Reglarea Temperaturii Varfului Unui Letcon

REGLAREA TEMPERATURII VÂRFULUI UNUI LETCON

LUCRARE DE LICENȚĂ

Cuprins

Capitolul 1. Introducere

1.1. Automatica. Sisteme de reglare automată.

1.2. Temperatura

1.2.1. Generalități

Capitolul 2. Obiectivele Proiectului

Capitolul 3. Studiu Bibliografic

3.1. Teoria calitativă a proceselor calorice

3.1.1. Conducția termică

3.1.2. Convecția termică

3.2. Traductoarele de temperatură

3.2.1. Termocuplul:

3.2.2. Termistorul

3.2.3. Termorezistențele

3.2.4. Comparație între traductoarele de temperatură:

3.3. Reglarea automată a temperaturii în reactoare chimice

3.3.1. Reactoare chimice – generalități

3.3.2. Reglarea temperaturii unui reactor chimc

3.3.3. Reglarea în cascadă a temperaturii unui reactor chimic

Capitolul 4. Analiză și Fundamentare Teoretică

4.1. Automatul programabil

4.1.1. PLC SIEMENS 314C-2 DP

4.2. Statia de lipit (Letcon) SOLOMON SL-30

Capitolul 5. Proiectare de Detaliu si Implementare

5.1. Detvoltare aplicativă

5.2. Calculul regulatoarelor

5.3. SIMATIC Step7

5.3.1. Crearea unui proiect

5.3.2. Blocuri

5.4. SIMATIC WinCC Flexible

5.4.1. SIMATIC HMI:

5.4.2. Concepte fundamentale de WinCC Flexible:

Capitolul 6. Testare și Validare

Capitolul 7. Concluzii

Bibliografie

Anexa 1 (dacă este necesar)

Introducere

Automatica. Sisteme de reglare automată.

Prin intermediul automatizării proceselor tehnologice, se urmărește eliminarea intervenției directe a operatorului uman asupra acestora din urmă, urmând ca omului să îi revina exclusiv rolul de conducere generală.

Totalitatea obiectelor care asigura conducerea unui proces tehnologic sau de altă natura, fără o intervenție directa a operatorului uman se definește ca și echipament (sau dispozitiv) de automatizare.

Procesul tehnologic, care este supus automatizării, alături de echipamentele de automatizare (de conducere), care au rolul de a asigura o desfașurare dupa anumite legi, se numește sistem automat.

Fig 1.1 Schema funcționala a unui sistem automat

În schema funcționala, procesul condus este o reprezentare a instalației tehnologice, în timp ce semnificația celorlalte mărimi care intervin este următoarea:

Program – reprezintă programul stabilit de operatorul uman sau referința;

u- reprezintă semnalul de comanda debitat de către echipamentul de automatizare (având sensul dinspre echipamentul de automatizare înspre procesul condus ;

ym – reprezintă semnalul măsurat prin intermediul căruia sunt preluate informații de la procesul condus și sunt livrate echipamentului de automatizare, cu scopul de a controla procesul.

y – reprezinta mărimea de ieșire ( mărimea reglată), această mărime poate reprezenta un debit, o temperatură, o turație, o presiune etc;

v1, v2 – reprezinta perturbații care acționează asupra procesului; aceste perturbații pot fi externe (exogene) și parametrice; perturbațiile parametrice sunt induse de către variația parametrilor procesului condus în timp ce perturbațiile externe se cumulează cu semnalul de comandă și apar la ieșire, numindu-se și perturbații aditive.

În același timp, schema completa a unui sistem de reglare automata (SRA) arată in felul următor, evidențiindu-se:

Fig 1.2. Schema completa a unui SRA

IT – instalația tehnologica (procesul tehnologic);

R – reprezentând blocul regulator automat ( care în cele mai multe cazuri include si elementul de comparație);

EE – reprezentând elementul de execuție, a cărui rol este furnizarea unui semnal de ieșire care să fie compatibil cu instalația tehnologică IT si care să poata acționa asupra acesteia din urmă;

TM – reprezentând traductorul de măsura, care are rolul de a transforma mărimea de ieșire reglată într+un semnal m, care să fie compatibil cu referința w (să aibă aceeași natură și aceeași gamă de variație ex: gama unificată 4…20mA);

w – reprezentând semnalul de referința;

y – reprezentând semnalul de ieșire ( din procesul tehnologic)

m – reprezentând semnalul de execuție;

a – reprezentând semnalul de abatere;

c – reprezentând semnalul de commandă furnizat de regulator

r – reprezentând semnalul de reacție (semnalul de măsură);

p1 – reprezentâd semnalul de perturbație care acționează asupra procesului tehnologic (influențează semnalul de ieșire y);

p2 – reprezentând semnalul de perturbație care acționează asupra elementului de

execuție (influențează semnalul de execuție m).

Clasificarea SRA:

În [10] sunt prezentate diferite criterii de clasificare a sistemelor de reglare automata

care sunt prezentate în continuare:

După modul în care semnalele sunt prelucrate se deosebesc:

Sisteme de reglare continue – toate mărimile din structura SRA sunt funcții continue de timp.

Sisteme de reglare discontinue – una sau mai multe mărimi din structura SRA sunt funcții discontinue de timp.

Dependența dintre mărimile de ieșire și mărimile de intrare ale elementelor component ale SRA poate varia, existând:

Sisteme de reglare liniare – pentru care toate dependențele elementelor din componența SRA sunt descrise de funcții liniare.

Sisteme de reglare neliniare – pentru care una sau mai multe dependențe dintre intrare și ieșire sunt descrise de funcții neliniare.

După numărul de mărimi de ieșire sistemele de reglare automată se clasifică în:

Sisteme de reglare cu o singură mărime de ieșire.

Sisteme de reglare cu mai multe mărimi de ieșire.

O clasificare după numărul buclelor de reglare deosebește:

Sisteme de reglare cu o singură buclă de reglare, având în componența sa un singur regulator automat.

Sisteme de reglare cu mai multe bucle de reglare, având în structural lor mai multe regulatoare automate.

După tipul elementelor component sistemele de reglare se împart în:

Sisteme de reglare unificate – au în componența elemente care prelucrează și furnizează semnale unificate.

Sisteme de reglare specializate – sunt SRA destinate automatizării unor procese particulare astfel încat elementele din componența lor nu prelucrează și furnizează semnale unificate.

După viteza de răaspuns a procesului supus automatizării se deosebesc:

Sisteme de reglare pentru procese lente.

Sisteme de reglare pentru procese rapide.

După natura legii de reglare se deosebesc următoarele sisteme de reglare automată:

Sisteme de reglare după abatere – care compară valoarea mărimii de ieșire cu valoarea mărimii de referință și urmărește eliminarea abaterii (erorii) dintre ele.

Sisteme de reglare dupa perturbație – care acționează asupra sistemului cu scopul anulării perturbațiilor , prin supravehgerea acțiunea acestora, astfel încât starea sistemului să difere cât mai puțin de cea de referință.

Sisteme de reglare după stare – care supraveghează starile procesului condus și comandă un regulator având în vedere relația existentă între acestea și mărimea de conducere.

Sisteme de reglare evoluate – au devenit realizabile datorită evoluției electronicii și a tehnici de calcul, întrucat necesită un mare volum de calcul pentru a elimina efectul neliniaritaților prin modificarea algoritmului de reglare în corelație cu starea de moment a sistemului.

Temperatura

Generalități

Temperatura este o mărime fizică ce caracterizează gradul de încalzire a materiei, fiind un parametru de stare scalar, dependent de spațiu și timp.

Temperatura face parte dintre cele șapte mărimi fizice fundamentale, fiind o mărime aflată în strânsă legătură cu energia internă a corpurilor.

Unitatea de măsură pentru temperatură în Sistemul Internațional este Kelvinul (K).

Valoarea de 0 K este definită ca și temperatura de zero absolute, reprezentând punctul pentru care energia termică a moleculelor dintr-un material este cea mai scăzută. În afară de această scară de temperatură, se mai folosește scara Fahrenheit, cu precădere în Statele Unite ale Americii și scara Celsius, cu precădere în Europa.

În Tabelul 1.1 sunt prezentate relațiile de transformare a temperaturii în cele trei

unitați de masura:

1.2.2 Măsurarea temperaturii

Măsurarea este procesul prin care se obțin pe cale experimentală una sau mai multe valori care pot fi atribuite unei mărimi.[wiki]

La baza procesului de măsurare a temperaturii stau o serie de efecte și fenomene fizice, pentru care variația temperaturii produce modificări ale proprietății si caracteristicilor materialelor. Printre aceste modificări se numara: modificarea dimensiunilor geometrice, modificarea intensitații radiației termice, modificarea rezistenței electrice sau apariția unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncțiunii a două metale diferite.

Metodele si mijloacele de măsurare a temperaturii sunt de două feluri:

Termometria cu contact – care are ca bază teoretică principiul dilatării corpurilor, principiul variației rezistenței electrice sau schimbarea culorii corpurilor în funcție de temperatură; din categoria în cauză făcând parte termometrele cu sticlă, termocuplele etc.

Termometria cu radiație (fără contact) – care are la bază principiul de variație a radiației cu temperatura, respectiv măsurarea intensității de radiație și măsurarea strălucirii unei componente a radiației cu o sursă etalonată în funcție de temperatură.

În general, dispozitivele prin care se masoară temperatura se numesc termometre atunci cand avem de-a face cu temperaturii mai mici de 660 °C. În cazul în care se depășesc temperaturi de 660 °C aparatele utilizate se numesc pirometre.

Termometrul este cel mai utilizat si raspândit instrument de măsura a temperaturii, acesta fiind alcătuit dintr-un tub din sticlă gradat cu un rezervor conținând un lichid dilatabil, cum ar fi mercurul sau alcoolul etilic.

Cele mai folosite dispozitive pentru măsurarea temperaturii sunt următoarele:

Termometrul de dilatație

Termocupluri

Termorezistențe

Termometre cu radiații infraroșii

Pirometre optice

O importantă problemă o reprezintă măsurarea cu precizie a temperaturii în procesele tehnologice.

La alegerea unui senzor de temperatură este necesar să se aibă în vedere un număr mare de factori:

Domeniul de măsură;

Precizia de măsură;

Timpul de răspuns;

Natura corpurilor (lichide, solide , gazoase);

Accesibilitatea punctului de măsurare;

Agresivitatea mediului;

Asigurarea interschimbabilității.

Există câteva aspecte ce trebuie cunoscute înaintea începerii procesului de măsurare:

Obiectul măsurării – care se referă la mărimea ce va trebui măsurată.

Mijloacele cu care se face măsurarea – care cuprinde totalitatea echipamentelor prin intermediul cărora se determină cantitativ mărimea de măsurat.

Metoda de măsurare – care vizează modul în care se face comparația între unitatea de măsură si mărimea de măsurat.

Obiectivele Proiectului

Lucrarea de față are ca obiectiv principal reglarea temperaturii vârfului unei stații de lipit. Pentru îndeplinirea acestui obiectiv se urmărește realizarea unui sistem de control și monitorizare a temperaturii folosind PLC-ul SiemensCPU 314-2 DP.

Reglarea reprezintă proprietatea unui sistem de a-și păstra valoarea mărimii de ieșire cât mai aproape de o valoare setate anterior. Se urmărește evoluția procesului cu scopul de a anula marimea de eroare, adică diferența dintre valoarea actuală și valoarea de referință a mărimii reglate, în cazul acestei lucrări temperatura.

Sistemele de reglare a temperaturii sunt utilizate atât în industrie cât și la aparatura de uz casnic, putând reprezenta sisteme de încălzire sau sisteme de răcire. Din totalitatea sistemelor de control și măsură, aproximativ 16% controlează, înregistrează sau indică temperatura.

Reglarea temperaturii se poate realiza prin reglare continuă, semi-continuă sau discontinuă, cea din urmă metodă fiind cea mai utilizată datorită costurilor mai scăzute și simplității, precizia fiind relativ bună. Metodele continue, cu algoritmi P, PI, PID sunt utilizate mai rar fiind mult mai scumpe și mai complexe.

Principiul de funcționare al reglării de temperatură este următorul: un system măsoară direct sau indirect valorile temperaturii și le compară pe acestea cu valoarea de referință. În funcție de rezultatul acestei comparalosind PLC-ul SiemensCPU 314-2 DP.

Reglarea reprezintă proprietatea unui sistem de a-și păstra valoarea mărimii de ieșire cât mai aproape de o valoare setate anterior. Se urmărește evoluția procesului cu scopul de a anula marimea de eroare, adică diferența dintre valoarea actuală și valoarea de referință a mărimii reglate, în cazul acestei lucrări temperatura.

Sistemele de reglare a temperaturii sunt utilizate atât în industrie cât și la aparatura de uz casnic, putând reprezenta sisteme de încălzire sau sisteme de răcire. Din totalitatea sistemelor de control și măsură, aproximativ 16% controlează, înregistrează sau indică temperatura.

Reglarea temperaturii se poate realiza prin reglare continuă, semi-continuă sau discontinuă, cea din urmă metodă fiind cea mai utilizată datorită costurilor mai scăzute și simplității, precizia fiind relativ bună. Metodele continue, cu algoritmi P, PI, PID sunt utilizate mai rar fiind mult mai scumpe și mai complexe.

Principiul de funcționare al reglării de temperatură este următorul: un system măsoară direct sau indirect valorile temperaturii și le compară pe acestea cu valoarea de referință. În funcție de rezultatul acestei comparații sistemul de reglare decide modificarea mărimii de comandă a sistemului.

Pentru realizarea sistemelor de control și monitorizare a temperaturii se utilizează stația de lipit Solomon SL-30 și un PLC Siemens Simatic S7-300 (CPU 314-2DP). Plc-ul este alimentat de la o sursă de 24V și are în componență două module: unul analogic (AI5/AI0) și unul digital (DI24/DO16).

Principalul obiectiv al sistemului de reglare a temperaturii va fi monitorizarea continuă a mărimii de ieșire și modificarea comenzii aplicate elementului de execuție (încalzitorului) având ca obiectiv menținerea valorii măsurate în jurul valorii de referință setate anterior. Vom folosi metoda continua de reglare a temperaturii. Vom calcula astfel un regulator de tip PI pentru proces.

Aplicația va avea și o interfață grafică pentru a controla procesul.

Componentele aplicației se vor implementa în următoarele medii de programare: Matlab pentru identificarea procesului și simularea răspunsurilor, SIMATIC Step 7 pentru implementare și SIMATIC WinCC Flexible pentru monitorizare și control.

Studiu Bibliografic

Teoria calitativă a proceselor calorice

Procesele calorice au loc prin transfer de căldură, acesta putând avea loc în trei moduri dependente de starea de agregare în care se află substanța implicată. Conducția termică este fenomenul de bază care are loc în orice substanță, indiferent de starea de agregare. La substanțele solide radiația nu apare deloc iar convecția poate fi neglijată, în timp ce pentru fluide apare în principal conducția și convecția, uneori chiar și radiația.

Conducția termică

Conducția termică reprezintă fenomenul de transfer termic de căldură ce are loc din aproape în aproape, de la o microparticulă la altă microparticulă, și este datorată mișcării de agitație termică care este însoțită de schimb de energie si de ciocniri.

La baza acestui fenomen stă legea lui Fourier privind cantitatea de caldură de conducție:

Q = −λ ⋅ gradT

unde: λ reprezinta conductivitaea termică [W/m K].

Convecția termică

Convecția termică este un fenomen de transmitere a căldurii specific fluidelor și care presupune o deplasare de material ordonată. Atunci când straturile de fluid intră în contact cu o suprafață caldă, acestea se încalzesc și prin deplasare transportă căldura prin tot fluidul iar în același timp, noi cantități de fluid rece iau locul celor calde. Fenomenul de convecție termică este însoțit întotdeauna de conducție si radiație (cu rare excepții).

Convecția termică este un fenomen, în general, neliniar (de regulă însoțit de turbulențe), foarte complicat, care se poate studia prin metodele similitudinii și analogiei.

După cauza care generează mișcarea fluidului, convecția se clasifică în:

Convecție liberă (naturală) – atunci când diferența dintre densitatea fluidului cald si densitatea fluidului rece realizează amestecarea acestuia.

Convecția forțată – atunci când amestecarea fluidului se ralizează mecanic, prin recirculare cu ajutorul unor pompe sau prin ventilare.

Legea de bază pentru convecție este Legea Newton. Aceasta exprimă fluxul pe care suprafața unui solid îl transferă unui fluid în mișcare :

Q = α *S(Ts-Tf)

unde:

α – este coeficient de schimb de căldură [W/m K]

S – este suprafața de schimb de căldură;

TS – este temperature solidului;

Tf – este temperature medie a fuidului.

Radiația termică

Radiația termică este un proces de transmisie a căldurii prin care se transformă energia calorică în energie radiantă (unde electromagnetice) care se emite în spațiu.

Legea de bază ce caracterizează radiația termică este:

Q=S·ε·σ·T4

unde:

S – aria secțiunii normale la direcția fluxului termic;

T – temperatura sursei de radiație;

σ – constanta Boltzmann;

ε – coeficient de emisivitate.

Traductoarele de temperatură

Traductorul este definit ca și un dispozitiv care are rolul de a convertii o mărime de o anumită natură fizică într-o mărime de altă natură fizică.

În practică, cele mai multe traductoare au ca și semnal de ieșire un semnal electric calibrat corespunzător unei anumite stări sau situații de măsurat.

Structura generală a unui traductor

Semnalul care se obține la ieșirea elementului sensibil ES prezintă de cele mai multe ori o pronunțată neliniaritate și, în același timp este nestandardizat, neavând limitele de variație calibrate.

Prin intermediul elementului de legatură și de transmisie sunt realizate conexiuni de natură electrică, mecanică, optică, termică sau de altă natură.

Rolul adaptorului este acela de a prelua semnalul de la elementul sensibil și a-l transforma în semnal electric calibrat, proporțional cu parametrul de proces, prin intermediul unor operații cu caracter liniar sau neliniar.

Din considerente de compatibilitate a traductoarelor produse de firme diferite, s-au adoptat limite variație unificate (standard) a semnalului electric calibrat de ieșire.

Exemple:raspuns in tensiune -5-+5 V

-10-+10 V

raspuns în curent 0-20 mA

1-5mA

4-20mA(cea mai folosită gamă)

Tipuri de traductoare de temperatură:

Traductoare cu semiconductori;

Termocuplu;

Traductoare cu rezistență variabilă;

Termistorul;

Termocuplul:

Fig 3.1 Termocuplu-Principiul contructiv

Relația dintre temperatura unei substanțe și energia electrică se numește termoelectricitate. Dacă variația energiei electrice care este datorată conversiei energiei termice poate fi măsurată, atunci acestea pot fi puse în concordanță cu temperatura substanței.

Atunci când doua metale diferite sunt sudate formând o buclă închisă și cele doua joncțiuni se afla la temperaturi diferite, bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferența dintre temperaturile joncțiunilor. Această formulare reprezintă efectul Seebeck folosit la măsurarea temperaturii.

Fig 3.2 Termocuplu-Principiul de funcționare

În momentul în care cele două joncțiuni sunt la aceiași temperatură, tensiunea electromotoare netă este nulă. Din clipa în care temperatura uneia dintre cele doua joncțiuni se schimbă, va apărea o tensiune electromotoare netă, care va crește odată cu creșterea diferenței de temperatură dintre joncțiuni. Acesta este principiul de funcționare a termocuplului.

Pentru o bună acuratețe a rezultatelor, joncțiunea rece (sau joncțiunea de referință) este necesat a fi menținută la o temperatură constantă, eliminând astfel erorile.

Metalele uzuale care sunt folosite pentru construcția termocuplelor sunt rodiul, aliajele de nichel și crom, aliajele de aluminiu și nichel sau aliajele de nichel si cupru. Metalele care sunt puse în pereche cu acestea sunt platina, cuprul si fierul.

Termocuplurile de tip B – prezintă în caracteristica lor zone cu valori duble (zone de ambiguitate). Datorită acestei zone si a coeficientului Seebeck extreme de mic termocuplul de tip B nu se poate folosi sub temperature de 50 grade Celsius.

Fig 3.3 Caracteristica termocuplelor de tip B

Termocuplurile de tip E – se utilizează pentru măsurarea temperaturilor joase pentru că coeficientul Seebeck este mare (58μV/°C), conductibilitate termică mică și rezistență la coroziune ridicată.

Termocuplurile de tip J – este confecționat din fier, un metal ieftin utilizat rar în formă pură. Datorită impurităților din fier termocuplul de tip J are caracteristici modeste. Este utilizat totuși la scară largă datorită coeficientului Seebeck mare si a costului scăzut.

Termocuplurile de tip T – are avantajul unic de a avea conductorii de același tip cu termocuplul, nefiind necesară o compensare. Acest lucru poate insemna un mare avantaj în situatiile de monitorizare când se cere diferența de temperatură.

Fig 3.4 Termocuplu de tip T

Termocuplurile de tip K – posedă avantajul considerabil de a avea panta caracteristicii tensiune-temperatură între 0 °C și 1000 °C aproape constantă.

Conversia tensiune-temperatură

Tensiunea de ieșire în funcție de temperatură pentru cele mai răspândite termocuple arată astfel:

Fig 3.5 Caracteristica tensiune-temperatură

Fig 3.6 Termocuplu

Tabel 3.1 Tipuri de traductoare de temperatură

Termistorul

Particularitatea de bază a termistorului este aceea de a-și schimba reyistența electrică în funcție de temperatura lui absolută. Rezistența electrică a termistorului scade odata cu creșterea temperaturii, fapt ce duce la denumirea de termistori cu coeficient negativ de temperatură (NTC) [13].

Avantajul major al unui termistor fața de restul traductoarelor de temperatură îl reprezintă sensibilitatea acestuia. În același timp însa această creștere a sensibilității accentuează neliniaritatea, facând ca parametrii lui să fie puternic dependenți de procesul de fabricație.

Termistorii sunt fabricați din amestecuri de oxizi de Crom, Nichel, Cobalt, Mangan si pulbere fină de cupru.

Termistorii pot avea o serie de forme geometrice, precum: bară, disc sau mărgea, prezentate mai jos:

Fig 3.7 Tipuri de termistori

Termistorii pot fi fabricați in dimensiuni foarte mici dar în același timp având rezistențe mari și un raspuns rapid la variațiile de temperatură.

Termorezistențele

Termorezistențele acoperă un larg domeniu de temperaturi, fiind folosite în la măsurarea temperaturii lichidelor, gazelor, a temperaturii unor solide.

Termorezistențele sunt caracterizate de o bună acuratețe dar în același timp de un raspuns lent în timp, fiind destul de fragile si chiar, uneori, scumpe.

Principiul de funcționare al termorezistențelor este bazat pe aceea proprietate a metalelor de a produce o sarcină electrică atunci când li se modifică brusc temperatura.

În prezent exista mai multe tipuri de termorezistențe. Firele de platină, în general, sunt răsucite împreună fiind apoi introduse într-un tub de sticlă sau ceramică. Această abordare este denumită de tip spirală. O altă structură este cea de tip colivie.

Fig 3.8 Termorezistențe

Comparație între traductoarele de temperatură:

În Tabelul 3.1 este prezentată o mica comparație între cele 3 traductoare de

temperatura prezentate anterior, având în considerare diferite criterii [13].

Tabel 3.2 Comparație între traductoarele de temperatură

Atât termistorul cât și termorezistența necesită o sursă de excitare pentru funcționare, în timp ce termocuplul necesită o joncțiune rece compensatoare.

Termorezistența oferă cea mai bună precizie la măsurare, la un cost redus.

Reglarea automată a temperaturii în reactoare chimice

Instalațiile tehnologice care necesită realizarea unei reglări a temperaturii se împart în trei categorii:

Instalații tehnologice în care produsul care este încălzit sau răcit nu realizează transfer termic – acesta este cazul cuptoarelor industrial si a instalațiilor frigorifice în care se urmărește menținerea unei valori constant a temperaturii sau realizarea unei variații a temperaturii în funcție de unele prescripții tehnologice. Reglarea temperaturii se poate realize cu un sistem automat continuu sau discontinuu.

Instalții tehnologice în care produsul care este încălzit sau răcit realizează transfer termic – acesta din urmă este cazul schimbătoarelor de căldură, cuptoarelor folosite pentru tratamente termice, în general instalații tehnologice în care perturbațiile sunt cauzate de către fluxul de fluid. În aceste instalații se poate realize o reglare a temperaturii continuă sau discontinuă.

Instalații tehnologice care au surse interne de căldură – în această categorie se încadrează instalațiile tehnologice ce se referă în general la reactoare chimice, nucleare, nuclear-electrice atât endoterme cât și exoterme.

Sursa bibiliografică a informațiilor care vor fi prezentate în continuare este[cursuri SCPC], unde sunt prezentate principalele noțiuni referitoare la reactoarele chimice, alături de principalele noțiuni legate de structurile de reglare a temperaturii în interiorul reactoarelor chimice.

Reactoare chimice – generalități

Reactoarele chimice sunt instalații de o foarte mare importanță pentru industria chimică, în interiorul cărora au loc o serie de procese de transformari chimice, masice și schimb de căldură.

În majoritatea cazurilor de aplicații industriale, reactoarele chimice se clasifică din punct de vedere funcțional în:

Reactoare chimice cu amestecare (stirred tank)– simplitatea constructivă cu acces ușor pentru curățenie și mentenanță, posibilitatea implementării relative simple a unor sisteme de control, perecum și costurile scăzute de exploatare fac din acestea o variant foarte populară.

Reactoare chimice tubular (plug-flow tank) – sunt reactoare în funcționarea cărora apar dependențe în raport cu timpul și în raport cu coordonatele spațiale ale utilajelor.

Pe lângă această clasificare, mai există reactoare chimice cu funcționare continuă sau discontinuă (șarjă). Preferabilă este folosirea funcționării continue pentru că se poate obține un produs cu proprietăți consistente, se optimizează consumul de energie și se poate obține o productivitate mai ridicată prin reducerea perioadelor de inactivitate.

Atunci când reglarea temperaturii reprezintă un punct critic, cele mai utilizate reactoare pentru procesele industriale sunt reactoarele chimice cu amestecare și funcționare continuă (RRCA).

Modelul unui reactor chimic continuu cu amestecare este prezentat in figură

Fig 3.9 Reactor chimic

Semnificația notațiilor din Figura 3.9 este următoarea:

q – debitul de ieșire (amestec care conține produsul de reacție și reziduu, partea din reactant care nu s-a transformat în produs) ;

qi– debitul de intrare ;

c – concentrația molara a amestecului de la evacuare;

ci – concetrația molara a reactantului la alimentare;

T – temperatura amestecului din reactor, care va fi egala cu temperatura amestecului de la evacuare;

Ti – temperatuta reactantului la alimentare;

Tr – temperatura agentului de racire .

Agentul de răcire se introduce în pereții dublii ai reactorului pentru a asigura răcirea acestuia. Prin intermediul unui agitator este amestecat produsul din interiorul reactorului.

Sistemele de reglare pentru reactoarele chimice au sarcină diferită în funcție de modul de funcționare al reactorului în sine. În cazul reactoarelor chimice discontinue cu amestecare, sistemul de control este un sitem de urmărire, care are rolul de a asigura mărimea de comandă astfel încât temperature produsului de reacție sa urmărească o traiectorie prestabilită. În cazul ractoarelor chimice continue cu amestecare, sistemul de control are rolul de a asigura menținerea valorii temperaturii produsului de reacție la o valoare prestabilită, și pentru variant în care sunt prezente perturbețiile.

Reglarea temperaturii unui reactor chimc

O structura de reglare simpla a unui reactor chimic continuu cu amestecare este

prezentata în Figura 3.11:

Fig 3.10 Structura de reglare a temperaturii unui RCCA

Principala problemă în funcționarea unui reactor chimic exoterm o reprezintă reglarea temperaturii, deoarece are rol important în obținerea unor valori dorite pentru concentrație, randament, coeficient de conversie sau siguranță.

Reglarea temperaturii are loc prin asigurarea unei suprafețe contact (de schimb termic) mare și prin asigurarea unei cantități de agent termic suficientă pentru a putea rejecta perturbațiile dinamice.

Pentru bucla de reglare de mai sus, se poate observa ca o variație a temnperaturii agentului de răcire va produce o modificare în temperatura produsului de reacție.

Traductorul de temperatură (TT) achiziționează valoarea temperaturii amestecului din interiorul reactorului și o transmite reagulatorului de temperatură (TC), care realizează o comoparație cu o temperatură de referință (Tref). Sarcina regulatorului este aceea de a modifica semnalul de comandă (u) astfel încât această diferență obținută în urma comparației să tindă spre 0.

Pentru a verifica buna comportare a unui RCCA trebuie calculat indicele de stabilitate al reactorului (ISR):

unde:

T- temperatura amestecului din reactor;

Tr – tempertura agentului de racire în manta;

Tri – temperatura agentului de racire la intrare.

Se urmărește o valoare a indicelui de stabilitate cuprinsă între 0.5 și 0.6. Pentru a micșora valoarea indicelui de stabilitate, o soluție o reprezintă marirea suprafeței de transfer termic a agentului de răcire sau mărirea coeficientului de transfer termic.

Reglarea în cascadă a temperaturii unui reactor chimic

Schema de reglare în cascada a temperaturii unui reactor chimic este prezentata in

fig

Figura 3.11 Schema de reglare în cascada a temperaturii unui RCCA

Pentru o mai buna întelgere a schemei de reglare, am realizat stuctura din Figura 3.13:

Figura 3.12 Structura de reglare în cascada a temperaturii unui RCCA

În cazul metodei de reglare în cascadă, bucla internă corespunde unui process mai rapid, care are o constant de timp mai mică decât cea a sistemului din bucla exterioară. Tocmai această așezare evidențiază avantajul principal al acestei structure de reglare și anume faptul că regulatorul din bucla interioară rejectează perturbația într-un timp foarte scurt, având o influență nesemnificativă asupra mărimii reglate.

Alte avantaje ale structurii de reglare în cascadă sunt: posibilitatea de a împărții sistemul în subsisteme precum și posibilitatea limitării unor mărimi din sistem datorită existenței reacțiilor negative după respectivele mărimi.

În exemplul de mai sus, comanda regulatorului din bucla externă reprezintă mărimea de referință pentru regulatorul din bucla internă. Regulatorul TC2 controlează temperatura agentului de răcire (Tr) astfel încât temperatura amestecului din reactor (T) să nu fie afectată într-un mod semnificativ perturbația (Ti).

Analiză și Fundamentare Teoretică

Automatul programabil

Automatul programabil (AP) sau controlerul logic programabil (PLC) reprezintă o alternativă reutilizabilă, ieftină, flexibilă și sigură la panourile cu relee cablate.

Un controler logic programabil (PLC) este un dispozitiv electronic digital, realizat cu scopul de a controla mașini și procese. Are avantajul considerabil de a putea fi programat fără aptitudini speciale și de a fi întreținut de către tehnicienii fabricii.

PLC-urile dezvoltate recent include module care realizează o serie de funcții: operații aritmetice și de secvențiere, analiza datelor, comunicații, bucle de control automat.

Principalele avantaje ale utilizării PLC-urilor sunt următoarele:

Flexibilitate: Modificările la nivel software realizate in cazul PLC-urilor sunt mai ușor de implementat decât modificărilela nivel hardware, fapt ce ofera PLC-urilor posibilitatea de a conduce mai multe operații diferite.

Siguranța: Dispozitivele electronice din componența PLC-urilor sunt mai ușor de întreținut și mai sigure decât temporizatoerele și releele mecanice.

Simplitatea programării: introducerea diagramelor Ladder a ușurat accesul la mediul de programare.

Posibilități de testare: Există posibilitatea ca programul să fie rulat și depanat înainte de a fi instalat definitive. Pot fi evaluate în limita unor costuri foarte mici erorile care apar, precum și posibilitățile de dezvoltare a programului. Mediile de programare permit o monitorizare în timpul rulării pentru faza de testare.

Cost scăzut: automatul programabil are capacitatea de a îndeplinii o serie de funcții la un preț scăzut.

Documentare: PLC-ul are capacitatea de a genera în orice moment configurația echipamentelor sau a programelor de aplicații.

În principal, un PLC conține o unitate centrală (CPU), o unitate de memorie care poate fi exclusiv citită (ROM), o unitate de memorie cu acces aleator (ROM), precum și interfețele de intrare și ieșire prin care se realizează legătura cu procesul.

Schema bloc a unui automat programabil este prezentată in figură. Notația de semnal de la proces reprezintă semnale de intrare de la senzori sau butoane, în timp ce semnalele de comandă de la ieșirea automatului controlează elementele de execuție din process cum ar fi motoare, valve sau încalzitoare[4].

Fig. 4.1 Schema bloc a unui automat programabil

PLC SIEMENS 314C-2 DP

Date tehnice

Tabelul 4.1 Date tehnice

Componente

PLC-ul SIEMENS 314-2 DP este prevăzut cu două module: un modul digital, cu 24 de intrări și 16 ieșiri, și un modul analogic cu 5 intrări și 2 ieșiri.

Fig. 4.2 PLC 314C-2 DP

Număr Semnificație

1 Starea automatului

2 Slot pentru SIMATIC Micro Memory Card cu aruncător

3 Conexiuni pentru modulele I/O integrate

4 Conexiune pentru sursa de alimentare

5 Interfață X2 (PtP sau DP)

6 Interfață X1 (MPI)

7 Intrerupător de selecție mod

Semnificația LED-urilor de pe panoul PLC-ului este prezentată în tabelul 2.2

Tabel 4.2 Semnificația LED-urilor pentru PLC SIEMENS 314C-2 DP

Figura 4.3 prezintă intrările și ieșirile analogice și digitale integrate unității CPU, cu capacele deschise.

Fig. 4.3 Intrările și ieșirile analogice și digitale integrate unității CPU 314-2 DP

Număr Semnificație

1 I/O analogice

2 fiecare cu 8 intrări digitale

3 fiecare cu 8 ieșiri digitale

Tabel 4.3 Semnificația pozițiilor comutatorului de pe CPU

Shema modulului analogic al PLC-ului, cu alocarea canalelor și adreselor este prezentată în figura. Sunt disponibile 8 intrări digitale și patru intrări analogice precum și 2 ieșiri analogice.

Fig. 4.4 Schema modulului analogic și modul de alocare a adreselor

Modulul digital permite conectarea a 16 intrări digitale și a 16 ieșiri digitale. Schema modulului este prezentată în continuare:

Fig. 4.5 Schema modulului digital și modul de alocare a adreselor

Unitatea centrală de prelucrare a PLC-ului dispune de mai multe zone de memorie:

Memoria încărcabilă

Memoria încărcabilă se găsește pe SIMATICMicroMemoryCard. Aceasta este folosită pentru a stoca blocurile de cod, blocurile de date și datele sistem (configurație, conexiuni, parametrii modulelor etc.).

Memoria sistem

Memoria RAM de care dispune sistemul este integrată în CPU și nu poate fi accesată. Memoria RAM conține:

Spațiu de adrese pentru adresele biților de memorie, timer-elor și counter-elor

Imaginea I/O

Date locale

Memoria de lucru

Memoria de lucru este parte integrantă a CPU făra posibilitatea de a fi extinsă. Este folosită pentru a rula codul utilizator. Programele pot fi rulate exclusiv în memoria de lucru și memoria sistem.

Date tehnice Siemens S7-300

Automatele programabile din familia SIMATIC S7-300, au fost create cu scopul de a satisface cerințele de control și de rezistență în timp și într-un mediu industrial dificil. Automatele pot fi extinse cu ușurință prin adăugarea modulelor de intrare și ieșire, modulelor funcționale și modulelor de comunicație.

În funcție de mărimea și de complexitatea aplicației ce se dorește a fi implementată, automatul programabil poate fi ales dintr-o gamă mai largă, în funcție de performanțe, capacitate și interfețe de comunicare.

Pentru a crea un program sunt disponibile o serie de limaje de programare: Statement List (STL), Ladder Diagram (LAD), Function Block Diagram (FBD) și limbajele de nivel înalt: structured text (ST) și sequential function chart (SFC). Acestea sunt conforme cu standardul IEC61131-3 fiinf folosite în întraga lume ca un standard internațional.

Automatele din seria SIMATIC S7-300 pot fi utilizate într-o configurație modulară fără să fie nevoie să se adauge modulede intrare sau ieșire. Acest lucru îl face posibil modulul ET200, atât pentru configurații centralizate cât și pentru configurații distribuite.

PLC-urile din seria SIMATIC dispun de numărătoarede mare viteză, de până la 60 kHz în funcție de tipul de PLC utilizat din seria S7-300. Numărătoarele sunt folosite pentru numărare și pentru a măsura viteza de rotație prin intermediul encoderelor incrementale. Controlul unor elemente din sistem se poate realiza cu ușurință pentru că automatele au incorporate ieșiri ce permit modularea în lățime a impulsurilor.

Seria de automate CPU 314C oferă soluții foarte bune pentru sisteme în care este necesară poziționarea precisă.

Există implementate regulatoare PID standard ce pot fi adaptate ușor prin conectarea unor funcții, spre sau de la un proces tehnologic. Aceste regulatoare se pot utiliza în cazul unor bucle de control medii și mici: controlul temperaturii, reglarea debitului, reglarea nivelului sau controlul presiunii.

Sunt presetate câteva tipuri de reglare cum ar fi:

Bucle multiple pentru reglarea de raport

Reglarea amestecului

Reglarea în cascadă

Reglare feed-forward

Unitățile centrale de procesare (CPU 314C-2DP) din seria SIMATIC S7-300 sunt echipate cu intrări și ieșiri analogice și digitale integrate, cu porturi de comunicații (interfața DP și MPI) oferind funcții tehnologice cum ar fi: controlul poziției, cnectarea la encodere incrementale și modulație în impulsuri (PWM) pentru acționarea valvelor, numărarea la viteze mari.

Tehnologia folosită în familia SIMATIC, elimină nevoia folosirii de hardware și software adițional prin integrarea funcționalității de control direct în CPU-ul standard.

Pe langă aceasta cele două interfețe de comunicare asigură realizarea mai ușoara a conexiunilor.

Caracteristici STEP7

Pentru programarea automatelor programabile de tipul S7 – 300, precum și al altor automate se folosesc mai multe limbaje și metode de programare cum ar fi Ladder Diagram, Statement List și Function Block Diagram, limbaje include în pachetul software Step7. De amintit este faptul că programarea automatelor se poate realiza doar dupa instalarea automatului și realizarea configurație hardware a componentelor sale.

Mediul de programare Step7 are în componența sa un editor ce se poate folosi pentru toate cele trei moduri de programare. Ladder diagram și Function Block Diagram sunt limbaje grafice, folosirea lor fiind mai ușoara, în timp ce Statement List se bazează pe o listă de instrucțiuni.

Limbajul grafic Ladder diagram permite realizarea de programe prin conectarea în serie sau paralel a diferitelor contacte închise sau deschise, în timp ce în limbajul Function Block Diagram programele se realizeză prin folosirea de simboluri pentru funcțiile logice ȘI, SAU, NOT. Cea mai obișnuită metodă de descriere a circuitelor logice cu relee se realizează prin intermediul diagramelor Ladder. Utilizat inițial pentru a reprezenta circuite electrice, limbajul s-a impus prin simplitatea utilizării și în cazul automatelor programabile.

Limbajul STL, limbaj bazat pe o listă de instrucțiuni, este un limbaj foarte asemănator limbajului de asamblare folosit în cazul microprocesoarelor. În cazul Limbajului STL programul va apărea sub forma unei liste cu instrucțiuni unde fiecare linie definește o funcție ce urmează a fi realizată, eventual o etichetă sau o adresă.

Limbajul în care se dorește realizarea programului pentru automatul programabil se poate alege la începutul programului sau pe parcurs, pentru că majoritatea funcțiilor sunt compatibile pentru cele 3 limbaje diferite. În cadrul aceluiși bloc de instrucțiuni se pot alege metode diferite de programare.

Fig. 4.6 Exemplu Step7 în cele 3 limbaje

Programele automatului pot fi editate sub forma unor blocuri. Aceste blocuri organizaționale constituie interfața dintre sistemul de operare de pe unitatea centrală și programul utilizator. Cele trei moduri de programare amintite mai sus presupun o procesare la nivel de bit a informației, existând în același timp posibilitatea de manipulare la nivel de octet sau de bit. Sistemul de operare de pe unitatea centrală care este salvat pe un card de memorie atunci când apare un eveniment, apelează blocurile de la începutul programului folosind diverse clase de prioritate sau nivele de execuție. Blocul care are rol de program principal în cadrul aplicației ce va fi interpretată de automat se numește OB1. În acest bloc OB1 trebuie încărcate funcțiile și aplicațiile ce vor rula la execuția programului.

Programarea folosind diagramele Ladder presupune aranjarea elementelor grafice ale aplicației. În această structură a programului care este organizată în rețele (Network 1..n) se pot poziționa contacte, bobine (analogice cu diagrame electrice) sau cutii. Majoritatea acesto elemente au nevoie de o identificare care se realizeză printr-o adresă sau etichetă. Contactele sunt folosite ca și simboluri pentru intrari , în timp ce pentru prin aranjarea în serie sau în paralel a acestora se pot realiza diferite operații logice asupra stării semnalelor. Contactele normal închise sunt asociate valorii 1 a semnalului reprezentat, în timp ce , contactele normal deschise sunt asociate valorii 0 a semnalului de intrare.

Fig. 4.7 Tipuri de contace pentru diagramele Ladder

Bobinelor li se atribuie de obicei ieșirile din automatul programabil. În cazul în care rezultatul este 1 atunci bitul de la adresa bobinei este setat. Existe de asemenea și bobine de salt într-un loc anumit din programul automatului.

Fig. 4.8 Tipuri de contacte pentru diagramele Ladder

Elementele din program care nu prezintă o funcționare binară sunt reprezentate prin cutii (boxes). Cutiile reprezintă mai multe tipuri de funcții și pot fi cu validare sau fără validare.

Fig. 4.8 Simboluri Ladder

Statia de lipit (Letcon) SOLOMON SL-30

Fig. 4.9 Stația de lipit SOLOMON SL-30

Statia de lipit SOLOMON SL-30 este un sistem de control al temperaturii care permite reglarea temperaturii în intervalul 160°C-480°C și care are în componență un display digital LED.

Elementul de încălzire(heater-ul) este alimentat la o tensiune de 24 V, puterea electrica debitată fiind de 48 Watti.

Fig. 4.10 Componente SOLOMON SL-30

Suport de siguranță

Display temperatură

Cablu silicon rezistent la temperaturi ridicate

Mâner

Guler

Încalzitor

Vârf

Teacă protecție

Switch alimentare

Buton reglare temperatură

Burete curățare

Suport din fier

Conexiunea dintre stația de lipit și PLC se realizează după cum este prezentat în figura 4.2.3:

Automatul programabil comunica cu echipamentul folosit(stația de lipit) prin intermediul a două intrări analogice AI0 și AI1 precum și printr-o ieșire digitală DO1 prin intermediul căreia automatul va comanda releul plasat în interiorul stației.

Fig. 4.11 Schema de principiu a sistemului de reglare a temperaturii

Pentru amplificarea semnalelor primate de la PLC am realizat un etaj de amplificare folosind un circuit integrat HA17358 reprezentând un amplificator operational dual.

Fig. 4.12 Circuitul integrat HA17358

Schema după care s-a realizat etajul de amplificare este prezentată în figura 4.12:

Fig. 4.13 Schema de realizare a etajului de amplificare

R1-Rezistență 10KΩ

Rr-Rezistență 40KΩ

Amplificarea introdusă de acest circuit se calculează după următoarea formulă:

În cazul nostru datorită valorilor pe care le au rezistențele R1 respectiv Rr valoarea amplificării va fi de 5.

Proiectare de Detaliu si Implementare

Detvoltare aplicativă

Primul pas în procesul de achiziție a datelor îl reprezintă folosirea unui program scris în limbaj ladder prin intermediul software-ului STEP7.

Următorul pas îl constituie crearea unui bloc ciclic OB1 respectiv a unui bloc cu întreruperi OB35, în care se insereză o funcție bloc FB58, funcție utilizată pentru a implementa un regulator PID pentru controlul temperaturii.

Acestei funcții bloc FB58 i se asociază un bloc de date DB58. Pentru achiziția datelor trebuie modificate valorile parametrilor prezentați în tabelul 5.1, restul parametrilor rămânând neschimbați.

Tabelul 4.4 Parametrii pentru achiziția datelor

Odată setați acești parametrii, semnalul de comandă al releului va fi un semnal de tip PWM (Pulse Witdh Modulation), adică un semnal modulat în lațimea impulsurilor. Astfel la fiecare 3 secunde, releul va cupla și va sta închis 0.18 secunde.

Identificarea experimentală a procesului s-a făcut folosind răspunsul indicial al sistemului. Modul de lucru va fi setat manual, astfel încât să se determine răspunsul procesului la o treaptă de tensiune de 0.6 V fără să luăm în considerare existența unui regulator.

Ultimul pas în achiziția datelor îl reprezintă realizarea unei aplicații în SIMATIC WinCC Flexible în care se va insera proiectul anterior creat în SIMATIC Step7. În aplicația cretă in WinCC Flexible este realizată conexiunea cu ieșirea senzorului de temperatură. Valorile primte de la senzor se înregistrează cu o perioadă de eșantionare de 1 secundă și vor fi memorate într-un fișier temperatură.csv.

Marimea de ieșire a datelor înregistrate în fișierul temperatură.csv au valori foarte mari care depășesc valoarea de 10400, aceste valori fiind achiziționate în decimal. Pentru scalarea acesto valori în vederea obținerii valorilor mărimii de ieșire în grade Celsius se utilizează următoarea formulă:

Pentru fiecare dintre experimente s-a citit valoarea semnalului de la senzor până la stabilirea acestuia la o valoare particulară.

Se vor calcula parametrii modelului sistemului cu ajutorul interpretării reprezentării grafice a răspunsului indicial. Folosind această metodă modelul dinamicii sistemului va putea fi determinat de o funcție de transfer de ordinul 1:

unde: kf – constanta de proporționalitate;

Tf- constanta de timp a procesului (sec);

Din răspunsul procesului, ilustrat în Figura 5.2 se oberva ca procesul are o funcție de transfer de ordinul 1.

Deoarece în continuare se va urmării realizarea unei structure de gain-scheduling, se efectuează trei achiziții separate conforme cu trei puncte de funcționare diferite la temperaturile de 120°C, 250°C și 380°C.

Tabel 4.5 Date achiziționate în urma procsului de identificare pentru primul interval

Tabel 4.6 Date achiziționate în urma procsului de identificare pentru al doilea interval

Tabel 4.5 Date achiziționate în urma procsului de identificare pentru al treilea interval

Fig. 5.1 Raspunsul sistemului la intrare treaptă pentru primul interval

Se calculează factorul de amplificare:

Kf=yst/ust=14.2361/2=7.1181

Se calculează constanta de timp a părții fixate ca fiind timpul după care răspunsul sistemului ajunge la 63.4% din valoarea de regim staționar: Tf=323[s].

Fig. 5.2 Raspunsul sistemului la intrare treaptă pentru al doilea interval interval

Se calculează factorul de amplificare:

Kf=yst/ust=11.0677/4=2.7669

Se calculează constanta de timp a părții fixate ca fiind timpul după care răspunsul sistemului ajunge la 63.4% din valoarea de regim staționar: Tf=195[s].

Fig. 5.3 Raspunsul sistemului la intrare treaptă pentru primul interval

Se urmărește determinarea parametrilor Kf și Tf.

Se calculează factorul de amplificare:

Kf=yst/ust=9.2231/4=2.3058

Se calculează constanta de timp a părții fixate ca fiind timpul după care răspunsul sistemului ajunge la 63.4% din valoarea de regim staționar: Tf=113[s].

Calculul regulatoarelor

Pentru calculul regulatoarelor s-au utilizat informații dobândite din sursele [1] și [3].

Schema bloc a sistemului este o schema de reglare monocontur, ca cea prezentata în următoarea figură:

Fig 5.4 Structura de reglare monocontur

Semnificațiile notațiilor sunt:

• r – marimea de referința;

• y – marimea de ieșire;

• Ԑ – marimea de abatare (eroarea);

• u – marimea de comanda.

Funcția de transfer a părții fixate are forma:

Considerăm sistemul închis având structura de ordin II:

Putem scrie mai departe:

Funcția de transfer a regulatorului are forma:

Metoda Gain-Scheduling este una din metodele folosite în controlul proceselor neliniare. Această metodă propune o abordare liniară în controlul unor procese neliniare prin împărțirea caracteristicii de funcționare a unui sistem (răspunsul sistemului la o intrare anume) în mai multe intervale care vor fi considerate și tratate ca fiind liniare.

În cazul aplicației prezentate, din cauza unei neliniarități pronunțate a procesului, am încercat împărțirea caracteristicii de funcționare a procesului de reglare a temperaturii în trei intervale distincte.

S-a realizat identificarea proceselor pe toate cele trei intervale și s-au calculat trei regulatoare corespunzătoarea celor trei intervale.

Implementarea metodei Gain-Scheduling s-a realizat în mediul de programare Step7 prin limbaj Ladder după cum se poate observa în următoarea figură:

SIMATIC Step7

Crearea unui proiect

STEP 7 este pachetul software standard folosit pentru a configure și programa automatele programabile din familia SIMATIC. Corespunzător acestor automate programabile din seria SIMATIC de la Siemens, există mai multe versiuni pentru pachetul Step7 Standard. În cadrul acestei aplicații vom folosii pachetul Step7 pentru seria de automate Siemens SIMATIC S7-300/S7-400.

Crearea unui proiect în Step7 presupune parcurgerea unor pași de lucru prezentași în figura 5.2.

Fig 5.5 Crearea unui proiect în Step7

Prima fereastră care se dechide atunci când Step7 este pormit, este fereastra SIMATIC Manager (figura 5.2.2). De aici utilizatorul are acces la toate opțiunile oferite de pachetul Step7.

Mediul de programare SIMATIC Step7 se pornește din Windows -> Start -> SIMATIC ->SIMATIC Manager.

Figura 5.6 Fereastra principală SIMATIC Manager

Crearea unui proiect nou în SIMATIC Manager se poate realize în două moduri: prin intermediul opțiunii New Project Wizard sau fără să folosim Wizard-ul așa cum este prezentat în figura de mai sus.

În continuare se va prezenta variant în care este folosit wizard-ul. În acest caz se vor urma 4 pași pentru crearea unui nou proiect care sunt prezentați în figura 5.3. Acești 4 pași constă în alegerea unui tip de CPU, a blocurilor de organizare folosite, a modului de programare și a numelui proiectului. Pentru cazul proiectului nostru configurația este următoarea: CPU 314C-2 DP(1) cu bocurile de organizare OB1 și OB35 iar limbajul de programare ales este LAD (Ladder logic).

Fig 5.7 Crearea unui nou proiect cu Project Wizard

În cazul în care nu se alege varianta în care se folosește Wizard-ul toate aceste componente se vor adăuga individual folosind Hardware Configurator.

Figura 5.8 Hardware Configurator

În dreapta ferestrei este poziționată lista de componente disponibilă pentru configurarea software a automatului astfel încât acesta sa corespundă cu automatul programabil propriu-zis. Trebuie aleasă o șină “rack” pe care urmează sa fie atașate componentele. Șina urmează sa fie aleasă din librăria SIMATIC 300 acolo unde vom găsi și automatul CPU 314C-2 DP(1), pe care îl vom adăuga în „rack”. Pasul următor în definitivarea configurării este alegerea modulelor de extensie pentru intrări analogice și digitale. În cazul proiectului de față nu este nevoie de adăugarea unor astfel de module pentru că ele fac parte din componența standard a autpmatului CPU 314C-2 DP(1) dar și pentru că standul experimental dispune de un automat programabil care nu are în componenșă astfel de module în plus.

Pentru modulul analogice este necesar să fie setate intrările și ieșirile ca în figura 5.9.

Figura 5.9 Atribuirea adreselor intrărilo și ieșirilor analogice

Intrările analogice vor fi adresate în modul următor : PIW256 până la PIW265.

Ieșirile analogice vor fi adresate în modul următor : PQW256 până la PQW259.

Intrările digitale vor avea următoarele adrese : I0.0 până la I0.7

I1.0 până la I1.7

I2.0 până la I2.7

Ieșirile digitale vor avea următoarele adrese : Q0.0 până la Q0.7

Q1.0 până la Q1.7

Pentru modulul digital este necesar să fie setate intrările și ieșirile ca în figură :

Figura 5.10 Atribuirea adreselor intrărilor și ieșirilor digitale

Blocuri

Blocul OB1 :

Blocul de organizare principal pentru execuția ciclică a programului în care poate fi scris programul sau pot fi apelate funcțiile din care se compune programul.

Blocul OB35:

Blocul OB35 este un bloc de organizare pentru întreruperi ciclice. Mediul de programare SIMATIC Step7 poate genera până la 9 blocuri de Întreruperi ciclice(de la OB30 până la OB38) cu rolul de a întrerupe programul la anumite intervale de timp. Diferența dintre aceste blocuri de întreruperi se face prin perioada de timp predefinită și prin clasa de prioritate. Modelul de procesor care a fost folosit pentru realizarea aplicației, CPU 314C-2 DP, permite utilizarea exclusiv a blocului OB35, a carui particularitate este de a întreurpe programul la fiecare 100 ms și are clasqa de prioritate 12. În cazul aplicației realizate, blocul OB35 a fost folosit pentru a apela funcția bloc FB58, care reprezintă funcșia bloc a regulatorului.

Blocul FB58

Blocul FB58 constituie o funcție de control continuu care este implementată în Step7. Aceasta este utilizată de PLC-urile programate cu ajutorul SIMATIC Step7 pentru control temperaturii proceselor cu semnal de intrare continuu sau sub formă de impulsuri.

Funcționarea blocului FB58 se bazează pe algoritmul regulatorului PID pentru procese de reglare a temperaturii. Semnalul de ieșire debitat de regulator este capabil să comande un singur actuator, lucru ce înseamnă că un regulator este capabil să încălzească sau să recească, dar nu poate efectua ambele operații în același timp.

În timpul atribuirii parametrilor există posibilitatea de a activa sau dezactiva subfuncții ale regulatorului PID pentru o mai bună adaptare a acestuia la proces. Efectele proporțional, integrator și derivativ ale unui regulator PID sunt conectate într-o structură în paralel. Datorită acestui fapt se pot configura toate tipurile de regulatoare P, PI, PD, PID sau chiar și regulatoare pur integratoare sau pur derivative.

Fig 5.11 Schema regulatorului implementat în blocul FB58

În Figura 5.11. este prezentata diagrama bloc a blocului FB58, în care se observa toate mărimile de intrare și ieșire precum și alte funcții suplimentare pe care acest bloc le ofera. Pentru realizarea aplicației s-a implementat un regulator de tip PI utilizând aceasta funcție.

În continuare sunt prezentați parametrii utilizați la realizarea aplicației:

SP_INT – valoarea de referință a procesului.

Valorile care pot fi atribuite acestui parametru sunt cuprinse în intervalul [0 100].

PVPER_ON – comutator pentru selecția masurii procesului interna sau periferica.

PV_PER – masura periferica a procesului

Valorile acestui parametru vor fi cuprinse în intervalul [0 27648].

GAIN –factorul de propor_ionalitate al regulatorului;

Valoarea acestui factor este cea calculata anterior

TI – constanta de timp integratoare a regulatorului

Valoarea acestui factor este cea calculata anterior

TD – constanta de timp derivativa a regulatorului

Deoarecere regulatorul nostru este de tip PI, acest parametru va avea valoarea 0;

ER – marimea de eroare

Reprezinta diferența dintr valoarea de referința a procesului și valoarea de ieșire a procesului;

MAN_ON – comutator pentru alegerea modului de lucru:

1 – mod manual, bucla de control este inactiva

0 – mod automat, bucla de control este activa

Pentru aplicația prezentată, modul de lucru va fi manual în momentul achiziției datelor și automat pentru verificarea regulatorului.

MAN – marimea de comanda a elementului de execuție

Pentru aplicația prezentata, valoarea parametrului va fi 4(%) pentru achiziția datelor, iar la implementarea regulatorului aceasta va fi generata automat de catre acesta;

LMN – comanda regulatorului, cu valori cuprinse în intervalul [0 100];

LMN_PER – comanda regulatorului scalata pentru a avea valori în intervalul de lucru al elementului de execuție, fiind cuprinsa în intervalul [0 27648];

QPULSE – generator de impulsuri

Se va seta 1, pentru comanda releului din încalzitor utilizând semnal de tip PWM;

CYCLE – durata de timp dintre doua apelari succesive ale regulatorului

Valoarea parametrului CYCLE va fi setata la 1 secunda;

CYCLE_P – perioada de eșantionare a generatorului de impulsuri

În cazul nostru va fi setata la 0.1 milisecunde;

PER_TM –perioada PWM-ului.

Blocul DB58 – reprezintă blocul de date al regulatorului

DB58 este un bloc de date instanțiat automat în momentul apelării funcției bloc FB41. Acest bloc cuprinde toți parametrii regulatorului folosiți în funcția bloc FB58 cu valorile corespunzătoare.

SIMATIC WinCC Flexible

În condițiile evoluției mediului industrial în care procesele devin din ce în ce mai complexe, operatorul are nevoie de o transparență ridicată. Soluția pentru această problemă o reprezintă interfețele om-mașină (Human Machine Interface). Aceste sisteme HMI reprezintă interfața dintre om (operatorul) și procesul condus (mașină).

Automatele programabile sunt echipamentele care controlează desfășurarea procesului. Se creează astfel o interfață între operator și WinCC flexible (dispozitivul HMI) și o altă interfață între WinCC flexible și automatul programabil.

Caracteristicile unui system HMI sunt:

Vizualizarea procesului: procesul poate fi monitorizat pe dispozitive HMI (Operating Panel- OP, Multi Panel- MP, Touch Panel- TP, PC). Imaginile afișate pe dispozitivul HMI sunt actualizate continuu fiind în concordanță cu ceea ce se întâmplă în câmp.

Posibilitatea de control asupra procesului: Operatorul are posibilitatea de a controla procesul prin intermediul interfeței grafice. De exemplu, operatorul poate seta anumite valori de referință pentru controlul unor echipamente (motor) sau poate controla direct pompe, ventile sau alte componente ale procesului.

Afișarea alarmelor: Alarmele sunt folosite pentru a semnala starile critice din process, astfel încât operatorul să poată intervenii în timp util penru evitarea unor defecțiuni majore. De exemplu, în cazul unei reglări dacă se depășește valoarea presetată pentru o referință poate cauza efecte negative importante în cadrul unui sistem.

Stocarea variabilelor de process și a alarmelor: Sistemele HMI pot sa creeze baze de date în care ulterior pot fi stocate valori ale unor variabile de proces sau alarme (Data Logs). Această facilitate permite înregistrarea unor secvențe din proces și analiza lor pentru a imbunătății procesul de producție.

Parametrii de funcționare: Parametrii ce caracterizeză un proces sau o masină se pot înregistra în așa numitele rețele (Recipes). De exemplu, această noțiune de parametrii de funcționare se poate referii la caracteristicile de fabricație a unui produs și pot fi descărcați de pe dispozitivul HMI pe PLC în scopul schimbării produsului curent cu un altul, sau chiar a capacității de producție.

SIMATIC HMI:

Oferă posibilitate de control și monitorizare a sarcinilor. Procesul este adus la un înalt standard de funcționare prin menținerea tuturor dispozitivelor și unităților de lucru la un nivel de funcționare ridicat.

Software-ul WinCC flexible oferă soluții inginerești confortabile și performante pentru conceptele orientate spre automatizarea de viitor.

Sistemele SIMATIC HMI reprezintă cel mai înalt nivel din punct de vedere al performanței în cazul controlului și monitorizării.

Concepte fundamentale de WinCC Flexible:

WinCC Flexible Engineering System. WinCC Flexible Engineering System este un software dezvoltat pentru controlul proceselor industriale.

WinCC Flexible Runtime. WinCC Flexible Runtime este un software creat pentru a vizualiza procesul controlat. Proiectul se execută în modul proces în Runtime.

Opțiunile WinCC Flexible. Opțiunile WinCC Flexible permit expandarea funcționalității standard a software-ului WinCC Flexible.

Conexiunea dintre PC și PLC se realizează prin intermediul unui adaptor MPI/RS232. Interfața de care dispune PLC-ul este una MPI iar interfața PC-ului este una RS232.

MPI( Multi Point Interface) este interfața standard cu care sunt echipate PLC-urile SIMATIC din familia S7-300 și 400 spre deosebire de familiile mai vechi care dispuneau doar de o interfață PPI (Point to Point Interface). Pe lângă această interfață de comunicație automatele programabile Siemens mai pot să dispună, în funcție de model, de intefață Profibus (DP) alături de alte interfețe standardizate din industrie, dar pentru aceasta este nevoie să se atașeze automatului programabil procesoare specializate de comunicație ( de exemplu: Ethernet, RS485, RS 422 etc.).

5.3.1 Crearea unui proiect

În figurile ce urmează sunt prezentați cei 8 pași necesari pentru crearea unui nou proiect. Proiectul WinCC Flexible se integreazăproiectului Step7 prezentat anterior. Există și opțiune creării unui nou proiect WinCC Flexible direct din fereastra SIMATIC Manager.

Crearea unui nou proiect prin intermediul opțiunii „Project Wizard”:

Figura 5.12 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 1

Figura 5.13 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 2

Din lista de mai sus se alege opțiunea “Small Machine” care reprezintă tipul de proiect destinat unei legături directe între PLC și Panoul Sinoptic.

Se integrează apoi un proiect Step7 pentru care se dorește crearea unei interfețe.

Fig 5.14 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 3

În continuare se va alege tipul de dispozitiv HMI. În cazul nostru se va alege “WinCC Flexible Runtime”. Tot la acest pas se va seta ;I reyolu’ia pentru ecran.

Se va alege ca și tip de conexiune – MPI/DP.

Seria din care face parte automatul programabil este SIMATIC S7 300/400.

Fig 5.15 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 4

La acest pas se specific dacă se dorește crearea unui header, anumite butoane de control pentru navigație, linie sau fereastră pentru alarme. Tipul de conexiune este MPI/DP.

Tot în această secțiune se va face selectarea elementelor care vor fi incluse în header.

Se realizează și selecția poziției și stilului pentru bara de navigație cât și pentru alarme.

Fig 5.16 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 5

În cadrul acestui pas se specifică dacă se dorește crearea unui ecran principal pentru toate ecranele sistemului, sau dacă ecranele ar trebui afișate direct în poziția specificată.

Fig 5.17 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 6

Se vor adăuga librăriile necesare și se va realize selecția a pană la 6 fișiere care pot fi integrate ca librării opționale.

Fig 5.18 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 7

Se adaugă eventualele comentarii.
Apăsând butonul “Finish” este generat proiectul ce con’ine toate setările specificate în pașii anteriori.

Fig 5.19 Crearea unui proiect nou WinCC Flexible – Pasul 8

Interfața grafică cu utilizatorul se poate vedea în figura alăturată:

Fig 5.20 Interfața HMI cu utilizatorul.

Testare și Validare

În primul rând vom simula regulatoarele anterior calculate în simulatorul Simulink din Matlab.

Pentru funcția de transfer a procesului calculată în primul interval de funcționare, s-a calculat un regulator Hr1, întreaga structura a sistemului închis fiind reprezentată în Simulink după cum urmează.

Fig 6.1 Strucura în simulink a procesului pentru primul interval de funcționare

Datele obținute au fost exportate către spațiul de lucru al mediului Matlab și sunt figurate mai jos:

Fig 6.2 Răspunsul sistemului pentru primul interval de funcționare simulat cu ajutorul mediului Simulink.

Pentru funcția de transfer a procesului calculată în al doilea interval de funcționare, s-a calculat un regulator Hr2, întreaga structura a sistemului închis fiind reprezentată în Simulink după cum urmează.

Fig 6.3 Strucura în simulink a procesului pentru al doilea interval de funcționare

Datele obținute au fost exportate către spațiul de lucru al mediului Matlab și sunt figurate mai jos:

Fig 6.4 Răspunsul sistemului pentru al doilea interval de funcționare simulat cu ajutorul mediului Simulink.

Pentru funcția de transfer a procesului calculată în al treilea interval de funcționare, s-a calculat un regulator Hr3, întreaga structura a sistemului închis fiind reprezentată în Simulink după cum urmează.

Fig 6.5 Strucura în simulink a procesului pentru al treilea interval de funcționare

Datele obținute au fost exportate către spațiul de lucru al mediului Matlab și sunt figurate mai jos:

Fig 6.6 Răspunsul sistemului pentru al treilea interval de funcționare simulat cu ajutorul mediului Simulink.

În continuare s-a urmărit testarea și validarea metodei de Gain-Scheduling folosită prin compararea performanțelor regulatoarelor de pe diferite intervale de funcționare între ele.

Astfel atunci când regulatorului Hr1 îi aplicăm o treaptă de 6% răspunsul sistemului va fi unul destul de bun, făcând abstracție de zgomotele puternice induse de amplificatorulu folosit. Atunci când îi aplicăm treapta de 6% regulatorului Hr3 răspunsul sistemului va prezenta un suprareglaj foarte mare, spre 80%, fapt ce subliniază robustețea regulatorului Hr1 pe primul interval de funcționare ales.

Fig 6.7 Comparație între răspunsul regulatorului Hr1 și Hr3 pentru aceiași referință.

Atunci când regulatorului Hr2 calculat pentru al doilea interval de funcționare îi aplicăm o treaptă de 18% răspunsul sistemului va arăta ca și cel din figură, spre deosebire de răspunsul regulatorului Hr3 la aceeași referință de 18% care prezintă un suprareglaj mai mare. Acest lucru este justifică robustețea mai mare a regulatorului Hr2 pentru al doilea interval de funcționare subliniind necesitatea metodei de Gain-Scheduling.

Fig 6.8 Comparație între răspunsul regulatorului Hr2 și Hr3 pentru aceiași referință.

În cazul regulatorului Hr3, atunci când aplicăm o treaptă de 26% răspunsul sistemului va arăta ca ăn figura următoare. Comparația făcută pentru aceeași referință cu regulatorul Hr1 relevă faptul că acesta din urmă este mai lent fapt ce subliniază robustețea regulatorului Hr3 în interval al treilea de funcționare.

Fig 6.9 Comparație între răspunsul regulatorului Hr3 și Hr1 pentru aceiași referință.

Pentru a verifica raspunsul la perturbații a sistemului, se introduce o perturbație dupa stabilizarea acestuia. Perturbația este reprezentata de contactul vârfului stației de lipit cu o bucată de material îmbibat în apa rece. Raspunsul sistemului la aceasta

perturbație este prezentat:

Mai întâi s-a realizat o simulare a răspunsurilor în Simulink după cum se poate vedea în figurile următoare:

Fig 6.10 Răspunsul sistemului la perturbație pentru regulatorul Hr2

Fig 6.11 Răspunsul sistemului la perturbație pentru regulatorul Hr3

În continuare sunt prezentate răspunsurile la perturbație ale sistemului de reglare a procesului real:

Fig 6.12 Răspunsul sistemului la perturbație atunci cand se folosește Hr2

Fig 6.13 Răspunsul sistemului la perturbație atunci cand se folosește Hr3

Concluzii

Prin lucrarea prezentă a fost realizat un sistem de control și de monitorizare pentru o aplicație de reglare a temperaturii vârfului unei stații de lipit.

Primul pas înainte de a începe realizarea propriu zisă a aplicației a fost efectuarea unui studiu bibliografic referitor la modurile de măsurare a temperaturii, noțiuni generale legate de procesele calorice, precum și concepte generale cu privire la reglarea automată a temperaturii.

A fost implementat un sistem de reglare automată cu regulator PI și Gain-Scheduling. În acest scop s-a realizat acordarea a trei regulatoare: câte unul pentru fiecare interval de funcționare ales în cadrul metodei de Gain-Scheduling.

După ce s-au achiziționat datele, s-a realizat identificarea procesului sistemului și s-au calculat trei funcții de transfer pentru partea fixată a sistemului.

Pentru toate cele trei puncte de funcționare a procesului determinat s-a impus funcția de transfer a sistemului în buclă închisă și au fost calculate regulatoare specifice fiecărui interval.

Pentru controlul și monitorizarea temperaturii s-a realizat o interfața grafica în WinCC Flexible care permite startarea și oprirea operației de reglare a temperaturii prin intermediul a doua butoane de START, respectiv STOP. Valoarea de referință a temperaturii poate fi modificata cu ajutorul unui Slider încorporat în interfață. Monitorizarea marimilor celor mai importante se poate face cu ajutorul graficului, pe care sunt actualizate în mod dinamic valorile marimii de referință, a marimii masurate de senzorul de temperatura și a marimii de comandă a regulatorului.

În industrie toate sistemele de reglare automate au în componența proprie sisteme grafice pentru controlul și monitorizarea marimii reglate. Aceste sisteme HMI (Human Machine Interface) au rolul de a furniza informații utlizatorului. Informațiile se pot referi la valorile marimilor din proces (marime de referința, marime de comanda, marime de ieșire), la modul de lucru al procesului etc.

Regulatoarele de tip PID sunt utilizate în peste 90% din sistemele de reglare automata, ele fiind ușor de implementat pe majoritatea automatelor programabile.

PLC-urile (Programmable Logica Ciontroller) sunt utilizate în cea mai mare parte a aplicațiilor industriale, în toate etapele de fabricație, transport sau distrubuție.

Bibliografie

[1] Dobra Petru, Teoria Sistemelor-suport curs și laboratoare

[2] Dobra Petru, Identificarea Sistemelor-suport curs;

[3]Feștila Clement, Ingineria reglarii automate – suport curs și laboratoare;

[4] Mureșan Vlad, Conducerea Proceselor Industriale – Îndrumator de laborator;

Editura UTPRESS, Cluj Napoca, 2011

[5] Nașcu Ioan, Echipamente de Automatizare Electrice și Electronice – suport curs;

[6] Nașcu Ioan, Sisteme de Conducere a Proceselor Continue – suport curs;

[7] Pintea Mihaela, Reglarea automata a parametrilor proceselor tehnologice –suport

curs;

[8] Tertișco Mihai, Popescu Dumitru, Jora Boris, Russ Ion, Automatizari industriale

continue, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1991;

[9] Cataloagele Siemens pentru familia S7-300;

[10] Documentație Stașie de lipit SOLOMON SL-30

[11]http://idd.univ-ovidius.ro

[12] http://www.electrokoles.home.ro

[13] http://ti.utm.md

[14] http://www.wikipedia.org/

[15]http://www.phys.ubbcluj.ro/

Anexa 1

Implementarea metodei Gain-Scheduling în blocul de întreruperi OB35 al mediului SIMATIC Step7:

Bibliografie

[1] Dobra Petru, Teoria Sistemelor-suport curs și laboratoare

[2] Dobra Petru, Identificarea Sistemelor-suport curs;

[3]Feștila Clement, Ingineria reglarii automate – suport curs și laboratoare;

[4] Mureșan Vlad, Conducerea Proceselor Industriale – Îndrumator de laborator;

Editura UTPRESS, Cluj Napoca, 2011

[5] Nașcu Ioan, Echipamente de Automatizare Electrice și Electronice – suport curs;

[6] Nașcu Ioan, Sisteme de Conducere a Proceselor Continue – suport curs;

[7] Pintea Mihaela, Reglarea automata a parametrilor proceselor tehnologice –suport

curs;

[8] Tertișco Mihai, Popescu Dumitru, Jora Boris, Russ Ion, Automatizari industriale

continue, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1991;

[9] Cataloagele Siemens pentru familia S7-300;

[10] Documentație Stașie de lipit SOLOMON SL-30

[11]http://idd.univ-ovidius.ro

[12] http://www.electrokoles.home.ro

[13] http://ti.utm.md

[14] http://www.wikipedia.org/

[15]http://www.phys.ubbcluj.ro/

Anexa 1

Implementarea metodei Gain-Scheduling în blocul de întreruperi OB35 al mediului SIMATIC Step7: