelul de oxigen, în bazinul anoxic și în bazinul de aerare, al trei-lea ceas din partea
stângă jos monitorizează nivelul clorului din apa pură după tot procesul de epurare. Al patru-lea
ceas monitorizează nivelul presiunii din conductele de transfer al apei dintr-un bazin in altul. Iar cel
de-al cince-lea ceas este un debitmetru care monitorizează debitul cu care apa este transferată prin
tot procesul de epurare.
Becul de avertizare pentru proximitate, ne avertizează in momentul producerii unei avarii in
sistem sau dacă unele dintre nivelele monitorizate de către acele ceasuri din program, depășesc
limita maximă admisă pentru bazinele și aparatele folosite în acest proces de epurare. Sub acest bec
de avertizare se află încă un buton numit „Buton de urgența” care se poate acționa de către operator
în cazul unei avarii menționate mai sus.

Proiect de diplomă
47

7. Concluzii

Lucrarea de față exprimă procesul de automatizare al unui sistem de epurare a apei uzate cu
ajutorului automatului programabil Siemens SIMATIC S7-1200 programat cu Software-ul TIA
Portal V14, o intervață grafică HMI de la Weintek eMT-3070A programată de către Software-ul
Easybuilder Pro.
Concepând această lucrare am observat cât de ușor de utilizat pot fi software-urile folosite in
această automatizare, dar și cât de versatile pot ajunge automatele programabile (PLC). Acestea se
pot întinde pe o gamă variată de domenii de activitate nu numai cea de epurare a apei uzate.
Monitorizarea sistemului este extrem de ușoară datorită interfeței grafice produsă de către
HMI-ul de la Weintek. Dar nu doar monitorizare, cu acest HMI se pot programa sisteme pentru
toate domeniile de activitate chiar și fără a folosi un PLC.
Simulările efectuate off-line in software-ul TIA Portal al schemei de automatizare,
determină faptul că sistemul funcționează fără nici o problemă sau eroare.
Principalul avantaj al unui sistem de automatizare de genul elaborat în această lucreare, este
faptul că execuția controlului și monitorizarea sistemului se fac de la distanță, iar efortul
operatorului este redus către minim. Asta determină versatilitatea unui astfel de sistem, atât cât și
posibilitatea acestuia de extindere cu eforturi minime iar costurile sunt reduse drastic.

Proiect de diplomă
48

Bibliografie

[1] SIMATIC S7-1200 Easy book;
[2] SIMATIC STEP 7 S7-1200 Motion control v13 SP1;
[3] support.industry.siemens.com/cs/document/109744173/documentation-for-simatic-controller;
[4] eMT 3000 series installation instruction guide;
[5] Programarea automatelor programabile – curs 9;
[6] www.Siemens.com/tia-portal ;
[7] www.Siemens.com/basic-panel ;
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Water_treatment ;
[9] https://ro.wikipedia.org/wiki/Sta%C8%9Bie_de_epurare ;
[10] Christman, Keith (september 1998). „The history of chlorine” ;
[11] Frerichs, Ralph R. „History of the Chelsea Waterworks”
[12] Huisman, L ; Wood, W.E. (1974). „Chapter 2. Filtration of water supplies”
[13] Cicek, V. (2013). „Corrosion and corrosion prevention in boilers”.