Sistem Automat de Monitorizare Si Reglare a Temperaturii

Lista de figuri

Figura 1.1. Prototip Proiect

Figura 2.1. ECHO IV

Figura 2.2. Placa Peltier

Figura 2.3. Element de racire cu efect Peltier

Figura 2.4. Baterie de elemente Peltier

Figura 2.5. Principiul estimarii parametrice adaptive

Figura 2.6. – Caracteristica statică a regulatorului tripozițional

Figura 2.7. Diagrama bloc PID

Figura 2.8. Structura unui SAD

Figura 2.9. Structura unui sistem de distribuție a datelor

Figura 3.1. Schme bloc al sistemului de monitorizare si control al temperaturii

Figura 3.2. Modul racire Peltier

Figura 3.3. Ventilatoare folosite

Figura 3.4. – Pini LM 35

Figura 3.5. – Componente kit releu

Figura 3.6. Baterie Pb 12 V

Figura 3.7. Configuratia porturilor NI USB-6008

Figura 3.8. Panoul frontal al NI-MAX

Figura 3.9. Aplicarea materialului termoconductiv după montarea pilei Peltier peste radiatorul interior

Figura 3.10. Rezistenta perna electrica

Figura 3.11. Schemă circuit releu

Figura 3.12. Placă cu două relee

Figura 3.13. Placă de legături și monitorizare

Figura 3.14. Schema procesului de achizitie de date

Figura 3.15. Circuit de conectare al senzorilor la plăcuța de achiziție

Figura 3.16. Placă circuit senzori

Figura 3.17. Circuitul intrărilor analogice al lui NI USB -6008

Figura 3.18. Zona achiziție de date

Figura 3.19. Modul de alegere al perioadei de esantionare

Figura 3.20. Răspunsul senzorilor la un semnal treaptă aplicat rezistenței

Figura 3.21. Date experimentale inițiale

Figura 3.22. Date experimentale filtrate

Figura 3.23. Alegerea modelului de identificare

Figura 3.24. Validarea modelului identificat

Figura 3.25. Zona reglare tri-pozitionala

Figura 3.26. Funția de reglare a regulatorului tri-pozițional

Figura 3.27. Zona reglare PID

Introducere

Scopul lucrării

Corpul omenesc reacționează diferit la temperatură, depinzând în mare parte de capacitatea organismului de a-și pierde căldura în mediul înconjurător prin convecție la aer, prin radiația suprafețelor din jur și prin evaporarea umezelii din piele. Prin urmare, reacțiile corpului depind nu numai de temperatura aerului, ci și de umiditatea și rata de mișcare a acestuia, precum și media temperaturii radiante a suprafețelor din jur.

Menținerea temperaturii ambiante la un grad de confort cat mai ridicat, dar și cu un cost minim reprezintă o problemă foarte complexă. Monitorizarea si controlul parametrilor fizici care compun sistemul de răcire/încalzire cu ajutorul unui dispozitiv de tip microcontroller este o soluție foarte eficientă, atât în industrie cât și pentru cercetare. Acest proiect își propune proiectarea unui prototip de casă și un sistem care monitorizează și controlează temperatura.

Prin monitorizarea în mod constant a temperaturii, această lucrare își propune stabilirea unei corespondențe între semnalele provenite de la senzor și semnalele de referință pentru a dezvolta un sistem automat de monitorizare computerizat pentru a facilita controlul asupra casei și pentru a utiliza aceste informații cu scopul de a îmbunătății calitatea mediului ambiental, precum și costul acestuia.

Figura 1.1. Prototip proiect

A fost folosit mediul de programare Lab Windows/CVI, împreună cu dispozitivul de la National Instruments NI DAQ-6008 pentru a se achiziționa date și a controla întregul sistem, precum și pentru a facilita interacțiunea cu utilizatorul. Senzorii de temperatură LM35DZ au fost plasați în prototipul casei ca și componentă principală a întregului sistem. O placuță cu relee este de asemenea conectată la dispozitivul NI DAQ-6008 pentru a controla sursele de racire/încalzire.

Lucrarea de față este organizată în patru capitole ample: Intorducere, Aspecte Teoretice, Studiu de Caz și Concluzii.

În primul capitol se face o scurtă introducere asupra a ceea ce urmărește acest proiect să îndeplinească, precum si o privire asupra tehnologiilor existente în acest domeniu.

Capitulul al doilea prezintă pe scurt toate aspectele teoretice folosite în implementarea acestui proiect, cum ar fi: efectul termoelectric, senzori, reglarea temperaturii în general, identificarea proceselor ce se doresc a fi modelate și sistemele SCADA.

În capitolul trei este prezentat modul în care s-au pus în practică toate aspectele teoretice, precum și modul în care s-a ajuns la îndeplinirea scopului propus în primul capitol. Astfel, se va face o scurtă descriere a echipamentelor utilizate în construirea prototipului și a sistemului de monitorizare și control, apoi se va prezenta cum a fost construit prototipul casei, precum și soluția software oferită.

Capitolul patru prezintă rezultatele obținute în urma studiului de caz propus, viitoare îmbunătățiri ale acestuia și nu în ultimul rând, câteva aspecte de siguranță ale sistemului implementat.

Soluții existente

Cercetările anterioare făcute pe această temă ce au fost realizate nu sunt la fel de ieftine și ușor de utilizat precum aceasta.

Alte lucrări au propus folosirea dizpozitivelor electronice sau al circuitelor electronice, dar fie au avut un cost relativ mare fie dispozitivele propuse nu prezentau o modalitate ușoară de utilizare [13] [14].

Astfel, soluțiile propuse pot fi împărțite în două categorii: soluții bazate pe circuite analogice sau soluții bazate pe microcontrollere. Prima categorie oferă avantajul vitezei ridicate de execuție, însă o interfața cu utilizatorul nu poate fi realizată le fel de ușor. Pe de altă parte, soluțiile care implică un microcontroller oferă o interfață cu utilizatorul, iar cu un algoritm de control bine implementat, viteza de execuție va fi destul de mare pentru a îndeplini cerințele impuse.

O altă soluție pentru încălzirea temperaturii ambientale o reprezintă sistemul de încălzire cu radiație infraroșie la distanță. Acest sistem este diferit față de celelalte sisteme prin faptul că nu emană căldură în cameră, ci încălzeste obiectele din încăperi. Deși această soluție promite o reducere a consumului de energie prin faptul că nu se mai pierde inutil căldura, ea încălzind direct oamenii și obiectele. Aceasta este o soluție relativ nouă, iar efectele ei pe o perioadă mai lungă de timp asupra oamenilor și a obiectelor nu sunt încă cunoscute cu certitudine [20].

Aspecte Teoretice

Case inteligente

O casă inteligentă este o casa care utilizează tehnologia informației pentru a monitoriza mediul înconjurator, pentru a controla aparatele electrice și pentru a comunica cu lumea exterioară.

Un sistem de automatizare pentru o casă inteligentă este dezvoltat pentru a realiza în mod automat unele activități desfașurate frecvent in viața de zi cu zi pentru a obține un mediu de viață cât mai confortabil.

Un sistem obișsnuit de automatizare pentru casă inteligentă integreaza perfect un sistem de scuritate, termostate, televizoare, mașini de spălat vase și alte electronice ți electrocasnice ce vor fi controlate de la distanță de un singur dispozitiv. Cu cât mai multe dispositive oferă posibilitatea de a le conecta la o rețea wireless , cu atât mai multe caracteristici va include casa inteligentă.

Cele mai comune sisteme de automatizare ale caselor inteligente includ:

încuietori de uși ți sisteme de securitate automate;

controlul de temperatură și ventilație;

dispositive de monitorizare al consumului de energie;

sisteme de iluminat inteligente;

aparate inteligente;

sisteme de monitorizare a plantelor și a animalelor de companie;

Casele inteligente, ca cele mai multe inovații, au fost inventate cu mult timp înainte de a deveni o realitate. În timp ce scriitorii de science fiction descriu aceste case de-a lungul secolului 20, geneza lor constă în dezvoltarea sistemelor care le cuprind.

Primii 20 de ani ai secolului 20 au fost marcați de inventarea aspiratorului, uscătorului, mașinilor de spălat, fierului de călcat și al prăjitorului de pâine. Primul dispozitiv intelligent a fost creat la aproximativ 45 de ani mai târziu, fiind cunoscut sub numele de ECHO IV (Electronic Computing Home Operator).

ECHO IV- a fost construit în anul 1965 de către inginerul Westinghouse James Sutherland și, deși nu a fost niciodata comercializat, el a reprezentat primul dispozitiv inteligent.

Acest dsipozitiv inteligent putea calcula liste de cumpăraturi, putea controla temperatura casei , aprinde si stinge luminile.

Aparatul destinat bucătăriei a fost construit un an mai tarziu putând să memoreze rețetele, dar a avut sloganul nefericit: “If she can only cook as well as Honeywell can compute” (“Dacă ea poate găti la fel de bine precum Honeywell poate calcula.”), prin urmare, nu s-a vândut nici un model.

La inceputul anilor 2000 casele inteligente au început sa creasca în popularitate în special datorită noilor tehnologii ce au început să apară. Casele inteligente au devenit brusc o opțiune mai accesibilă și prin urmare, o tehnologie viabilă pentru consumatori.

Beneficiile unei case inteligente nu sunt în nici un caz limitate la comoditate ( deși acest lucru este o caracteristică convingătoare). Automatizarea unor sarcini simple oferă oamenilor mai mult timp ce îl pot dedica familiilor lor, carierelor sau altor pasiuni.

Casele inteligente au potențialul de a fi mai ecologice și prin urmare, mai ieftine folosind instrumente de monitorizare și optimizare a consumului de energie și de apă.

Tendințe existente în acest domeniu

Internetul obiectelor (IOT) este o tendință în curs de dezvoltare în care casele inteligente reprezintă un subset. Internetul obiectelor presupune integrarea tehnologiilor digitale și wireless în obiecte și sisteme fizice, acesta având ramificații importante pentru viitorul caselor inteligente: mai multe dispositive care sunt conectate la internet, cu atât mai mult potenițial de a integra sistemul inteligent.

Majoritatea caselor inteligente sunt realizate de către firmele de construcții și arhitectură și personalizate pentru clienții bogați. Firmele care vând tehnologii inteligente pentru case sunt: VIA International, Vivinit, Creston, Savant și AMX Home Automatin.

Dincolo de această piață sunt dispozitivele si sistemele inteligente mai puțin costisitoare, realizate în mare parte de către firmele de securitate, software și electronice.

Principalele firme de software rivale sunt Apple și Google. Google a cumpărat Nest, compania ce produce termostatul inteligent. Apple lucrează la realizarea unei platforme software numită HomeKit, care va permite utilizatorilor să-și folosească iPhone-ul pentru a-și controla casele. 

2.2. Efectul termoelectric Peltier

Efectul thermoelectric exprimă dualitatea dintre potențialul termic și cel electric, pe baza a două efecte distincte, numite după oamenii de știință ce le-au descoperit: Peltier si Seeback.

Efectul Seeback a apărut în anul 1821 și constă ân apariția unei tensiuni la îmbinarea a două metale diferite, fiind baza de măsurare a temperaturii cu termocupluri.

Efectul Peltier a apărut în anul 1834 și constă în apariția unei diferențe de temperatură la încheieturile unui termocuplu când acesta este conectat la o tensiune. Este inversul efectului Seeback.

Efectul Peltier este enunțat astfel: “Un curent electric care străbate punctul de contact dintre două fire sudate cauzează apariția unei diferențe de temperatură între cele două puncte sudate.”

Prin introducerea unui curent ectric in joncțiunea dintre două metale diferite va apărea fenomeul de degajare de căldură sau de absorbție de căldură, în funcție de sensul curentului introdus.

Figura 2.2. Placa Peltier

Când diferența de voltaj este pozitivă între firul “a” și firul “b”, suprafața A va genera căldură, în timp ce suprafața B va absorbi căldură și prin urmare va degaja răcoare. De asemenea, când se schimbă polaritatea și apare o diferență negativă de voltaj între firul “a” și firul “b”, va avea loc efectul opus.

Modul în care functionează un element de răciere Peltier este asemănător cu cea a frigiderului Joule-Thomson, deosebirea fiind că aici gazul comprimat ce are o destindere adiabatică va fi “alcătuit” din electroni și goluri care se vor comporta precum un gaz.

Materialele semiconductoare pot avea două tipuri de purtători de sarcină: electroni și goluri. Electronii sunt sarcini negative și se vor deplasa de la – la + , iar golurile sunt sarcini pozitive și se vor deplasa conform figurii de mai jos.

Figura 2.3. Element de racire cu efect Peltier

Un curent electric este aplicat conexiunii de elemente semiconductoare de tip n și de tip p astfel încât ei se vor mișca în același sens, așa cum este ilustrat in figura 2.2.2. , din zona cu densități mai mari de dopare, spre cea cu densități mai mici. Acest proces duce la scăderea temperaturii gazului format din electroni. Acelasi proces îl va suferi și gazul format din goluri.

Pentru a mări eficiența unui asemenea proces se va lega în serie mai multe elemente de tipul celor prezentate în figura de mai sus în așa fel încât fețele reci și cele calde vor fi în contact termic, formând o baterie de elemente Peltier:

Figura 2.4. Baterie de elemente Peltier

Coeficientul Peltier este definit ca produsul dintre rata de încălzire sau răcire și curentul care trece prin joncțiune. Astfel, acest coeficient reprezintă cât de mult curent de căldură se realizează pe unitatea de sarcină printr-un material dat.

Performanțele termice ale modulelor termoelectrice depind de schimbările de căldură ce se pot realiza între cele două module. Extragerea căldurii, foarte importantă pentru comportamentul modulului Peltier, se poate face prin convecție sau conducție, mediile răcite putând fi solide, lichide sau gazoase. Schimbătoarele de căldură diferă pentru cele trei cazuri.

O înrăutățire a condițiilor de evacuare a căldurii conduce la depășirea temperaturilor admisibile pentru materialele de lipire de la nivelul joncțiunilor, implicit la înrăutațirea caracteristicilor de performanță a modulelor.

Pentru îmbunătațirea schimbului de căldură se utilizează numeroase substanțe, cu o conductivitate termică ridicată, care micșorează rezistențele termice ale substanțelor de contact.

2.3. Senzori

Senzorul reprezintă un dispozitiv care detectează o schimbare într-un stimul fizic și o transformă într-un semnal care poate fi măsurat și înregistrat.

Senzorul sugerează o similitudine cu comportamentul uman, fiind legat de modalitatea de percepție a mărimilor măsurate. Un senzor nu imită simțurile umane, dar încearcă să redea cât mai bine posbil comportamentul lor, iar prin miniaturizare se apropie de dimensiunea acestora.

Definiție:” Prin senzori se înțeleg ansambluri de dispozitive sensibile,de mici dimensiuni, care permit determinarea unui câmp de valori pentru o mărime fizică într-o manieră similară cu organele de simț umane.”

Așadar, valorile obținute cu ajutorul senzorilor trebuiesc prelucrate în vederea redării cât mai precise a imaginii achiziționate.

Caracteristicile unui senzor:

miniaturizarea, pentru mărimile investigate se realizează măsurări “punctuale”;

multiplicarea funcțională, un număr mare de dispozitive sensibile sunt structurate într-un senzor cu scopul de a îndeplini aceeași funcție;

fusiunea senzorială, reuniunea mai multor senzori într-o configurație unică;

Există mai multe criterii dupa care se pot clasifica senzorii, cum ar fi:

După modul de variație a mărimii de ieșire:

analogici: la ieșire prezintă un semnal analogic;

numerici: la ieșire prezintă un semnal numeric; acest tip de senzori au ca avantaj faptul că sunt mai puțin sensibili la interferențele electromagnetice;

După natura mărimii de intrare:

senzori de deplasare;

senzori de temperatură;

senzori de debit;

senzori de câmp electric etc.

După natura mărimii de iesire:

senzori rezistivi: mărimea de măsurat produce o variație a rezistenței electrice a senzorului. Pe acest principiu, senzorii (rezistivi) de deplasare vor converti deplasarea în variație de rezistență electrică, senzorii de temperatură vor converti temperatura într-o variație a rezistenței metalelor sau semiconductoarelor, iar senzorii fotorezistivi vor converti fluxul luminos într-o variație de rezistență electrică;

senzori inductivi: convertesc o mărime de măsurat neelectrică într-o inductivitate propie sau una mutuala;

senzori capacitivi: convertesc o mărime de măsurat neelectrică într-o variație de capacitate;

Rezistențele, capacitățile și inductivitățile care se modifică odată cu mărimea de măsurat sunt introduse într-un circuit oscilator sau într-o punte producând o variație de frecvență a oscilatorului, respectiv o variație de tensiune (tensiunea de dezechilibru a punții).

Deoarece aceste variații pot fi determinate de mai multe mărimi neelectrice, este foarte important să se separe mărimea de interes de ceilalți factori, care pot deveni factori perturbatori în anumite situații.

După modul de operare:

senzori de defluxie: o deviație sub acțiunea măsurandului;

senzori de nul: principiul opoziției folosind o mărime de referință;

Odată cu integrarea pe scară largă și cu miniaturizarea senzorilor, au fost realizați și senzorii inteligenți. Aceștia reprezintă un ansamblu de măsură a unei mărimi fizice cu capacitatea de comunicare și de calcul, fiind construiți din două părți principale: interfața de comunicare bidirecțională si un lanț de măsurare controlat de microprocesor.

2.4. Reglarea temperaturii

Conform definiției din dicționar, temperatura reprezintă mărimea fizică utilizată pentru a caracteriza starea de încălzire a unui mediu sau a unui corp. Astfel, temperatura indică viteza cu care atomii ce alcătuiesc o substanță se mișcă. In cazul încălzirii, viteza atomilor crește, iar în cazul răcirii aceasta scade. Conform oamenilor de știință, s-a demonstrat că la o temperatură foarte scăzută, numită și zero absolut, acești atomi și-au încetat mișcarea de tot.

Există două noțiuni pentru exprimarea temperaturii: temperatura empirică, sau practică, care este o mărime fizică cu ajutorul căreia se exprimă nivelul de încălzire sau răcire al unui corp, în raport cu un alt corp de referință; temperatura absolută, sau termodinamică, ce reprezintă factorul de proporționalitate al schimbului de energie prin efect termic într-un sistem termodinamic și poate avea numai valori pozitive.

Cu ajutorul unei scări de temperatură se poate realiza măsurarea valorii unei temperaturi. Pentru obținerea unei scări de temperatură se vor atribui valori arbitrare temperaturilor (t1 și t2) corespunzătoare fenonemenlor fizice cu o reproductibilitate ridicată ( de exemplu solidificarea sau fierberea substanțelor). Astfel, un grad va fi reprezentat de diferența celor două valori, împărțită la un număr N de parți egale:

1 grad = (2.1.)

Unitatea de măsura în Sistem International este gradul Kelvin (K). Temperatura de zero Kelvin este denumită zero absolut și reprezintă punctul în care atomii au cea mai mică energie termică.

Astfel, un grad Celsius reprezintă a 1/273,16 parte din intervalul între punctul triplu al apei și punctul de zero absolut, iar scara fahreinheit se află în intervalul 32 – 212 °F între punctul de înghețare și de fierbere al apei.

Am menționat mai sus noțiunile de punctul triplu al apei, punctul de înghețare al apei și punctul de fierbere. Acestea se definesc astfel:

punctul triplu al apei reprezintă valorile presiunii si temperaturii la care pot coexista în echilibru stările solidă, lichidă și gazoasă ale unei substanțe ( de exemplu, punctul triplu al apei are valoarea 273,16K, adică 0,01 °C).

punctul de inghețare al apei reprezintă temperatura de 0°C.

punctul de fierbere al apei reprezintă temperatura de 100 °C.

Dintre toate mărimile fizice, temperatura este cea mai măsurată deoarece ea afectează în mod decisiv proprietățile materiei. O consecință directă al acestui lucru reprezintă utilizarea largă a sistemelor de reglare automată a temperaturii.

Instalațiile tehnologice care cer reglare de temperatură se împart în următoarele categorii:

instalații în care nu are loc transportul de căldură de către produsul încălzit sau răcit – se impune asigurarea unei temepraturi constante în timp sau realizarea unei variații a temperaturii în funcție de specificațiile tehnologice impuse. O proprietate inportantă al acestui tip de instalații tehnologice este proprietatea de autoreglare. Reglarea temperaturii în asemenea instalații se poate face cu regulatoare de tip bipozițional și tripozițional (regulatoare cu acțiune discontinuă) sau cu regulatoare continue.

instalații în care are loc transport de căldură de către produsul încălzit sau răcit –fluxurile de substanțe vehiculate provoacă o perturbație importantă printr-un transport de căldură din spațiul de lucru. Reglarea temperaturii în asemenea instalații se poate realiza cu regulatoare de tip bipozițional sau tripozițional sau regulatoare continue. Uneori se pot folosi și regulatoare cu acțiune directă.

instalatii cu surse interne sau consumatori interni de căldură – procese chimice (reactoare). Pot fi endoterme sau exoterme.Cele endoterme prezintă un grad înalt de autoreglare, deci automatizarea acestora nu prezintă probleme deosebite. Cele exoterme impun luarea de măsuri de securitate, datorită particularităților de funcționare a proceselor respective.

În concluzie, deși la prima vedere reglarea temperaturii pare a fi o problemă simplă, aceasta cere mai multă precauție. Există multe soluții valabile pentru anumite cazuri particulare, dar nu există soluții general valabile.

2.5. Metode de identificare a proceselor

Pentru a realiza o soluție de automatizare trebuie urmărite urmatoarele etape:

analiza procesului fizic;

modelarea procesului fizic;

identificarea procesului;

sinteza legii de comandă;

implementarea proiectului de automatizare;

Analiza procesului fizic ajută la obținerea unui model matematic pe baza cunoștințelor despre fenomenele care guvernează evoluția procesului.

Deoarece modelele de cunoaștere bazate pe legile fizice pot fi prea complexe pentru a implementa un sistem de reglare, se apelează la tehnicile de indentificare directă a sistemelor dinamice din setul de date experimentale. Sistemele dinamice pot fi de două feluri:

modele neparametrice – răspunsul în frecvență, răspunsul indicial;

modele parametrice – funcții de transfer, ecuații diferențiale;

Identificarea procesului ajută la obținerea unor modele simplificate extrase din datele achiziționate. Apoi, aceste modele se vor valida prin simulare.

După ce validarea s-a realizat cu succes, algoritmii de reglare vor fi implementați pe modelele simplificate ale procesului real. Nu în ultimul rand, se va realiza etapa validării, testării și ajustării comenzii, precum și luarea unor măsuri de protecție pentru asigurarea funcționării sigure a întregului proces.

Astfel, modelele matematice identificate sunt folosite pentru determinarea algoritmului de conducere, ceea ce duce la denumirea acestora drept modele de comandă.

Un element cheie în identificarea modelelor proceselor este reprezentat de algoritmul de adaptare parametrică care duce la determinarea parametrilor modelului la fiecare perioadă de eșantionare, pe baza informațiilor din proces și a unei predicții. Algoritmul adaptării parametrice are o structură recursivă, noua valoare a parametrilor fiind obținută din valoarea precedentă a parametrilor, corectată cu ajutorul unui termen ce ține de ultimile măsurători. Acest principiu este reprezentat în figura de mai jos:

Figura 2.5. Principiul estimarii parametrice adaptive (Sursa: [3])

Diferența dintre ieșirea procesului și ieșirea predictată va fi numită eroare de predicție și va fi folosită de către procedura de adaptare recursivă menționată mai sus. Principalul obiectiv este minimizarea acestei erori.

Intrarea folosită în experimentul de identificare este de obicei reprezentată de un semnal pseudo-aleator SPAB deoarece acesta are o caracteristică în frecvență bună (amplitudinea bine determinată spre deosebire de treaptă care la un moment dat ajunge la 0).

Această metoda de identificare are urmatoarele avantaje:

urmărirea variației parametrilor procesului în timp real;

identificarea modelelor de perturbație;

validarea rezultatelor experimentelor de identificare;

De asemenea, există și algoritmi nerecursivi de identificare parametrică, însa identificarea recursivă are urmatoarele avantaje față de metodele nerecursive:

obținerea unei estimări a modelului în timp ce procesul evoluează;

compresie de date;

memorie și putere de calcul sensibil mai reduse;

posibilitatea realizării identificării în buclă închisă;

identificarea sistemelor cu parametrii variabili în timp;

Validarea modelelor de identificare

Validarea reprezintă procesul prin care se realizează comparația dintre un set de date achiziționate și un set de date simulate cu ajutorul modelului identificat, ambele seturi de date fiind obținute prin simularea cu același semnal de intrare.

Cea mai cunoscută metodă de validare este testul de albire.Acesta pleacă de la premisa că datele achiziționate din proces au o distribuție Gaussiana.

“Principiul care stă la baza testului de albire este urmatorul: dacă modelul determinat este adecvat, eroarea de predicție dintre datele simulate și cele achiziționate tinde să fie un zgomot alb Gaussian pe măsură ce orizontul de masură crește (de unde și numele de test de albire).” (Sursa: [3])

2.6. Algoritmi de reglare

2.6.1. Algoritmul de reglare tripozițional

O metodă de reglare a temperaturii frecvent utilizată datorită simplității constructive și funcționale este reprezentată de reglarea tripozițională a temperaturii.

În cazul regulatorului tripozițional, mărimea de comandă de la ieșirea regulatorului, poate lua în regim staționar numai trei valori distincte, în funcție de evoluția în timp a erorii e, care, la rândul său depinde de evoluția în timp a parametrului reglat.

Astfel, dispar discontinuitățile din forma de variație a mărimii de execuție, observându-se efectele pozitive și asupra performanțelor reglării temperaturii proceselor.

Prin urmare, caracteristica statică se reprezintă ca în figura de mai jos:

Figura 2.6. – Caracteristica statică a regulatorului tripozițional (Sursa: cursul de SIC)

Termeni:

e – eroarea;

u – comanda;

2a – zona de insensibilitate;

d – zona de histerezis;

U10 – comanda eroare pozitivă;

U20 – comanda eroare negativă;

Cele trei valori distincte ale mărimii de comandă, U10, 0 și U20 sunt formate cu ajutorul unui element de comparație care va forma semnalul de abatere (e) și două relee electromagnetice în care are loc comutarea și realizarea zonelor de histerezis d.

Dependenta intrare – iesire poate fi scrisa astfel: u =

2.6.2. Algoritmul de reglare PID

Un controller proporțional-integral-derivativ (PID) este un mecanism de control în bucla închisă utilizat pe scară largă în sistemele de control industrial. Un controller PID calculează valoarea unei erori ca diferența dintre o variabilă de proces măsurată și o valoare de referință dorită, iar scopul acestuia este de a minimiza eroarea calculată prin ajustarea parametrilor de acord ai legii de reglare.

Algoritmul PID face parte din clasa legilor de reglare convenționale și poate să utilizeze una sau mai multe din componentele: proporțională, integrală și derivativă, notate cu P, I și D. P depinde de eroarea din prezent, D este o predicție a erorii viitoare, pe baza ratei actuale de schimbare. Suma ponderată a acestor trei acțiuni este folosită pentru a regla procesul printr-o comandă asupra unui element, cum sun valvele, amortizoarele sau energia furnizată de un element de încălzire.

Un controller PID se bazează numai pe variabila de proces măsurată, ci nu pe cunoașterea procesului de bază. Prin reglarea celor trei parametriiai algoritmului PID, acesta poate oferi acțiuni de control, conceput pentru niște cerințe specifice ale unui proces dat.

Unele aplicații pot necesita folosirea a unui parametru sau doi parametri din cei trei mentionati pentru a asigura controlul adecvat al sistemului. Acest lucru se realizează prin setarea parametrilor nefolosiți la zero. Astfel, un controller PID, poate fi numit și PI, PD,P sau I, în funcție de acșiunile de control respective.

Legea de reglare a regulatorului PID este:

(2.2.)

– coeficient de proporționalitate;

– constantă de integrare;

– constantă de derivare;

– eroarea calculată între valoarea măsurată și referință;

– comanda actuală;

Figura 2.7. Diagrama bloc PID ( sursa Wikipedia)

Proporțional (P)

Termenul proporțional este numit și câștig, acesta producând un semnal de ieșiere care este proporțional cu valoarea erorii:

(2.3)

Valoarea acestui termen trebuie să fie mai mare decât zero pentru ca bucla de control să poată funcționa. Dacă câștigul proporțional este prea mare, sistemul poate deveni instabil, dacă acesta este prea mic, acțiunea de control poate fi prea mică și astfel sistemul nu se va comporta bine în prezența perturbațiilor.

Integrativ (I)

Termenul integrativ, mai este numit și reset, are ca funcție analizarea erorii de-a lungul timpului și de a construi contribuția integrală asupra ieșirii. Valoarea termenului integrativ este dată de suma erorii instantanee în timp și oferă eroarea acumulată care ar fi trebuit corectată anterior. Eroarea acumulată este apoi înmulțită cu un câștig integral (Ki) și se adaugă la ieșirea controllerului:

(2.4.)

Termenul integrativ accelerează mișcarea procesului față de referință și elimină rezidul de eroare la starea de echilibru care are loc cu un regulator pur proporțional. Cu toate acestea, deoarece termenul integrativ răspunde la erori acumulate din trecut, acesta poate provoca depășirea valorii de referință.

Derivativ (D)

Termenul derivativ, numit si rată, acționează asupra erorii procesului și este calculat prin determinarea pantei erorii în timp și multiplicarea acesteia cu câștigul derivat:

(2.5)

Acțiunea derivativă prezice comportamentul sistemului și îmbunătățește stabilitatea sistemului în timp. Termenul derivativ este folositor în sistemele cu o dinamică rapidă, dar este de multe ori oprit în timp ce sistemul ajunge într-o stare de echilibru deoarece acesta reacționează prea puternic la perturbațiile mici.

2.7. Sisteme SCADA

SCADA înseamnă Supervisory Control and Data Acquisition și reprezintă o tehnologie ce oferă posibilitatea operatorului de a primi informații de la echipamentele amplasate la dinstanță și de a transmite instrucțiuni către acestea. Cu alte cuvinte, SCADA este orice aplicație care achiziționează date despre un sistem cu scopul de a controla acest sistem.

Principalele doua elemente ce compun o astfel de aplicație sunt: procesul (sistemul) ce se dorește a fi controlat și monitorizat precum și rețeaua de echipamente inteligente care, prin intermediul senzorilor și al mecanismului de control, interfațeaza cu sistemul ce se dorește a fi controlat.

Sistemele SCADA se folosesc în special pentru automatizarea proceselor industriale complexe distribuite pe arii geografice mari,unde controlul manual este dificil.

Pe lângă procesele industriale complexe, sistemele SCADA sunt extrem de utile pentru monitorizarea și reglarea condițiilor mediului intern ( temperatura, umiditatea în depozite, camere frigorifice, sere, controlul iluminatului, al lifturilor și al accesului în clădiri etc.).

Cu alte cuvinte, soluțiile SCADA sunt utile în orice industrie sau proiect de infrastructură în care automatizarea aduce eficiență.

Principalele funcții pe care le îndeplineste un astfel de sistem sunt:

achiziția de date;

comunicarea datelor prin rețea;

afișarea datelor;

controlul;

stocarea datelor;

alarme;

supervizare;

Aceste funcții sunt realizate cu ajutorul componentelor principale al unui astfel de sistem:

senzorii și releele de comandă – se interfațează direct cu procesul;

remote telemetry units – echipamente inteligente ce sunt amplasate pe teren pentru a prelua datele de la senzori și pentru a transmite comenzile la releele de comandă;

stație master – adică serverul SCADA, punctul central al întregii aplicații. Aceasta are o interfață grafică pentru ca utilizatorul să aibe acces la toate datele de proces putând da comenzi pentru modificarea acestora;

infrastructura de comunicare a datelor – conectează stația master cu remote telemetry units din teren;

Achiziția de date

Nevoia de achiziție a datelor a apărut odată cu răspândirea calculatoarelor pe scară largă. Astfel, un SAD reprezintă un sistem de achiziție de date care ajută la stocarea, vizualizarea și prelucrarea datelor analogice. Structura unui SAD este:

Figura 2.8. Structura unui SAD (Sursa: [2])

Unde:

CC – circuit de condiționare;

DER – dispozitiv de eșantionare;

CAN – convertor analog-numeric;

RT – registru temporar;

BC – bloc de comandă;

Circuitul de condiționare (CC) poate îndeplini următoarele funcții: amplificare, atenuare, axare, compresie, filtrare, integrare, derivare. Acesta asigură poziționarea semnalului de intrare în domeniul de lucru al CAN-ului, precum și eliminarea perturbațiilor externe.

Dispozitivul de eșantionare cu reținere (DER) are ca funcție asigurarea unei valori constante la ieșire, pe întreaga durată a conversiei realizată de către convertorul analog-numeric (CAN).

Registrul temporar (RT) este utilizat pentru a memora echivalentul numeric al semnalului analogic de intrare.

Prelucrarea numerică a semnalelor electrice variabile în timp (semnale analogice) este posibilă doar după convertirea acestora în semnale numerice.

În realitate, o aplicație SCADA monitorizează un număr mare de sonzori care măsoară atât intrări în proces ( de exemplu debitul de apă ce curge într-un rezervor), cât și ieșirile din proces (temperatura dintr-un reactor).Acești senzori pot fi atât digitali, cât și analogici.

Pentru valorile analogice citite se va defini o zonă de normalitate, determinând astfel intrevalul maxim și minim acceptabil (de exemplu, temperatura dintr-o cameră cu servere va trebui menținută între 15-19 grade Celsius).

Comunicarea datelor prin rețea

Odată ce datele au fost achiziționate, acestea trebuiesc distribuite către elementele de acționare sub forma de comenzi analogice sau numerice.

Sistemele de distribuție a datelor sub formă analogică, necesită prezența unui convertor numeric-analogic (CNA). După acestea, se utilizează circuite de ieșire care conțin filtre și amplificatoare de putere (repetoare) pentru ca zgomotul provocat de eșantionare și cuantizare să nu deranjeze.

Figura 2.9. Structura unui sistem de distribuție a datelor (Sursa: [2])

Unde:

RT – registru temporar

CAN – convertor numeric-analogic;

EMA –blocuri de eșantionare și memorare analogică;

În registrul temporar (RT) vor fi memorate în mod secvențial (canal cu canal) datele sosite pe magistrala de date a sistemului.

După realizarea conversiei numeric-analogică (CNA), datele vor fi memorate în blocurile de eșantionare analogică (EMA), la momentul de timp dat de perioadele de eșantionare. Între două momente de eșantionare succesivă pe același canal de ieșire, se realizează reîmprospătarea memoriei analogice.

În realitate, pentru sistemele SCADA este foarte important să existe o rețea de comunicații bine dezvoltată pentru a se putea realiza transportul datelor spre și de la punctul de comandă.

La început, primele sisteme SCADA comunicau prin linii seriale dedicate, modem sau radio. Astăzi, comunicarea datelor se realizează prin IP sau Ethernet. Pentru o securitate sporită, se recomandă ca transferul de date să se facă prin LAN/WAN.

În trecut, sistemele SCADA aveau protocoale proprietare închise, însă azi există o tendință spre protocoalele standard de comunicație.

Senzorii și releele folosite la controlul datelor nu pot decodifica sau genera protocoale de comunicații, prin urmare este nevoie de RTU, pentru a le interfața cu stația Master, aceasta codând datele achiziționate de la senzori în formatul protocolului utilizat și tranzmitându-le către stația master și viceversa.

Afișarea datelor și alarmarea

Cu ajutorul unei interfețe grafice, un sistem SCADA va raporta datele de interes către serverul master care va monitoriza permanent toate punctele critice și va alarma operatorul în cazul în care se depășesc pragurile de alertă. Astfel, se va realiza o imagine de ansamblu a întregului proces monitorizat și se vor detalia informațiile necesare comenzii. Se vor procesa datele achiziționate și se pot păstra liste cu sumarizarea unei serii cronologice de date.

În concluzie, o interfață cu operatorul reprezintă legătura dintre sistemul SCADA și operatorul. Aceasta va facilita deciziile funcționale și de intreținere sistem ale operatorului.

Alarmarea, va preveni operatorul asupra depășirii parametrilor esențiali ai procesului urmărit. Semnalele de alarme pot fi organizate pe niveluri de prioritati, ierarhic.

Controlul

Un sistem SCADA regleaza în mod automat diferite procese industriale, acestea putând fi configurate să ajusteze sistemul ce se dorește a fi controlat în funcție de parametri și evenimente, evaluate cumulativ sau izolat.

Supevrizare

Un sistem SCADA bine proiectat va permite utilizatorului să supravegheze, să coordoneze și să exploateze de la distanță întregul proces. Acest lucru va duce la eficientizarea și îmbunătățirea fiabilității procesului controlat, dar și o reducere a costurilor.

3. Studiu de caz

3.1. Principiu de funcționare

Sistemul poate fi împărțit in trei părți: unitatea de detectare a temperaturii, unitatea de control si interfața cu utilizatorul. (+executie, adica racire, incalzire)

Pentru a determina temperatura existentă in casa au fost montați 8 senzori LM35, acestia poziționați câte 4 sus și 4 jos. Apoi, pentru a putea citi temperatura de la senzori, este nevoie de legarea acestora în serie cu o rezistență pentru a crea un divizor de tensiune: când senzorul detectează o diferență de temperatură, dioda Zener va avea o tensiune diferită care se va reflecta ca o cădere de tensiune , în circuitul divizorului de tensiune.

Cu ajutorul dispozitivului de achiziție de date NI-6008, se vor achizitiona probe ale acestui voltaj in mod continuu obținănd astfel informații despre temperatura curentă din casuță. Pentru unitatea de control a temperaturii, s-a folosit dispozitivul NI-6008 împreună cu programul Lab Windows/CVI în care s-au implementat un regulator tripozițional si un regulator PID.

Semnalele de control ce ies din microcontroller bazate pe temperatura dorită în casă, setată ca referință de către utilizator, și pe temperatura citită de către senzori sunt transmise către cele două relee ce controlează răcirea, respectiv încălzirea, sub forma de semnale digitale. Astfel, dacă se detectează o temperatură în casă mai mică decât referința setată, se va da semnal catre releul ce controleaza zona de încalzire ( rezistența), iar dacă se detectează o temperatură mai mare, se va da un semnal catre releul ce controlează zona de răcire ( modul de răcire Peltier).

Cu ajutorul LabWindows/ CVI s-a creat interfața cu utilizatorul. Interfața este proiectata astfel încât să fie cat mai ușor de utilizat și de inteles de către utilizatorul final. Astfel, pentru a controla temperatura, utilizatorul trebuie să își aleagă modul de control al temperaturii dorit (tripozitional sau PID) apăsannd butonul Start corespunzător fiecărui regulator, iar in zona indicată să introducă temperatura dorită în casă. De asemenea, interfața contine si un grafic care afișeaza în timp real datele și care permite utilizatorului să monitorizeze tendința temperaturii din casă.

3.2. Echipamente utilizate

3.2.1.Componente hardware

Componentele din care este realizată instalația sunt urmatoarele:

Modul răcire termoelectrică peltier 3A;

2 ventilatoare PC de 12V;

8 senzori National Semiconductor LM35DZ;

2 kituri relee: 2 relee RM50-3011-85-1005,2 rezistori de 1K, 2 tranzistoare "BC 547A GS E", 2 diode pentru protectie, si 2 conectori cu surub cu 3 cai;

Acumulator Pb 12V;

Placa de achiziție National Instruments NI USB-6008;

Modul răcire termoelectrică peltier 3A

Un răcitor termoelectric este un dispozitiv care funcționează ca și o mică pompă de căldură. Aplicând o tensiune continua redusă la bornele unui asemenea dispozitiv, se poate extrage căldura de la nivelul unei joncțiuni și să fie transferată celeilalte joncțiuni, pe baza efectului Peltier.

Sensul fluxului de căldură vehiculat prin modul poate fi modificat ușor prin simpla inversare a sensului curentului de alimentare.

Ventilator PC

Pentru răcirea sistemului am folosit două ventilatoare de PC, iar îmtre cele două ventilatoare am așezat modulul de răciere Peltier.

Figura 3.3. Ventilatoare folosite

National Semiconductor LM35DZ

Caracteristici:

Calibrare directă în grade Celsius (°C)

Precizie garantată de 0,5 ° C la +25 ° C

Gama de măsurare de la -55 ° la +150 ° C

Tensiune de alimentare de la 4V la 30 V

Auto-încălzire în timpul funcționării 0.08 ° C (capsula aflată în aer)

Senzorii LM35 sunt senzori de temperatură de precizie a căror tensiune de ieșire este direct proporțională cu temperatura în grade Celsius. Astfel, senzorul LM35 are un avantaj față de senzorii liniari de temperatură calibrați în grade Kelvin.

Kit releu

Chitul de releu conține:

relee RM50-3011-85-1005;

rezistori de 1K;

tranzistoare "BC 547A GS E" ;

diode – pentru protectie;

conectori cu surub cu 3 cai;

conectori cu surub cu 2 cai;

Figura 3.5. – Componente kit releu (Sursa http://www.robofun.ro/kit-releu-diy)

Acumulator Pb 12V

TBI – poza baterie 3.6.

Alimentarea sistemului se realizează cu ajutorul unui acumulator de plumb de 12V. Acest acumulator funcționează pe baza unui proces continuu de încărcare – descărcare.

Acumulatorul încărcat are o t.e.m. de circa 2,2V. În funcționare, tensiunea scade destul de repede la Ud = 1,95V, apoi rămâne un timp constantă, scazând apoi din nou brusc. Când tensiunea a ajuns la 1,8V, descărcarea trebuie întreruptă, deoarece sub această valoare reacțiile chimice nu mai sunt reversibile.

La încărcare, tensiunea acumulatorului crește rapid pâna la Ui =2,2V, apoi scade lent pâna la 2,3V. La sfârșitul încărcării, tensiunea este de 2.6-2,7V.

National Instruments NI USB-6008

Modulul NI USB-6008 este un dispozitiv simplu de achiziție de date care are urmatoarele caracteristici:

8 intrări analogice (12-bit, 10 kS/s)

2 ieșiri analogice (12-bit, 150 S/s);

12 intrări/ieșiri digitale ; 32-bit counter ;

Figura 3.7. Configuratia porturilor NI USB-6008

3.2.2. Tehnologii software

Lab Windows/CVI

Mediul de dezvoltare software pe care l-am ales pentru a realiza acest proiect este Lab Windows/CVI. Acesta oferă o mare varietate de biblioteci de funcții și un set complet de instrumente software pentru achiziția de date, analiză și prezentare utilizate pentru dezvoltarea aplicației de achiziție de date și control.

Lab Windows/CVI combină cu success puterea și flexibilitatea ANSI C, cu instrumentele ușor de utilizat pentru construirea sistemelor de instrumentație virtuală. Un instrument virtual oferă personalizare, scalabilitate și modularitate: se poate edita, compila și verifica programele scrise cu ajutorul limbajului de programare ANSI C.

La crearea unui instrument virtual folosind Lab Windows/CVI și hardware de la National Instruments NI, sunt necesare trei etape: achiziție, analiză, prezentare.

Datele sunt achiziționate cu ajutorul unei interfețe hardware, apoi prin intermediul interfeței cu utilizatorul se crează un mecanism de control al achiziției de date de la un instrument DAQ. De asemenea, interfața cu utilizatorul poate afișa datele achiziționate.

Dupa ce datele au fost achiziționate, acestea sunt analizate prin formatarea, scalarea acestora și procesare de semnal.

Nu în ultimul rând, datele sunt prezentate cu ajutorul interfeței cu utilizatorul care poate conține grafice, diagrame și alte controale.

Controlul programului conține logica de control pentru gestionarea fluxului de execuție a programului și funcțiile de suport definite de către utilizator.

NI-DAQmx: Measurement & Automation Explorer (MAX) 

National Instruments NI-DAQmax: Measurment & Automation Explorer este un instrument oferit de cei de la National Instruments ce poate fi folosit la testarea funcționării plăcii de achiziție NI-DAQ.

Acest lucru este posibil datorită funcționalităților oferite de acest instrument, cum ar fi editarea interfețelor, instrumentelor virtuale și a canalelor, configurarea softwareului și a hardwarului de la National Instruments, diagonosticarea sistemului, precum și vizualizarea dispozitivelor conectate la sistem.

Figura 3.8. Panoul frontal al NI-MAX

3.3. Realizarea componentei hardware

Subsistemul de răcire

Sistemul termoelectric de răcire are ca scop răcirea interiorului căsuței prin “adunarea” căldurii din interiorul ei și transmiterea acesteia la radiatorul montat în afara casei, eliberând-o în aerul ambiental.decolorare unghii

Figura 3.9. Aplicarea materialului termoconductiv după montarea pilei Peltier peste radiatorul interior

Acest lucru este realizat combinând două ventilatoare cu radiatoare, iar în mijlocul lor un dispozitiv Peltier. Ventilatorul mai mic este aranjat în interiorul casei acesta fiind răcit la o temperatură mai mică decât cea din cutie și astfel acesta va prelua căldura ce circulă în căsuță.

În timp ce curentul trece prin dispozitivul termoelectric, acesta elimină în mod activ căldura ce trece de la ventilaorul rece, la cel cald. Căldura disipată în exterior nu reprezintă doar căldura existentă în casă, ci și căldura produsă de dispozitivul Peltier.

Subsistemul de încălzire

Atunci când un conductor ( cum ar fi o rezistenta) este traversat de curent electric, prin efectul Joul ( efectul termic) are loc dispersia căldurii în acel conductor datorită interacțiunii particulelor curentului ( electroni) cu atomii conductorului care cedeaza din energia lor cinetică, prin urmare, agitația termică se măareste in masa conductorului.

Încalzirea conductorului este cu atât mai ridicată cu cât:

curentul electric ce străbate conductorul are o intensitate mai mare;

curentul electric ce străbate conductorul într-un timp mai mare;

conductorul străbătut de curent are o lungime mai mare;

conductorul străbătut de curent are o grosime mai mică;

Tensiunea aplicată la bornele conductorului, intensitatea curentului electric și intervalul de timp ne vor spune care va fi energia termică degajată la trecerea curentului prin acel conductor:

(3.1.)

Legea lui Joule:”Căldura degajatăîntr-un interval de timp t, la trecerea unui curent electric continuu, de intensitate I, printr-un rezistor de rezistența R, este proportională cu pătratul intensitații curentului electric, cu rezistența electrică a rezistorului și cu intervalul de timp considerat .”

Cu alte cuvinte, înlocuind in formula de mai sus tensiunea electrica, se va obtine urmatoarea formula:

(3.2.)

W – puterea degajată;

R – rezistența la bornele căreia se aplică tensiunea (conductorul);

I – intensitatea curentului ce străbate conductorul;

t – timpul în care se aplică o tensiune la bornele conductorului.

Figura 3.10. Rezistenta perna electrica

Rezitența folosită în experimental de față, este rezistența de la o pernă electrica și are drept caracteristică o valoare de 5 ohmi.

La bornele acestei rezistențe se aplică o tensiune de 12V provenită de la baterie, iar intensitatea curentului ce străbate aceasta rezistență este de 2,4 A.

Înlocuind în formula numarul (2) aceste valori, se observă că această rezistentă degajă o putere de 28,8 W.

Plăcuța cu relee – sterge Arduino

Figura 3.11. Schemă circuit releu (sursa robofun)

Scopul releelor este de a izola galvanic plăcuța de achiziție NI-DAQ 6008 de elementele de voltaj mai mare (12 V) pe care acesta le comandă.

Deoarece ieșirea digitală a plăcuței de achiziție nu poate oferi mai mult de 2mA, în condițiile în care activarea releului are loc la peste 60mA, am legat releul la linia de tensiune de 5V în serie cu un tranzistor( ce comută între stările de saturație și blocare), lăsând sau nu curentul să traverseze din colector spre emitor în funcție de cum intră sau nu în baza acestuia.

Scopul diodei este evidențiat atunci când tranzistorul este blocat, iar în bobină mai există curent. Dacă dioda nu ar fi legată în paralel cu bobina, curentul din aceasta n-ar avea unde să se ducă și s-ar crea un potențial de scurtă durată foarte mare ce ar duce la posibila defectare a tranzistorului.

Mai jos este prezentată plăcuța cu cele doua relee construită pe baza schemei de mai sus:

Figura 3.12. Placă cu două relee

Placa de legături și monitorizare

Figura 3.13. Placă de legături și monitorizare

Am creat această placă cu scopul de a centraliza legaturile necesare între fire ce conectează diferite subsisteme și pentru a reduce astfel un posibil risc de rupere a firelor sau de a se face scurt circuit.

Cele două leduri de pe placă sunt folosite pentru a indica activitatea subsistemului de răcire sau de încălzire, ajutând astfel la o mai bună întelegere a modului de funcționare a întregului proces.

3.4. Achizitia datelor

Figura 3.14. Schema procesului de achizitie de date ( sursa cursul de SIC)

Schema de mai sus indică procesul prin care s-a realizat achizitia valorii temperaturii din casă, proces în care s-au utilizat:

senzorii de temperatură LM35;

plăcuța de achiziție date NI DAQ- 6008;

mediul de dezvoltare Lab Windows/CVI;

LM35

La cele opt intrări analogice ale plăcii de achizitie se conectează semnalul provenit de la cei opt senzori de temperatură amplasați in casă, LM35.

Am ales acest senzor de temperatură deoarece are o ieșire analogică de tensiune proporțională cu temperatura măsurată, adică 10mV/°C. Ieșirea are o impedanță scăzută, 0.1 Ω pentru un curent de încărcare de 1mA, iar propia încălzire introdusă este de 0.08°C.

În figura de mai jos este prezentat modul în care a fost realizat circuitul între senzorii de temperatură și plăcuța de achiziție :

Figura 3.14. Circuit de conectare al senzorilor la plăcuța de achiziție

Fiecare senzor este alimentat cu 5V de la plăcuța de achizitie conectând pinul +Vs la linia de 5V a plăcuței de achizitie( portul 31).

Pinii Vout ai senzorilor au fost conectați la cele opt intrări analogice ale plăcuței de achizție, AI0-AI7.

Între pinii de masa și de ieșire a senzorilor s-a pus o rezistență de 220 Ohmi pentru a mări intervalul de temperaturi ce pot fi măsurate.

Pentru a distribui GND-ul și +5V de la plăcuța de achiziție la toți cei 8 senzori, am realizat următoarea configurație:

POZA 3.16.

NI DAQ- 6008

Odată ajuns semnalul în plăcuța de achiziție, acesta este prelucrat și transformat în semnal digital cu ajutorul circuitul intern:

Figura 3.17. Circuitul intrărilor analogice al lui NI USB -6008 ( Sursa [17])

MUX – multiplexorul leagă de PGA (programable-gain amplifier) un canal analogic AI la un moment dat;

PGA – amplificatorul cu amplificare programabilă oferă amplificări de intrare de 1,2,4,5,8,10,16 sau 20 atunci când acestea sunt configurate pentru măsurarea diferențială și o amplificare de 1 atunci cănd este configurată pentru măsuratori cu un singur fir.

ADC – convertorul analog-digital covertește semnalul analog în semnal digital

AI-FIFO – NI USB-6008 poate realiza atât o singura conversie analog-digitală sau mai multe, simultan. Un buffer first-in-first-out reține datele în timp ce porturile analogice AI achiziționează datele, pentru a se asigura că nimic nu este pierdut.

Lab Windows/CVI

Următorul pas în achiziția datelor este de a crea o aplicație cu ajutorul Lab Windows/CVI pentru a colecta datele de la plăcuța de achiziție (NI DAQ-6008), a genera o temperatură și pentru a afișa temperatura citită într-o interfață cu utilizatorul.

Figura 3.18. Zona achiziție de date

Graficul afișează tendința temperaturii citite de la fiecare senzor, iar sub acesta, cu ajutorul blocurilor numerice sunt afișate cu o precizie de doua zecimale valorile temperaturilor corespunzatoare fiecarui senzor. Cu ajutorul butoanelor Start/Stop se poate porni sau opri afișarea grafică.

Astfel, darele achziționate de la senzori pot fi analizate și interpretate de către utilizator.

3.5. Identificarea modelului

Primul pas în identificarea modelului sistemului este determinarea perioadei de eșantionare. Această perioadă a fost aleasă în funcție de constantele de timp caracteristice procesului. Simulând procesul ce realizează încălzirea casei cu un semnal de tip treaptă s-a obținut o perioadă de eșantionare astfel:

Figura 3.19. Modul de alegere al perioadei de esantionare

Unde N reprezintă numărul de eșantioane care prind regimul tranzitoriu al procesului, iar tc este timpul de creștere. Alegând ca N=40 eșantioane să cuprindă timpul de creștere , pe baza datelor experimentale ilustrate mai jos s-a ales o perioadă de eșantionare de 30 de secunde.

Figura 3.20. Răspunsul senzorilor la un semnal treaptă aplicat rezistenței

Odată aflată perioada de eșantionare se aplică asupra modelului un semnal de excitație de tip pseudo-aleator binar (SPAB). Motivul alegerii acestui tip de semnal este datorat caracteristicii sale în frecvență – amplitudinea este bine determinată în comparație de un semnal de tip treaptă care, în frecvență ajunge la 0 la un moment dat.

Valorile semnalului de comandă generat aleator cu semnalul SPAB și cele ale semnalului de ieșire sunt salvate într-un fișier, iar pe baza acestuia se va determina complexitatea, modelul, validarea modelului și evaluarea functiei de transfer ale procesului studiat folosind aplicația WinPIM.

WinPIM este o aplicație realizată de către compania Adaptech ( vezi referinta ) și oferă o soluție autommatizată de lucru pentru identificarea și validarea unui model matematic pe baza unui experiment de identificare.

După încărcarea datelor experimentale în aplicație s-a obțtinut urmatorul grafic, de unde datele utilizabile sunt cele de la valoare 60 în sus de pe axa x:

Figura 3.21. Date experimentale inițiale

Înainte de a începe etapa de identificare am scos componenta continuă a semnalului, rezultatul obținut fiind reprezentat în graficul de mai jos:

Figura 3.22. Date experimentale filtrate

Pe baza datelor achiziționate se va face o exprimare a complexității, din meniul Estimation of Complexity. Se vor afla astfel valorile pentru nA, nB și a timpului mort. S-a aflat astfel că gradul lui nA = 1, gradul lui nB =1, iar valoarea timpului mort este zero.

După estimarea complexității modelului am propus modelul de identificare de tip ARX, iar sin meniul Parametric Identification am identificat valorile parametrilor acestuia:

Figura 3.23. Alegerea modelului de identificare

Parametrii identificați sunt urmatorii A(1) = 0.99890 și B(1) = 0.22791. Pentru fiecare model identificat trebuie să se realizeze validarea modelului.

Figura 3.24. Validarea modelului identificat

După parcurgerea acestor pași, se poate scrie funcția de transfer aferentă procesului, și anume:

(3.3)

3.6. Proiectarea regulatoarelor

3.6.1. Proiectarea tripozitional

Pentru implementarea algoritmului de reglare tripozițional s-a realizat urmatoarea interfață cu utilizatorulul în care există zone de setare a referinței, a zonei de insensibilitate, precum și a valorii histerezisului, precum și un grafic pentru afișarea referinței și evoluția temperaturii în timp, precum și două câmpuri în care sunt afișate valorile erorii calculate și a ieșirii sistemului.

PZOA INTERFATA 3.25.

Conectarea și deconectarea celor doua relee au loc atunci când se atinge pragul de comutare, adică –d-a și d+a. Astfel, temperatura va oscila în jurul referinței setate cu o amplitudine determinată de lățimea zonei de histerezis și de valoarea timpului mort.

Figura 3.26. Funția de reglare a regulatorului tri-pozițional (sursa SIC)

După cum se observă în graficul de mai sus, temperatura depășește zona definită de histerezisul regulatorului. Acest lucru se datoreaza faptului că semnalul de execuție se resimte după un anumit interval de timp în proces. Pentru a micșora amplitudinea oscilațiilor mărimii reglate, se micșorează zona de histerezis. Dacă histerezisul regulatorului va avea o valoare mai mică, va rezulta o precizie de reglare mai bună, dar acest lucru va influența frecvența de comutare a comenzii de la o valoare la alta.

3.6.2. Proiectare PID

Pentru acordarea parametrilor regulatorului PID, am folosit metoda experimentală Zeigler – Nichols deoarece aceasta este o metoda potrivita pentru procesul de față, acesta fiind un proces lent, cu o constantă de timp mai mare de 10 secunde.

Această metodă de acordare a parametrilor se bazează pe faptul ca SRA are o comportare stabilă, iar parametrii de acord Kp, Ti, Td, se determină la limita de stabilitate a sistemului.

Modul prin care am ales parametrii este: am fixat valoarea constantei de timp de integrare, , la valoarea maximă, când acesta tinde la infinit, prin urmare constanta de integrare , va fi zero. După aceea am fixat valoarea constantei de timp de derivare, , la valoarea minimă, adică zero prin urmare constanta de derivare , va fi zero. Astfel a rezultat un regulator de tip P.

După obținerea regulatorului de tip P se va modifica factorul de amplificare, până la o valoare la care sistemul va atinge limita de stabilitate, adică atunci când ieșirea sistemului intră într-un regim de oscilații neamortizate cu o perioadă exactă.

În acest punct, se va reține valoarea factorului de amplificare în acest regim ( notată ) și valoarea perioadei de oscilare a acestora (, iar cu ajutorul lor, din tabelul de mai jos se vor obține valorile parametrlor de acord: , , .

Tabel 3.1. Valorile Parametrilor de acord

Urmărind pașii descriși mai sus, s-a aflat un și un , de unde rezultă urmaoarele valori pentru parametrii de acord:

;

;

;

POZA INTERFATA 3.27.

Graficul afișează referința, precum și ieșirea sistemului pentru o urmarire mai ușoară a evoluției sistemului în raport cu referința setată. De asemenea, în interfață se poate seta temperatura dorită, procum și valorile celor trei parametrii de acord.

Nu în ultimul rând, butoanele Start și Stop au ca scop pornirea și oprirea algoritmului de reglare de tip PID.

3.7. Analiza rezultatelor

– intai am incercat cu senzorii 335, dar nu au mers si am inlocuit

– intai radiator mic la incalzire, dar se incingea

– nu poate sa ajunbga decat la temp aia in jos, numai la tem aia in sus

– izolarea casutei pt o mai buna mentinere a temp

– am reusit sa metin temp dorita cu precizie de 0.1 grade timp de x

4. Concluzii

In cadrul acestei lucrari s-a prezentat partea de hardware al unui sistem de monitorizare și reglare a temperaturii cu ajutorul unui instrument virtual prin care se controleaza achizitia de date, algoritmii de control și afisajul.

Rezultatele obținute indică faptul ca temperatura poate fi controlată în mod eficient și precis, ce are drept consecință faptul că responsabilitățile utilizatorilor sunt diminuate, iar cele ale sistemului automat ce controlează temperatura să devină mai complexe.

4.1. Aspecte de siguranta – de completat

Circuitul cu relee folosit pentru controlul surselor de caldura poate sa se defecteze si sa determine o functionare anormala a sistemului.

Folosind mai multi senzori, precum si alte instrumente se pot adauga confirmari si alarme in caz de avarie pentru diferite componente din sistem. Astel ele vor putea fi monitorizate mai usor.

De asemenea, se poate adauga un buton de oprire in caz de urgenta care va opri intregul sistem.

Pentru un utilizator neexperimentat, sistemul prezinta o siguranta destul de ridicata din punct de vedere electric deoarece firele sunt izolate si etichetate corespunzator .

Principalul risc de ranire este la alimentarea sistemului de la bacteria de 12V deoarece, daca se va conecta almentarea la GND si invers exista riscul ca intreg sistemul sa se defecteze.

Pe viitor, pentru sporirea gradului de siguranta se pot conecta firele direct la baterie, iar apoi sa fie legate la un buton, astfel incat utilizatorul nu mai are contact direct cu alimentatorul.

4.2. Perspective de cercetare

O primă îmbunătățire ce poate fi adusă procesului existent ar fi înlocuirea bateriei de 12 V cu un alimentator de 12V și minim 6A, astfel subsistemul de răcire va putea funcționa mai mult de o oră fără întrerupere.

Izolarea prototipului casei cu plăci de polistiren va mărimi eficiența sistemului, împiedicând pierderile de căldură în exterior.

Înlocuind releele cu un tranzistor TIP-121 se va putea realiza o comndă mult mai rapidă și precisă dacă se va folosi un microcontroller extern ce poate genera semnal PWM cu factor de umplere dictat de NI-USB 6008.

O altă îmbunătățire ar fi instalarea senzorilor infraroșii pasivi care vor detecta mișcarea din interiorul casei. Astfel, se va putea realiza un regulator “inteligent” care va putea învăța orele de activitate ale utilizatorului.

Software-ul poate fi îmbunătățit dacă se va realiza o identificare a modelului matematic mai riguroasă, ceea ce va ajuta la aflarea parametrilor de acordare a regulatorului de tip PID mult mai exactă.

Perspectivele de cercetare pot fi nelimitate, de exeplu: iluminarea și menținerea temperaturii în casă adaptivă, care ia in calcul ora, anotimpul, nivelul de activitate, condițiile meteo etc.

Bibliografie

John Wiley & Sons, Inc. 2003.Heat Sinks and Component Temperature Control. Lecture Notes.

Sgârciu V. 2013. Curs Traductoare și Sisteme de Măsurare.Universitatea "Politehnica" București.

Popescu D., Stefanoiu D, Lupu C., Petrescu C., Ciubotaru B, Dimon C. 2006. Automatică Industrială . Editura AGIR, București.

Ghid practic de intelegere a solutiilor de tip SCADA. 2009 BlueNote Communications SA

LabWindows/CVI. Getting Started with LabWindows/CVI. 2010 National Instruments Corporation. Disponibil pe www.ni.com

Zaharia L. Sisteme de măsurare computerizate pentru achiziția de date. Iași 2005

Valeriu D. 2009. Măsurarea mărimilor electrice și neelectrice. Universitatea Tehnica “ Gh. Asachi” Iași

Dumitrache I. 2010. Ingineria reglarii automate. Ed. Politehnica Press, Bucuresti

Pătrașcu M., Voinescu M. 2011. Ingineria Reglării Automate: Îndrumar de laborator. Ed. Politehnica Press, București

Păușan E. 2008. Testarea unei plăci de achiziție. http://daq.wikidot.com/testare-daq, accesat la data de 23.06.2015

Lupu C. 2015. Curs Sisteme Integrate de Conducere. Universitatea "Politehnica" București.

Lupu C. 2015. Curs Sisteme de Conducere a Proceselor Industriale. Universitatea "Politehnica" București.

Krans J. Hoy R. 2005. Tools for Physiology Labs: An Inexpensive Means of Temperature Control. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3592617/ , accesat la data de 25.06.2015

Forsythe ID. Coates RT. 1988. A chamber for electrophysiological recording from cultured neurones allowing perfusion and temperature control. Laboratory of Developmental Neurobiology, Bethesda

Hanting Lu.2013 Peltier Temperature Controller. School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University

Tanasa V. 2015. Laborator Sisteme Ierarhizate de conducere. Universitatea "Politehnica" București.

NI USB-6008/6009 Guide and Specifications. http://www.physics.ucc.ie/fpetersweb/FrankWeb/courses/PY3108/USB6008_Manual.pdf , acesat ultima data la data de 29.06.2015

LM35 datasheet, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf , accesat ultima data la data 13.06.2015

Lelic M. 1999. PID controllers in the nineties. Corning Incorporated Science and Technology Division, Corning, NY.

Stan N. 2013. Panouri radiante, alternativa centralei termice. Sursa http://www.romaniatv.net/panourile-radiante–alternativa-centralei-termice–incalzeste-persoanele-cu-raze-infrarosii–vezi-cat-costa_105623.html , accesat la data de 21.06.2015

ANEXA A – Codul sursă

Codul pentru achiziția de date

ANEXA A – Codul sursă

Codul pentru implementarea regulatorului tripozițional

ANEXA A – Codul sursă

Codul pentru implementarea regulatorului PID

ANEXA B – Interfața grafică