Sistem de Comanda a Unui Reactor Chimic Utilizand Automat Programabil Siemens

Sistem de comandă a unui reactor chimic utilizând automat programabil Siemens

INTRODUCERE

În trecut oamenii erau cei care realizau comanda unui proces. În zilele noaste omul a fost înlocuit cu electricitatea, comanda făcându-se cu relee electrice. Acestea permit sau nu furnizarea energiei. Releele sunt folosite în cazul în care este necesară luarea unor decizii simple.

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei, inclusiv a calculatoarelor a căror preț a scăzut, s-a ajuns la apariția automatelor programabile (în engleză: PLC-Programable Logic Controller). Această dezvoltare a dus la posibilitatea simulării în timp real a mai multor aplicații din domeniul industrial. Simulările în timp real au rolul de a preveni sau chiar îndepărta eventualele defecțiuni sau blocaje ce pot apărea în orice moment în sistem. Utilizarea simulărilor a dus de asemenea la scăderea prețului de implementare a oricărui proces tehnologic automatizat, deoarece acestea nu necesită un consum mare de materiale.

Apariția μP (microprocesoarelor) și implementarea acestora în PLC-uri a dus la reducerea costului automatelor programabile, a energiei consumate cât și a mărimii acestora.

La începutul anilor ’90 existau mai bine de o mie de producători de PLC-uri, fiecare având la bază limbajul LAD (ladder) și nu numai. Cei mai importanți producători de automate programabile sunt : Siemens, Mitsubishi Electric, Schneider, Allen Bredley, Telemecanique. [1]

Industria este o ramură a producției materiale, pe scară largă realizându-se activități de exploatare a bunurilor materiale și de transformare a acestora.

În industria chimică [2], reactoarele chimice sunt incinte proiectate în interiorul cărora se realizează reacții chimice, adică transformarea unor compuși chimici în alți compuși chimici. Un exemplu este reactorul de presiune. Forma unui reactor chimic depinde de mai multe aspecte, cum ar fi proprietățile termodinamince și cinetice ale reacțiilor chimice ce se realizează.

Există două tipuri principale de reactoare :

de lot

continue

Reactoarele de lot

Acestea sunt folosite pentru majoritatea reacțiilor ce se realizează în afara laboratorului. Reactanții sunt introduși într-un “ test-tube ”. Aceștia sunt amestecați împreună, deseori incălziți pentru ca reacția chimică să aibă loc, și apoi răciți. După acest proces produsul final este trimis la ieșirea reactorului.

Reactoarele continue

O alternativă la reactoarele de lot este alimentarea continuă a reactanților în reactor până într-un anumit moment, permițând reacției să aibă loc și să retragă produsele la un moment dat. Trebuie să existe un flux constant de reactant si produs. Tipuri de reactoare continue : reactoare tubulare, reactoare cu pat fix, și așa mai departe.

O serie de criterii trebuie să fie îndeplinite atunci când se construiește un reactor. Pentru ca dispozitivul să fie eficient, condițiile trebuie să fie îndeplinite cu strictețe (temperatura, cantitatea de oxigen, umiditate, și alte componente ce țin de mediul înconjurător). De asemenea este important că pentru eliminarea reacțiilor adverse, substanțele ce se introduc în reactor nu trebuie să ia contact cu mediul exterior.

CAPITOLUL 1. PREZENTARE ECHIPAMENT ȘI CERINȚE PROIECT

1.1 Prezentare echipament

Sistemul avansat de simulare ASIMA [14] a fost dezvoltat de firma ELWE pentru aplicarea de exemple practice pe PLC-uri, acestea putând fi folosite și în cazuri reale. Exemplele individuale sunt obținute cu măști ce conțin diagrame ce întruchipează procese și sunt aplicate simulatorului de sistem.

Simulatorul este împărțit în trei secțiuni paralele clar definite : panoul de conexiuni, panoul de demonstrație și panoul de comandă.

Figura 1.1 Panoul de simulare

În urma aplicării măștii, sistemul va fi :

Figura 1.2 Panoul de simulare cu masca aplicată

Panoul de conexiuni

Sistemul de simulare este conectat la PLC prin socluri de siguranță de 4 mm sau printr-un sochet cu 50 de pini. Efectul semnalelor de la sochetul de siguranță grupat al simulatorului depinde de setările comutatorului (secțiunea 2) corespunzând specificațiilor fiecărei măști aplicate în parte (secțiunea 20).

Sistemul de simulare este operat cu o sursă stabilizată de 24 V curent continuu, tensiune furnizată de sursa de alimentare a PLC-ului.

Setarea comutatorului de codare în concordanță cu masca aplicată. În partea stângă a măștii se poate schimba numărul aplicației care se dorește a fi rezolvată. În funcție de codul setat se definește funcționalitatea LED-urilor de pe panoul de demonstrație, funcționalitatea LED-urilor, comutatoarelor, potențiometrelor de pe panoul de comandă cât și conexiunile către microcontroler în simulator și socheturile de siguranță pe panoul de comandă.

Socheturile sunt utilizate pentru a conecta senzorii și comutatoarele de pe simulator la PLC. Socheturile de siguranță de pe sistemul de simulare, marcate cu S0, S1,…,S11, sunt conectate la senzori și comutatoare conform măștii aplicate. Fiecare dintre aceste elemente, limitator de nivel (senzori) și comutatoare, se pot comporta fizic făcând sau nu contact în funcție de setarea aleasă.

Fiecare selector (marcat de la S0 până la S11) este atribuit unui sochet de siguranță cu același marcaj. Depinzând de setările pentru selector, senzorii sau comutatoarele, atribuite conform măștii aplicate, se comportă ca un contact normal închis dacă sunt pe poziția de sus, sau ca un contact normal deschis dacă se află pe poziția de jos.

Socheturile de la 0 la 7 sunt folosite pentru a conecta elementul de execuție pe masca folosită.

Socheturile H1, H2, H3, H4 sunt conectate direct la lămpile de semnalizare H1, H2, H3, H4 (secțiunea 12) de pe panoul de comandă. Aceste socheturi pot fi conectate fie direct la ieșirile automatului programabil, fie la socheturile de la 0 la 7 în funcție de atribuiri.

Până la patru contactoare (relee) ilustrate pe mască sunt de asemenea echipate cu un contact normal închis. Acestea pot fi operate fizic (hardware) între ieșirea PLC-ului și conexiunea elementului de execuție pe sistemul de simulare.

Socheturile sunt folosite pentru a conecta intrările analogice U1 și U2 de pe sistemul de simulare la ieșirile analogice ale automatului programabil. Tensiunea de operare pentru fiecare intrare analogică variază între 0 V și 10 V curent continuu.

Identic ca la 8.

În plus la socheturile de pe panoul de comandă, toate intrările și ieșirile de pe sistemul de simulare sunt conectate la conectorul cu 50 de pini. Acesta este folosit pentru a conecta sistemul de simulare, de exemplu printr-o panglică (ELWE art. no. 24 12 123) direct către PLC dacă propriile intrări și ieșiri sunt conectate la sochetul adecvat.

Panoul de comandă

Toate comutatoarele, lămpile de semnalizare și potențiometrele necesare pentru operarea circuitului de comandă ilustrat pe masca aplicată sunt clar aranjate pe panoul de comandă. Doar elementele de comandă etichetate pe panoul de comandă sunt vizibile, corespunzând măștii alese.

Butoanele de apăsare S0,…,S5 pot fizic (hardware) să se comporte ca și contacte normal deschise sau normal închise în funcție de setările realizate pentru switch-ul respectiv pe panoul selector (secțiunea 4) pe sochetul de siguranță (secțiunea 3) în panoul conexiunilor.

Lămpile H1,…, H4 sunt conectate direct la socheturile H1,…, H4 (secțiunea 6) pe panoul de conexiuni și de asemenea la sochetul cu 50 de pini (secțiunea 10).

Butoanele cu posibilitate de revenire de la S6 la S11 pot fi fizic implementate și au rolul de a închide/deschide contactele în funcție de setările selectorului de la S6 la S11 din secțiunea 4 pe socheturile de siguranță (secțiunea 3) în panoul de conexiuni.

Tensiunea între 0 V și 10 V, curent continuu, este setată pe potențiometru direct la intrarea analogică a microcontrolerului de pe sistemul de simulare. Efectul tensiunii depinde de masca folosită (secțiunea 20).

Panoul de demonstrație

Panoul de demonstrație conține LED-uri ce indică starea de operare a actuatoarelor, precum relee sau contactoarele bobinelor. Banda de LED-uri, de exemplu, indică evident nivele de umplere/scădere și mișcări. PLC-ul poate să comande LED-uri sau segmente din banda de LED-uri care sunt atribuite elementelor de execuție (actuatoarelor) în funcție de masca aplicată și codul corespunzător.

Pinii folosiți pentru fixarea măștii

Diodele emițătoare de lumină indică stările de operare ale elementelor de execuție a măștilor. Se aprind LED-urile corespunzătoare codului introdus în secțiunea 2.

Segementele de LED-uri ce indică acțiuni, nivele de umplere, și așa mai departe. Indicarea cu segmente individuale sau bandă de LED-uri cu lungime variabilă depinde de masca aplicată (secțiunea 20).

Aplicarea măștii în funcție de aplicația care se dorește a fi soluționată.

Tabelul pe masca aplicată marchează atributele LED-urilor către elementele de execuție de pe mască și către socheturile respective de pe panoul de conexiuni. Lista din coloana din stânga reprezintă numele LED-urilor corespunzătoare actuatoarelor de pe mască, iar coloana din dreapta reprezintă codurile pentru socheturile corespondente de pe panoul de conexiuni.

Etichetă pe mască pentru a marca setările codării realizate în secțiunea 2.

Etichetarea măștii pentru a atribui senzorii și comutatoarele marcate pe mască către socheturi (secțiunea 3).

Numele măștii, în cea de-a doua figură este ilustrată masca M41 ce arată un sistem de tip reactor chimic ce e aplicat panoului de demonstrație și comandă.

Ca în aplicțiile practice, PLC-ul poate fi conectat cu cabluri de conexiune individuale la socheturi de siguranță de 4 mm sau printr-o magistrală 24 12 123 la banda terminală de 50 de pini.

Figura 1.3 Magistrală conexiune PLC-sistem simulare

1.2 Măsuri de siguranță

Dispozitivul nu trebuie pornit în cazul în care acesta prezintă vreo urmă de deteriorare.

De asemenea dispozitivul nu trebuie să fie utilizat în locații în care există umiditate, în locații în care există gaze inflamabile, vapori sau praf.

Trebuie evitate șocurile, vibrațiile sau impacturile ce pot afecta sistemul. Atingerea dispozitivului cu mâinile ude este strict interzisă. Supraîncărcările, scurt circuitele precum și alimentarea de la o sursă externă prin socheturile de conectare duc de asemenea la încetarea activității întregului sistem.

Este obligatorie asigurarea faptului că dispozitivul va fi curățat când tensiunea de alimentare este deconectată. De asemenea dacă se necesită o operație de reparare sau înlocuire, aceasta va fi realizată de către o echipă de electricieni autorizați cu componente originale.

1.3 Cerințe proiect

După o neutralizare anterioară, produsul Y1 e produs în reactor. Secvența de proces trebuie observată strict.

Figura 1.4 Structura reactorului

Descriere funcțională 1 – Comanda manuală

Când butonul S1 e apăsat, controlul manual este activat și indicat cu lampa H1. Acum gazul inert pentru procesul de neutralizare poate fi umplut cu S4 pentru un timp dat (simulare t1=10 s). Valva Y4 trebuie să se deschidă în același timp pentru a permite introducerea gazului inert. Lampa H4 indică perioada de neutralizare prin aprindere.

Apoi circuitul de răcire al apei se activează.

După aceasta substanța și catalizatorul pot fi introduse în rezervor prin apăsarea simultană a butonului S2 și S3. Rata de alimentare M1 (rata/timp) pentru substanță este ajustată cu potențiometrul de pe ASIMA.

Pe durata procesului de umplere H2 si H3 sunt aprinse.

Când nivelul maxim (L +) este atins, valvele substanței și catalizatorului se închid, și timpul de reacție porneste (simulare t2=10 s).

Simultan, mixerul M2 începe să se răsucească alternativ în sensul acelor de ceasornic și invers.

Când reacția e terminată, mixerul e oprit, valva produsului Y1 se deschide și reactorul se descarcă.

Rata de descărcare Y1 (rata/timp) este ajustată cu potențiometrul de pe ASIMA.

Când reactorul este gol (L -), valva Y1 se închide și circuitul de răcire al apei este deschis.ralizare prin aprindere.

Apoi circuitul de răcire al apei se activează.

După aceasta substanța și catalizatorul pot fi introduse în rezervor prin apăsarea simultană a butonului S2 și S3. Rata de alimentare M1 (rata/timp) pentru substanță este ajustată cu potențiometrul de pe ASIMA.

Pe durata procesului de umplere H2 si H3 sunt aprinse.

Când nivelul maxim (L +) este atins, valvele substanței și catalizatorului se închid, și timpul de reacție porneste (simulare t2=10 s).

Simultan, mixerul M2 începe să se răsucească alternativ în sensul acelor de ceasornic și invers.

Când reacția e terminată, mixerul e oprit, valva produsului Y1 se deschide și reactorul se descarcă.

Rata de descărcare Y1 (rata/timp) este ajustată cu potențiometrul de pe ASIMA.

Când reactorul este gol (L -), valva Y1 se închide și circuitul de răcire al apei este deschis. Un nou proces poate fi început manual.

Butonul S0 de oprire în caz de urgență întrerupe procesul început, dar circuitul de răcire al apei rămâne activat. Când comanda manuală este activată (prin apăsarea butonului S1), procesul poate fi continuat.

Descriere funcțională 2 – Comanda manuală- comanda automată

În plus față de comanda manuală, modul automat poate fi selectat prin apăsarea butonului S5, astfel încât secvența de proces este automat începută când S4 (gazul inert) este apăsat.

Comanda manuală poate fi selectată prin apăsarea lui S1. Butonul de avarie S0 are același rol ca în cazul descrierii funcționale 1.

CAPITOLUL 2. ASPECTE TEORETICE

2.1 Modelarea sistemelor dinamice cu evenimente discrete (SDED)

Un sistem dinamic cu evenimente discrete [5] reprezintă un sistem ce are ca principală caracteristică faptul că evoluează o dată cu apariția “bruscă”, la intervale neregulate de timp (nu neaparat cunoscute aproric), a unor evenimente fizice precum :

sosirea sau plecarea într-o/dintr-o coadă de așteptare a unui client ;

apariția unei perturbații sau schimbări a unei mărimi din interiorul unui sistem complex de comandă ;

transmiterea unui pachet de date într-un sistem de comunicație.

Evoluția unui SDED (sistem dinamic cu evenimente discrete) se realizează pe o traiectorie definită pe o mulțime de tranziții între stările posibile ale sistemului. Aceste tranziții sunt activate de anumite evenimente.

Momentele de început și de sfârșit ale activităților executate în cadrul sistemului dinamic cu evenimente discrete sunt esențiale.

Este prezentată în continuare o clasificare a sistemelor dinamice cu evenimente discrete :

Figura 2.1 Clasificare SDED

Un automat finit determinist, AFD, se definește ca fiind un quintuplu:

G=(Q, Σ, q0, δ, Qm)

unde :

Q – mulțimea (finită) a stărilor

Σ – alfabetul de evenimente

q0 – starea inițială

δ – funcția de tranziție; δ : Q x Σ → Q

Qm – mulțimea stărilor marcate

Notații:

În subcapitolul 3.1 sunt prezentatate automatele finite ale sistemului comandat manual, și a sistemului automat.

2.2 Modelarea sistemelor dinamice cu evenimente discrete (SDED) folosind rețele Petri

O rețea Petri (RP) [5] poate fi definită ca fiind un graf bipartid ce are două tipuri de noduri : locuri și tranziții. Legătura între locuri și tranziții se realizează cu ajutorul unor arce orientate. Acestea nu leagă niciodată două noduri de aceeași natură. Deși există mai multe variante de notare, în general locurile se simbolizează prin cercuri, iar tranzițiile prin bare sau dreptunghiuri. Orice loc poate conține una sau mai multe mărci (jetoane). De asemenea fiecărui arc i se asociază o pondere, adică un număr real pozitiv. În cazul în care ponderea nu este specificată pe arc, aceasta se consideră a fi egală cu 1.

Altfel spus, o rețea Petri poate fi un cvintuplu RP = (P, T, A, W, M0), unde :

P = {P1, P2,…, Pn} este mulțimea locurilor

T = {T1, T2, …, Tn} este mulțimea tranzițiilor

este mulțimea arcelor

este funcția de ponderare asociată arcelor

reprezintă marcajul inițial.

Se spune despre o tranziție că este autorizată, sau validată, dacă orice loc de intrare Pi în tranziția următoare Tj conține un număr de mărci cel puțin egal cu ponderea arcului de la Pi la Tj. Pentru rețele Petri ordinare (rețele a căror pondere a arcelor este 1), condiția de autorizare este ca în fiecare loc de intrare să existe cel puțin o marcă. Doar tranzițiile validate pot fi declanșate. Declanșarea unei tranziții presupune :

Extragerea numarului de mărci specificat de ponderea arcului, din locul Pi

Adăugarea mărcilor în locul Pi+1.

Un blocaj este definit ca un marcaj din care nici o tranziție nu este autorizată. Extrapolând, o rețea Petri este fără blocaj pentru un marcaj inițial M0 dacă nici un marcaj accesibil nu este un blocaj. Un marcaj se consideră a fi accesibil în cazul în care poate fi obținut din marcajul inițial, aplicând o secvență de tranziții.

În figura următoare este prezentată o rețea Petri ordinară. Conform noțiunilor prezentate mai sus modul de funcționare a rețelei este următorul :

Figura 2.2 Exemplu rețea Petri

În locul P1 este depusă o marcă. Marcajul ințial al rețelei Petri este (1, 0, 0). Odată ce tranziția T1 este validată, aceasta se poate declanșa determinând mutarea mărcii din locul P1 în locul P2. Dacă s-ar dori inițial declanșarea tranziției T2, și nu a tranziției T1, acest lucru nu ar fi posibil deoarece în locul P2 nu se află nici o marcă. De-ndată ce în locul P2 se află o marcă, tranziția T2 poate fi autorizată și după declanșarea acesteia marca ajunge în P3. Tranziția T3 depune o marcă în P2.

2.3 Automate programabile (PLC-uri)

Înainte de apariția automatelor programabile (AP), procesul de reînnoire a unui sistem dintr-o fabrică dura destul de mult timp deoarece vechile sisteme aveau la bază sisteme de comandă cu relee. Pentru a alimenta aceste sisteme pentru o nouă sarcină se impunea o recablare completă. Pentru a rezolva această problemă General Motors a cerut inginerilor să găsească o alternativă electronică.

Și în cele din urmă un sistem nou de comandă a fost introdus în progresul automaticii, automatul programabil (PLC-Programmable Logic Controller). Față de vechile echipamente, PLC-urile pot rezolva probleme mai complexe într-un timp redus. Un PLC este practic un calculator special care poate fi programat pentru folosirea proceselor automate și electromecanice.

Deseori folosim PLC-uri în fiecare zi fără să ne dăm seama, în aplicații simple precum : semafoare, lifturi, sau chiar propriul sistem de securitate al casei.

În general fiecare PLC are 3 componente principale : sursa de alimentare, UCP și modulele de intrare / ieșire (în această ordine fiind și amplasate pe panou).

Figura 2.3 PLC Siemens S7-300

Sursa de alimentare (PS-Power Supply) are rolul de a alimenta PLC-ul cu cei 24 V (conexiune primară) care îi sunt necesari pentru a funcționa. La intrare sursa de alimentare primește 230V curent alternativ de la rețea (conexiune secundară).

UCP-ul (Unitatea Centrală de Procesare) sau CPU (Central Processing Unit) este cel mai important deoarece poate primi comenzi de la intrări, să le proceseze folosind programul făcut pe computer, și apoi să trimită informațiile către ieșiri pentru a fi executate. UCP-ul se comportă ca un punct central pentru toate activitățile din PLC.

Pe modulul CPU se află un comutator cu ajutorul căruia procesorul poate fi adus în starea RUN, STOP, sau se poate reseta memoria (MRES).

Modulul UCP are o serie de leduri ce au următoarea semnificație :

SF: defect hardware sau software. SF este acronim de la System Fault.

DC5V: arată prezența celor 5 V necesari alimentării elementelor electronice ale procesorului.

FRCE: este acronim de la Forced. Acest led galben arată că o intrare sau o ieșire a fost forțată să aibă o anumită valoare. Această valoare poate fi dată doar de către programatorul care lucrează cu PLC-ul.

RUN: când acest led este aprins, procesorul lucrează. Dacă acest led pâlpâie cu o frecvență de 2 Hz (ledul clipește de două ori pe secundă) UCP-ul pornește, iar dacă frecvența cu care pâlpâie este de 0.5 Hz (o dată la două secunde) procesorul e în starea pause.

STOP: UCP-ul este oprit, în modul pauză sau pornit. Dacă ledul clipește cu o frecvență de 2 Hz procesorul se resetează. Dacă frecvența cu care pâlpâie ledul este de 0.5 Hz CPU-ul necesită o resetare.

Un program poate fi scris și stocat pe un card de memorie (MMC- Micro Memory Card). Cardul este o memorie non-volatilă ceea ce inseamnă că la tăierea alimentării toate datele rămân salvate. Cardul de memorie poate fi scos doar după ce echipamentului i-a fost deconectată alimentarea.

Intrările sunt folosite pentru a transmite UCP-ului semnale care să fie apoi procesate. În industrie intrările procesului sunt conectate la intrările PLC-ului. De exemplu o intrare de proces poate fi un buton de comutare prin apăsare. Când butonul este apăsat, acesta trimite un semnal electric către intrarea AP-ului. Acest semnal poate fi un curent sau o tensiune. Acest semnal electric este trecut prin intrările PLC-ului și transformat în semnal digital. Deoarece UCP-ul este un sistem computerizat și nu poate prelucra semnale electrice, intrările fac conversia electric-digital. Odata ce UCP-ul a prelucrat datele, acestea sunt trimise prin ieșiri.

Ieșirile transformă semnalul binar de la UCP în semnal electric pentru a fi folosit în procesul industrial. Aceasta deoarece procesele industriale folosesc semnale electrice pentru a putea fi funcționale.

Intrările ca și ieșirile pot fi analogice sau digitale. Intrările / ieșirile digitale citesc (comandă) semnale cu două stări (high sau low). Intrările / ieșirile analogice citesc (comandă) semnale variabile (4-20 mA sau 0-10 V )

Figura 2.4 Structură generală PLC

Sunt două tipuri de PLC-uri : modulare și compacte.

În PLC-urile modulare, cele trei părți (intrări, UCP, ieșiri) sunt componente ce nu lucrează independent. Când sunt folosite împreună formează un PLC modular. Aceste AP-uri sunt folosite în aplicații mari și medii precum : industria constructoare de mașini, industria chimică. Elementele PLC-urilor modulare trebuie achiziționate și asamblate separat, apoi conectate manual. Asta însemnă că acestea pot fi “personalizate” în funcție de necesitățile procesului.

Dar un AP compact e deja asamblat la fabricare și este gata de utilizare. În majoritatea cazurilor se pot adăuga module pentru a putea mări numărul de intrări și ieșiri disponibile.

Avantajele si dezavantajele PLC-urilor [7]

Un avantaj esențial pentru automatele programabile este că sunt robuste și sunt rezistente la vibrații. Un alt avantaj îl constituie faptul că PLC-urile comunică cu mediul exterior prin modulele de intrare și ieșire. Față de alte metode de comandă care presupun un soft greu de realizat, automatele programabile sunt destul de ușor de programat.

Unul din cele mai mari dezavantaje ale automatelor programabile este timpul pe care-l ocupă cablarea componentelor. În cazul în care programul este unul complex, identificarea erorilor devine o problemă consumatoare de timp și neuroni.

2.3.1 SIMATIC S7-300

S7-300 [13] este familia de PLC-uri cea mai vândută ceea ce face posibil obținerea de soluții de succes în domenii precum:

Industria automobilistică

Industria procesatoare de materiale plastice

Industria sistemelor de parcare

Industria chimică

Familia de automate programabile S7-300 economisește spațiu prin configurația modulară pe care o are, adaptându-se facil la procesul tehnologic. Acesta nu necesită un ventilator pe durata funcționării. În afară de modulele componente, este indispensabilă doar o șină pe care sunt prinse cu șurub modulele.

MPI (Multi Point Interface) este o soluție ieftină pentru comunicația cu automatul programabil. Un total de 125 de MPI-uri pot fi conectate utilizând o rată de transmisie de 187.5 kbit/s.

MMC (Micro Memory Card) poate fi folosit pe durata realizării operațiilor pentru memorarea și accesarea datelor.

2.3.2 Programarea PLC-urilor

Un PLC poate fi programat [3] urmând doi pași :

Crearea configurațiilor hardware și încărcarea acestora in PLC

Scrierea programului și încărcarea acestuia in PLC

Configurațiile hardware realizate în cadrul proiectului sunt :

Figura 2.5 Configurații hardware

Pentru realizarea pașilor de mai sus este necesar un echipament de programare, PC sau laptop. De asemenea este necesară instalarea unui software special pe PC sau laptop. Acest software se numește Step 7 SIMATIC Manager.

După cum s-a specificat și mai sus, întâi se realizează configurarea hardware. Pentru a realiza această configurare trebuie respectate anumite reguli (pași) :

Se apasă click dreapta pe proiectul creat și se selectează „Insert New Object” → „SIMATIC 300 Station”

Dublu click pe „SIMATIC 300”, apoi „Hardware” pentru a deschide fereastra de configurare hardware

Se selectează rack-ul (suportul) pe care este amplasat PLC-ul

Pe slotul 1 întotdeauna se amplasează PS-ul (sursa de alimentare)

Slotul 2 este rezervat procesorului

Modulelor de interfață le e asigurat slotul 3

Restul sloturilor sunt folosite pentru cartele de intrare / ieșire

Se apasă pe „Download”. Va apare o fereastră prin intermediul căreia setările realizate la pașii anteriori vor fi trimise către procesor.

Configurația poate fi salvată prin apăsarea butonului „Save and compile”

Odată ce toate modulele au fost plasate configurarea hardware s-a terminat. Urmează încărcarea configurației in UCP, dar dacă acest procedeu se realizează pentru prima dată, întâi trebuie formatată memoria procesorului. Evident că pentru a downloada in PLC configurația si mai apoi programul trebuie realizată o conexiune fizică (PC-ADAPTER USB sau Ethernet).

În lucrarea de față, conexiunea între automatul programabil și laptop este realizată printr-un adaptor MPI/USB. PLC-ul are o interfață MPI (Multi-Point Interface), iar la laptop adaptorul se conectează la un port USB. Pentru a fi setate și verificate programele ce trebuie transferate în PLC, mai întâi trebuie facute setări asupra MPI-ului.

Figura 2.6 Conexiune interfață și PLC la adaptor

Pentru scrierea unui program se apasă dublu click pe: „CPU 313C” → „S7 Program” → „Blocks”. Este recomandat să se creeze o funcție (FB-Function Block) în interiorul căreia se va implementa programul propriu-zis. Fiecărei funcții îi este atribuită o instanță data block (DB). Pentru ca programul să fie executat, această funcție trebuie să fie apelată în OB (Organization Block).

2.3.3 Limbaje de programare

La dispoziția programatorului stau o serie de limbaje de programare [4] precum :

2.3.3.1 Ladder (LAD)

Este un limbaj de programare des utilizat pentru programarea PLC-urilor, unde este necesară comanda secvențială. Limbajul ladder (scară) e folositor atât pentru sisteme simple cât și pentru sisteme critice de comandă sau pentru vechile circuite cu relee care erau folosite înainte de inventarea PLC-urilor. Acest limbaj este bazat pe reprezentarea diagramelor de circuit. Elementele unei diagrame de circuit, exemplu : contacte normal deschise, contacte normal închise, timere, countere, și așa mai departe, sunt combinate pentru a forma rețele (networks).

Timerele sunt unele dintre cele mai folosite și importante elemente. Pe un cuvânt de 16 biți se memorează o adresă de tip timer. Numărul maxim suportat de timere este 256. După cum este arătat și în exemplul de program ladder de mai jos, un timer are următoarea structură :

Figura 2.7 Structură generală timer

Tabelul 2.1 Caracteristici timer

Resetarea timerului se realizează chiar dacă S are valoarea 1.

Există mai multe tipuri de timere: S_PULSE, S_PEXT, S_ODT, S_ODTS, S_OFFDT.

S_PULSE (Pulse Timer) are ieșirea 1 atâta timp cât intrarea este 1. Dacă intrarea devine 0, Q (ieșirea timerului) va avea valoarea 0. Un exemplu elocvent : trebuie apăsat pe butonul de start timp cinci secunde pentru ca instalația să pornească. În cazul în care se ia mâna de pe buton mai devreme acesta se resetează singur.

Figura 2.8 Funcționare timer S_PULSE

S_PEXT (Extended Pulse Timer) are ieșirea 1 atunci când intrarea a devenit 1. Chiar dacă intrarea trece în 0, ieșirea rămâne 1 până când trece timpul prescris. Exemplu : din momentul în care se apasă start, să sune o hupă timp de cinci secunde pentru a se elibera zona instalației. Este suficientă o apăsare scurtă a butonului de start.

Figura 2.9 Funcționare timer S_PEXT

S_ODT (On Delay Timer) trece ieșirea în 1 după ce intrarea este 1 un timp prescris și rămâne 1 atâta timp cât intrarea rămâne 1. Exemplu : trebuie apăsat pe start, în același timp sună hupa pentru eliberarea zonei, și ieșirea se va activa atâta timp cât butonul este apăsat. După ce butonul nu mai este acționat, ieșirea se va dezactiva.

Figura 2.10 Funcționare timer S_ODT

S_ODTS (Retentive On Delay Timer) – ieșirea devine 1 numai după ce expiră timpul prescris din momentul în care intrarea devine 1. Chiar dacă intrarea devine 0, la expirarea timpului ieșirea va fi 1. Exemplu : dacă sunt de pornit mai multe motoare și se dorește pornirea lor la intervale de timp pentru a economisi curent și pentru a nu supraîncărca rețeaua.

Figura 2.11 Funcționare timer S_ODTS

S_OFFDT (Off Delay Timer) are ieșirea 1 de când intrarea devine 1, și rămâne 1 un timp prescris de când intrarea va fi 0. Exemplu : un ventilator care să pornească odată cu motorul și să își continue funcționarea încă un timp prescris de la oprirea motorului.

Figura 2.12 Funcționare timer S_OFFDT

De asemenea bobinele sunt elemente care joacă un rol important în programarea PLC-urilor. Acestea sunt atribuite ieșirilor. Secțiunea de program e formată din mai multe rețele. Un exemplu de program realizat in LAD este prezentat mai jos :

Figura 2.13 Limbaj LAD

2.3.3.2 FBD (Function Block Diagram)

Este un limbaj logic grafic folosit pentru programarea PLC-urilor, care poate descrie o funcție între variabilele de intrare și cele de ieșire. O funcție este descrisă ca fiind un set de blocuri elementare. De asemenea există o legătură strânsă între FBD și matematica booleană. În continuare este prezintat un exemplu de programare în FBD :

Figura 2.14 Blocuri de programare în FBD

2.3.3.3 STL (Statement List)

Este un alt limbaj de programare a PLC-urilor ce corespunde limbajului „Instruction List” definit în standardul IEC 1131-3, deși există diferențe substanțiale cu privire la operații. STL este un limbaj bazat pe text cu o structură asemănătoare cu limbajul cod mașină. Fiecare declarație reprezintă o operație de procesare a programului CPU-ului. Mai multe declarații pot fi unite pentru a crea rețele. Un program scris in STL poate fi de forma :

Figura 2.15 Program în STL

2.3.3.4 ST (Structured Text)

ST este limbajul de programare [10] ce se bazează pe limbajul de programare de nivel înalt PASCAL. Un exemplu de program scris în ST este prezentat în figura următoare :

Figura 2.16 Program în ST

Fiecare culoare din cod are câte o semnificație, după cum urmează :

Albastru : instrucțiuni

Magenta : numere, valori

Verde : comentarii

Negru : codul utilizatorului, variabile

2.3.3.5 Grafcet

În ultimii ani au fost implementate și dezvoltate noi sisteme de reprezentare grafică a evoluției secvențiale ale proceselor, cunoscute în literatura de specialitate engleză sau americană sub denumirea de „function charts”, sau sub denumirea de diagrame Grafcet în literatura de specialitate de proveniență, cea franceză.

Grafcet [11], [12] este un mod de reprezentare și de analiză a unui sistem automat, particular bine adaptat la sistemele cu evoluție secventială, adică împărțită în etape. Acest mod de reprezentare este derivat din rețelele Petri.

Așadar Grafcet este un limbaj grafic ce prezintă funționarea unui sistem automat, de exemplu:

etapele cărora le sunt asociate acțiuni.

tranzițiile între etape cărora le sunt asociate condiții (evenimente).

legăturile ce se realizează între etape și tranziții.

Acronimul GRAFCET vine de la „Graphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions”.

Modul de reprezentare, care e reglementat de normativul UTE (Union Technicque de le Électricité), este următorul :

O etapă este reprezentată de un pătrat căruia i se atribuie un număr de identificare. Acțiunile asociate sunt indicate prin cuvinte sau simboluri într-un chenar alăturat în partea dreaptă. Etapa inițială este simbolizată printr-un pătrat dublu, iar o etapă activă poate fi identificată prin apariția unui punct sub numărul ce identifică etapa.

O legătură orientată este reprezentată de săgeți.

O tranziție între două etape este prezentată de o bară perpendiculară pe legăturile dintre etape (între cea precedentă și următoarea). O tranziție indică posibilitatea evoluției între etape. Fiecărei tranziții îi este asociată una sau mai multe condiții logice de receptivitate care odată îndeplinite duc sistemul în următoarea etapă (stare).

Secvențe unice și secvențe multiple

Secvențe unice : un sistem automat este descris de un grafcet cu secvență unică unde poate fi reprezentat de un ansamblu de mai multe etape a căror executare se realizează mereu în aceeași ordine.

Secvențele multiple simultane : activarea unei tranziții poate activa mai multe etape, numite etape simultane plecând de la aceeași tranziție. Evoluția pe fiecare ramură se realizează concomitent. Acest paralelism poate fi considerat încheiat în momentul în care toate secvențele implicate sunt executate.

Secvențele multiple exclusive : față de cele multiple simultane, cele exclusive pot efectua alegeri între mai multe secvențe posibil condiționate de mai multe condiții logice de receptivitate.

2.3.3.6 S7 Graph

Reprezintă un limbaj de programare care permite programarea simplă și rapidă a operațiilor secvențiale ce se doresc a fi comandate cu un PLC. Procesul este astfel împărțit în mai mulți pași pentru a crea o viziune clară a scopului funcțional. Afișajul grafic al secvențelor poate fi documentat cu poze și text. Acțiunile ce trebuie executate sunt determinate în acești pași. Trecerea de la un pas la altul se realizează prin tranziții care sunt activate prin îndeplinirea unor condiții (evenimente). Aceste condiții sunt îndeplinite cu ajutorul limbajului de programare ladder sau FBD. Acest limbaj are la bază Grafcet, un limbaj grafic bazat pe un standard francez. S7 Graph implementează un sistem dinamic cu evenimente discrete (SDED).

Elementele interfeței utilizator a limbajului S7 GRAPH sunt împărțite în trei secțiuni principale [8]:

Spațiul de lucru (secțiunea 2) arată secvența ce trebuie editată. Aici se poate defini structura secvențelor sau se pot programa acțiuni individuale și condiții.

Fereastra în care se oferă o privire de ansamblu a structurii globale (secțiunea 5), a comenzii secvențiale, a parametrilor blocurilor și variabilelor, cât și a mediului funcției bloc în program.

Fereastra de detalii (secțiunea 6) oferă informații specifice cerute în diferite faze ale programării, exemplu: mesaje ale compilatorului sau informații despre instanțele adreselor.

Figura 2.17 Elemente interfață program S7 Graph

Secțiunile numerotate din figura 2.21 descriu elementele interfeței utilizator

Bara de instrumente (5) Fereastra ce oferă o privire de ansamblu

Spațiul de lucru (6) Fereastra de detalii

Bara de meniu (7) Bara de stare

Bara de titlu

Bara de instrumente conține butoane cu care se poate începe comenzi de meniu des întâlnite și valabile.

Spațiul de lucru este o fereastră în interiorul căreia secvențele unui bloc funcțional (FB) sau a unui fișier sursă S7 Graph sunt vizibile și pot fi editate. În fereastra principală se pot deschide mai multe spații în același timp.

Ca și în aplicațiile Windows, S7 Graph are o bară de meniu, sub bara de titlu. Comenzile aflate în bara de meniu pot fi fie active (negre), fie inactive (gri) în funcție de disponibilitatea aplicării comenzii pe obiectul selectat.

Bara de titlu se află pe marginea superioară a ferestrei, conținând butoanele standard Windows (minimizare, maximizare, închidere), precum și : titlul softului, numele funcției bloc și a blocului de date, adresa la care se găsește blocul sau fișierul sursă.

Fereastra ce oferă o privire de ansamblu se găsește în partea din stânga a ecranului. Poziția ferestrei poate fi schimbată în partea dreaptă, în partea de sus sau cea de jos. Această fereastră conține trei taburi :

Figura 2.18 Ferestre de asamblu S7 Graph

În tabul graphics se pot copia, tăia sau șterge secvențe întregi sau doar elemente ale acestora. Dacă se selectează un element al unei secvențe, din tabul Graphics, acesta va fi afișat în spațiul de lucru.

Tabul sequencer evidențiază secvențele într-o formă ușor de urmărit. Este folositor mai ales când se realizează o monitorizare a felului în care programul funcționează. Ca și în cazul tabului graphics, selectarea unui element al secvenței va fi afișat în spațiul de lucru.

Tabul variables conține declarații de variabile, declararea tabelului cu simboluri, blocuri preprogramate din bibliotecă. De asemenea în acest tab se găsesc stările și tranzițiile. În acest tab se pot modifica parametrii existenți, sau chiar șterși.

Fereastra de detalii afișează in partea de jos a ecranului erori sau avertismente ce apar după compilarea programului.

Figura 2.19 Fereastra de detalii

Compile/Decompile Messages afișează erorile si avertizările apărute în urma compilării secvențelor.

În tabul variables se declară variabilele, simbolurile din tabelul de simboluri, blocurile programate din folderul cu blocuri, blocurile din biblioteci, stări si tranziții din programul realizat.

Tabul adresses conține o listă a adreselor folosite în bloc cu propriile locații, simboluri și tipul datei.

Bara de stare se află sub fereastra de detalii. Această bară poate fi făcută vizibilă sau invizibilă prin selectarea din mediul de comandă: View → Status Bar. În partea din stânga a barei se găsesc informații sumare ale elementelor selectate din meniul de comandă. În partea din dreapta se găsesc următoarele informații:

Tabel 2.2 Stări mediu de programare

Pentru a rezolva cerințele proiectului a fost utilizat acest limbaj, în detrimentul celorlalte limbaje, deoarece S7 Graph reflectă procesul mai bine, adică etapele în care este împarțit procesul se regăsesc clar in program, depanarea programului se realizează mult mai ușor deoarece se știe de fiecare dată în ce stadiu se află procesul, deci se poate afla imediat unde apare o eroare. De asemenea în S7 Graph în orice moment se pot adăuga stări. O mostră de program realizat in S7 Graph este ilustrată în continuare:

Figura 2.20 Exemplu program în S7 Graph

Fiecărei stări îi este atribuită una sau mai multe acțiuni. Acestea sunt prezentate in tabelul următor:

Tabelul 2.3 Acțiuni asignate stărilor

CAPITOLUL 3. MODELAREA ȘI COMANDA PROCESULUI CHIMIC

3.1 Modelarea procesului chimic utilizând automate finite

Conform teoriei prezentate în subcapitolul 2.1, în continuare este prezentat automatul finit în cazul comenzii manuale a reactorului.

Figura 3.1 Automat finit pentru comanda manuală

Fiecare stare are o semnificație :

Apariția unui eveniment reprezentat de acționarea butonului „S0 OFF”, în orice stare s-ar afla automatul, duce sistemul în starea ințială.

Mai jos este ilustrată schema automatului finit pentru descrierea funcțională 2, comanda manuală – comanda automată :

Figura 3.2 Automat finit pentru comanda manual-automat

Trecerea de la modul manual la cel automat se face prin apăsarea butonului S5, determinând stingerea lămpii H1 și trecerea pe bucla inferioară a automatului finit.

Modul automat de comandă reprezintă de fapt executarea secvențelor q2, q4, q5, q6, fără intervenția operatorului uman.

3.2 Descrierea modului de funcționare a programului implementat

Pentru comandarea reactorului chimic s-a ales să se utilizeze un PLC Siemens S7-300 deoarece este folosit pe scară largă industrială, programarea acestora se realizează relativ ușor având la dispoziție o gamă largă de limbaje de programare (LAD, FBD, STL, ST, S7 Graph), dar și datorită celorlalte avantaje pe care un PLC le are.

Cu ajutorul softului SIMATIC Step 7 sunt implementate componentele necesare programării automatului programabil. Utilizând WinCC Flexible 2008 s-a realizat interfața ce are rolul de a ușura munca operatorului uman.

În Step 7 se găsesc o multitudine de blocuri organizationale (OB) cărora li se atribuie câte un număr ce reprezintă o funcție specială. De exemplu, lui OB1 i se va asigna funcția principală a aplicației în interiorul căreia se va face apel la celelalte funcții din program.

Funcția bloc (FB) este locul unde a fost scris programul propriu-zis (FB1). Această funcție poate fi apelată atât în programul principal (OB), cât și din FC-uri (funcție bloc), sau chiar din alte FB-uri. Atunci când o nouă instanță este introdusă în funcție, se alocă câte o zonă de memorie, existând opțiunea ca variabilele interne să fie monitorizate în DB-ul creat.

Blocurile de date (DB-Data Blocks) pot fi de două tipuri : blocuri de date create de programator ce conțin zone de memorie ce au variabile de diferite tipuri sau DB-uri cu instanțe specifice FB-urilor.

Rolul esențial al DB-urilor este de a ușura transferul datelor între PLC și laptop, sau PLC și interfața din WinCC.

Fiecărei componente utilizate i se atribuie un simbol și o adresă. Astfel se realizează un tabel în care se trec toate aceste specificații. În continuare este prezentată o secțiune din tabelul cu simboluri.

Figura 3.3 Tabel simboluri Step 7

În OB1, funcția principală, este apelată funcția bloc FB1 în care este creat programul propriu-zis.

Figura 3.4 Funcția principală

În cele ce urmează se va prezenta programul realizat pentru comanda manuală a reactorului, și modul acestuia de funcționare (programul complet se găsește în anexa 1). După cum s-a specificat și mai sus limbajul de programare folosit este S7 Graph deoarece reflectă procesul mai bine, depanarea programului se realizează mult mai ușor, în orice moment se pot adăuga stări oriunde în program.

Din motive ce țin de lungimea programului, acesta va fi împărțit, astfel încât fiecare secvență să fie cât mai clar înțeleasă.

Dacă programul este unul complex, programul Step 7 SIMATIC Manager permite programarea, în cadrul aceluiași proiect, a mai multor secvențe. Pentru comanda manuală au fost folosite două secvențe: una în care este scris programul ce realizează comanda propriu-zisă, și a doua secvență este cea în care este implementat comportamentul butonului de avarie „S0 OFF”.

Figura 3.5 Vedere de ansamblu a secvențelor pentru comanda manuală

Step1 este starea inițială, stare în care sistemul este pregătit să-și îndeplinească funcțiile.

Figura 3.6 Activare mod manual și introducere gaz inert

Fiecărui „Step” (stare) îi corespunde o serie de acțiuni (închidere/deschidere valve, pornire/oprire de pompă) care se realizează la apariția evenimentelor (apăsare buton, activare senzori, și așa mai departe).

În starea inițială sistemul de răcire al apei este activ până când procesul incepe să se deruleze.

Până când contactul normal deschis (butonul) „S1 Manual” nu este acționat, tranziția „trans1” nu se activează, așadar sistemul va rămâne în starea inițială. Odată acționat butonul S1, tranziția „trans1” se activează, și se realizează acțiunea specificată în Step 6 (aprinderea lămpii H1 care indică faptul că procesul se derulează în modul manual și închiderea circuitului de răcire al apei). „s1m” este o memorie ce reprezintă un echivalent al lui „S1 Manual” și este folosită pentru interfața HMI.

După ce butonul S4 a fost acționat, „trans6” se activează și se execută activitățile asignate stării doi : aprinderea lămpii H4 timp de 10 secunde, apoi deschiderea valvei Y4, pentru 10 secunde, care permite introducerea în reactor a gazului inert ce are rolul de a asigura mediul gazeificat de reacție și în același timp neutralizând eventualele impurități care ar putea afecta procesul chimic, apoi se deschide sistemul de răcire al apei.

De asemenea se observă că pe lângă contactul normal deschis (butonul S4), mai există un contact normal închis („S0 OFF”). Acesta are rolul de a întrerupe procesul în cazul apariției unei avarii. „Step10.X” reprezintă un apel al stării „Step10” din secvența a doua. După ce avaria a fost remediată, procesul continuă prin reluarea ciclului.

Figura 3.7 Funționare buton avarie pentru modul manual

În figura de mai sus este ilustrată a doua secvență în care este implementat comportamentul butonului de avarie „S0 OFF”. Odată apăsat procesul chimic este oprit până când butonul „S1 Manual” este acționat. De asemenea atunci când butonul de avarie este acționat, sistemul de răcire al apei este activat până când problema este soluționată și butonul „S1 Manual” este apăsat.

Cu ajutorul secvenței de mai jos, prin apăsarea concomitentă a butoanelor „S2 Substanta” și „S3 Catalizator” se introduce în reactor substanță și catalizator ce are rolul de a accelera viteza cu care reacția chimică se realizează ducând la un randament ridicat al procesului tehnologic.

Substanța este adusă în reactor cu ajutorul pompei M1, iar odată cu deschiderea valvei Y3, gazul inert este introdus în incintă. De asemenea lampa H1, care indică faptul că reactorul este comandat manual, este aprinsă.

Figura 3.8 Încărcare reactor

Odată cu introducerea în reactor a substanței și catalizatorului, nivelul începe să crească până când acesta atinge nivelul maxim (senzorul B1). De-ndată ce acesta este atins, pompa M1 se oprește și valva Y3 se închide. În acest moment reacția chimică începe, în același timp motorul învârte produsul cu ajutorul celor două palete atât în sens orar cât și în sens anti-orar câte zece secunde pentru fiecare sens. După trecerea celor douăzeci de secunde (timp de simulare) produsul este eliminat din reactor prin deschiderea valvei Y1, în același timp activându-se sistemul de răcire al apei prin deschiderea valvei Y2. Pentru a realiza acest lucru s-a implementat un comparator ce activează tranzițiaT4 atunci când cele douăzeci de secunde trec. De asemenea lampa H1, care indică faptul că reactorul este comandat manual, este aprinsă.

Figura 3.9 Amestecarea substanțelor și golirea reactorului

În ultima parte a programului, figura de mai jos, se face trecerea către începutul programului. Activarea tranziției T5 realizează saltul către starea inițială.

Figura 3.10 Revenire la starea inițială

Pe lângă posibilitatea de a comanda manual reactorul, există posibilitatea ca acesta să fie comandat automat (programul complet se găsește în anexa 2). Pentru a crește eficiența programului, comanda automată a reactorului se face în paralel cu posibilitatea de a-l comanda manual. Prin apăsarea butonului „S5 Automat” se închide lampa H1 ce indică că modul de comandă este activ. În cazul în care se dorește comutarea pe modul manual, apăsarea butonului „S1 Manual” activează tranziția T31ce face saltul către starea S6. Trecerea de la modul manual la cel automat, dar și invers este ilustrat în figura următoare :

Figura 3.11 Comulare mod manual → mod automat

Avantajul comandării reactorului automat este acela că operatorul uman este degrevat de apăsarea butoanelor prin care se introduc substanță și catalizator în incintă. Chiar dacă pentru timpii de simulare folosiți diferențele între cele două moduri sunt insesizabile, dacă timpii ar fi cei din realitate comandarea automată a reactorului ar fi mai avantajoasă deoarece procesul de umplere se realizează automat, iar tehnicianul nu este nevoit să asiste pas cu pas procesul. Odată apăsat butonul „S4 Gaz Inert”, apăsarea butoanelor „S2 Substanta” și „S3 Catalizator” nu mai este necesară. Acest lucru s-a realizat prin implementarea în paralel, cu butoanele S2 și S3, al unui contact normal închis al butonului S5 care are practic rolul de a activa tranziția T21. Acest lucru se realizează doar după ce timpii de simulare de la starea anterioară (Step18) vor fi trecut.

Contactul normal deschis „Step22.X” face referire la starea Step22 din secvența 3 care realizează oprirea procesului chimic în cazul în care apare o avarie până când aceasta va fi remediată.

Figura 3.12 Funționare buton avarie pentru modul automat

În figura de mai sus este ilustrată a doua secvență în care este implementat comportamentul butonului de avarie „S0 OFF”. Odată apăsat procesul chimic este oprit până când butonul „S5 Automat” este acționat. De asemenea atunci când butonul de avarie este acționat, sistemul de răcire al apei este activat până când problema este soluționată si butonul „S5 Automat” este apăsat.

Figura 3.13 Funcționarea automată a procesului chimic

În continuare se verifică cu ajutorul unui comparator dacă timpul de simulare s-a scurs. Odată terminat, valva Y1 prin intermediul căreia produsul este evacuat din reactor se deschide. Totodată se activează și circuitul de răcire al apei. De asemenea de-ndată ce nivelul minim este detectat cu ajutorul senzorului „B2 Capacitate-min” se revine la starea S17.

Figura 3.14 Golire reactor chimic

Pentru comanda automată s-au folosit trei secvențe: una în care s-a implementat programul propriu-zis, iar în secvențele doi și trei s-a implementat comportamentul butonului de avarie pentru modul manual respectiv pentru cel automat.

Figura 3.15 Secvențe comanda manuală-comanda automată

CAPITOLUL 4. ASPECTE TEORETICE ȘI IMPLEMENTARE INTERFAȚĂ WINCC

4.1 HMI (Human Machine Interface)

Simatic HMI (Human Machine Interface) [9] oferă o paletă largă de panouri pentru toate cerințele HMI. Aceste programe de interfațare sunt folosite ca o „fereastră” între operator și proces. Așadar HMI este o interfață ce permite interacțiunea între om și mașină (instalație industrială). Gama domeniilor de utilizare a interfețelor HMI variază de la panouri pentru reactoarele nucleare, la ecrane și butoane pentru telefoanele mobile. Chiar dacă interfețele trebuie să arată la final bine, asigurând utilizatorului ușurința de înțelegere a sistemului, proiectarea lor este destul de dificilă.

O interfață om-mașină are nevoie de două componente esențiale.

Prima este intrarea. Un utilizator uman trebuie să dețină o metodă prin care să-i spună sistemului ce are de făcut, să trimită comenzi acestuia. Exemple de dispozitive de intrare sunt : tastaturi, comutatoare, ecrane tactile, joystick-uri și așa mai departe.

O interfață necesită de asemenea o ieșire, care permite sistemului să-l țină informat pe utilizator cu privire la evoluția efectului comenzilor. De exemplu un robot comandat să se deplaseze inmagazinează informații pe un hard drive, pentru ca utilizatorul să observe cum răspunde robotul la comenzi, cum învață și cum explorează lumea. Ieșirile pot include și elemente precum lămpi de stare ce indică schimbarea stării unui comutator, etc.

Tehnologia din spatele interfețelor se îmbunătățește constant. Inginerii au dezvoltat interfețe ce pot fi controlate cu ajutorul minții (mai ales în domeniul medical, pentru oamenii ce nu pot comunica). Astfel odată cu trecerea timpului ieșirile au devenit din ce în ce mai sofisticate.

Este evident că o interfață sărăcăcios proiectată poate fi extrem de greu de utilizat si de înțeles. Pe o parte interfața poate conține erori neputând fi folosită conform proiectului. Pe de altă parte interfața poate funcționa însă este proiectată intr-o manieră care nu este intuitivă pentru utilizator. Pentru a crea o interfață trebuie înțeles foarte bine cum oamenii interacționează cu sistemele pe care le folosesc.

4.2 WinCC Flexible

Versiunea de WinCC instalată este SIMATIC WinCC flexible 2008 SP3, versiune compatibilă cu sistemul de operare Windows 7, 64 de biți.

SIMATIC WinCC flexible [6] este un software HMI inovativ rulat sub Windows. Softul oferă maximă eficiență în ceea ce privește configurațiile : biblioteci cu obiecte pre-asamblate, faceplate-uri reutilizabile, instrumente inteligente, ajungând până la traduceri automate ale textului pentru proiecte multilingvistice.

În program, Project Wizard oferă posibilitatea de a crea un proiect de bază cu ecran de navigație și sistem cu un număr minim de utilizatori.

Softul conține o serie de editoare și instrumente pentru diferite configurații. Pentru configurarea ecranelor, diverse funcții sunt disponibile, precum : zoom in/aut, rotări, aliniate. În WinCC flexible se poate seta mediul de lucru în funcție de necesități. În continuare sunt prezentate câteva elemente necesare ale mediului de programare :

Fereastra de proiect unde e afișată structura proiectului pentru ca acesta să fie folosit eficient.

Bara de instrumente cu diverse obiecte și acces la biblioteca de obiecte.

Fereastra cu obiecte predefinite de unde aceste pot fi selectate și aduse pe panelul de lucru.

Spațiul de lucru în care interfața poate fi creată (schema și animație)

Fereastra de proprietăți în care se realizează parametrizarea obiectelor din spațiul de lucru

Figura 4.1 Proprietăți obiecte WinCC

Pentru a lega interfața de programul realizat in SIMATIC Step 7, aceasta trebuie să fie integrată în proiectul din Step 7. Mulțumită acestei posibilități, de integrare, proiectele in WinCC flexible pot fi gestionate cu Step 7 și setările de comunicare, etichetele (tags), alarmele pot fi folosite de ambele programe. Prin această integrare se are acces din SIMATIC Step 7 la toate obiectele din WinCC, se poate crea, copia, sau șterge o interfață. De asemenea este acces la simbolurile si blocurile de date create la realizarea programului. Corespondentul unui simbol din Step 7, în WinCC se numeste tag. Acesta are rolul de a atribui obiectului din interfață acțiunea specificată în program.

Mai jost sunt afișate tag-urile folosite pentru a implementa acțiuni pe obiectele introduse în interfață. Tag-urile „s0m”, „s1m”, „s2m”, „s3m”, „s4m”, „s5m” sunt memorii ce reprezintă un echivalent al simbolurilor „S0 OFF”, „S1 Manual”, „S2 Substanta”, „S3 Catalizator”, „S4 Gaz Inert”, „S5 Automat” , folosite pentru interfața HMI.

Figura 4.2 Listă tag-uri

În acest proiect s-au realizat două interfațe ce au la bază un panel TP 270 10” peste care s-au adăugat componentele cu acțiunile aferente ce îndeplinesc cerințele, astfel încât procesul să-și realizeze funcțiile.

Figura 4.3 Alegere panel

Odată ales panoul, ceea ce ramăne de făcut este ca proiectantul să realizeze în program o copie cât mai fidelă a procesului.

În afară de tag-urile care sunt relaționate cu tabelul de simboluri din Step 7, trebuie realizată o conexiune cu PLC-ul. Aceasta este ilustrată în figura următoare.

Figura 4.4 Conexiune HMI-PLC

Criteriile după care se alege conexiunea între HMI și PLC sunt:

Tipul PLC-ului

Procesorul automatului programabil

Tipul dispozitivului HMI

Numărul de dispozitive HMI per PLC

Protocoalele care sunt disponibile pentru automatele programabile SIMATIC S7 sunt: MPI, TCP/IP (Ethernet), PROFIBUS DP, PPI.

Folosind instrumentele disponibile, cu drag and drop se pot adăuga pe panel elementele necesare.

Figura 4.5 Meniul de instrumente WinCC

După ce elementele au fost adăugate acestea trebuie să-și realizeze activitățile pentru care au fost implementate în interfață. Pentru a realiza acest deziderat obiectelor introduse li se atribuie acțiuni. De exemplu: odată cu apăsarea butonului S1, lampa H1 se aprinde. În WinnCC flexible această acțiune arată astfel :

Figura 4.6 Acțiune pe buton

S-a pus acțiune pe butonul S1 (Press și Release deoarece este nevoie de automenținere) atribuindu-i-se tag-ul „s1m” care îl are corespondent pe „s1m” din Step 7. Astfel cu ajutorul lui „s1m” butonul S1 din interfață va executa acțiunea indicată în program. Pentru a se evidenția, în timp real, pe interfață fluctuația nivelului de substanță și catalizator a fost adăugat un obiect de tip „bar”, în realitate o bandă de LED-uri, din categoria Simple Objects. În interfață creșterea sau scăderea nivelului se realizeză prin :

Figura 4.7 Citire valoare analogică

Caracteristicile tag-ului „nivel” sunt arătate mai jos :

Figura 4.8 Caracteristici tag

Prin acest tag, care are corespondent simbolul „nivel” din Step 7, se preia valorile analogice de pe simulator. Adresa la care se află acest tag este: PIW 752; PIW (Peripheral Input Word). În figura de mai jos este prezentată interfața corespunzătoare modului manual de comandă a reactorului chimic integrată in SIMATIC Step 7.

După ce s-au adăugat acțiunile pe elementele componente ale interfeței, aceasta se salvează și se compilează verificându-se astfel dacă există erori în proiectare. În cazul fericit în care nu există erori SIMATIC WinCC flexible Runtime se va deschide. În acest moment se poate verifica dacă fiecare acțiune a fost atribuită elementului corespunzător.

Elementele componente ale interfeței sunt cinci butoane (S0, S1, S2. S3, S4, S5) cărora li se atribuie acțiunile corespunzătoare. Pe lângă acestea, odată ce butoanele S1,…, S5 sunt acționate, lămpile corespunzătoare (H1,…, H5) se aprind. De asemenea, în interfață a fost implementat rezervorul (reactorul) în care se realizează procesul chimic. Pe reactor a fost adăugată o bandă de LED-uri ce indică creșterea/scăderea nivelului de substanță și catalizator/produs finit. Monitorizarea nivelului se face prin doi senzori amplasați în partea de sus și de jos. Sistemul este dotat și cu patru valve solenoidale (Y1, Y2, Y3, Y4). Prin valva Y1 este eliminat produsul finit. Valva Y2 permite introducerea apei în reactor pentr a-l răci. Cu ajutorul valvei Y3 se introduce catalizator în incintă. Y4 este valva ce permite introducerea de gaz inert în reactor. Alte două componente esențiale ale interfeței sunt pompele M1 și cea care se deschide odată cu valva Y2. Pompa M1 introduce substanță în reactor. De asemenea s-a implementat un motor ce învârte paletele în sens orar, apoi în sens anti-orar pentru a amesteca produsul. Mișcarea paletelor în cele două sensuri este indicată pe interfață cu ajutorul celor doua LED-uri de langă sagețile ce arată sensul de rotație.

În urma conectării componentelor, conform specificațiilor, rezultă o interfață precum cea din figura următoare :

Figura 4.9 Interfață WinCC

După cum s-a specificat și mai sus, în interfață, precum și în program, s-au folosit patru valve solenoidale (Y1,…, Y4). Acestea, față de valvele manuale, pot fi doar închise sau deschise. Sunt eficiente pentru automatizare pentru că pot fi comandate de la distanță. Elementul cheie al unei valve solenoidale este o bobina electrică. Starea închisă este starea normală în care o valvă solenoidală se află, fiind deschisă de un curent ce trece prin bobină.

CAPITOLUL 5. TESTARE ȘI SIMULARE

Programul realizat poate fi testat atât cu ajutorul sistemului de simulare ASIMA dezvoltat de firma ELWE, cât și cu ajutorul simulatorului oferit de Step 7 SIMATIC Manager, situație în care nu este necesară existența sistemului de simulare.

Pentru a realiza comandarea reactorului cu ajutorul simulatorului din Step 7, mai întâi trebuie setată interfața de comunicare.

Figura 5.1 Interfață comunicare

Odată setată interfața de comunicare, pentru a putea descărca programul, simulatorul trebuie deschis și introduse intrările și ieșirile.

Figura 5.2 Simulator Step 7

Pentru a verifica funcționalitatea programului se setează procesorul (CPU-ul) în starea RUN sau RUN-P. Diferența între cele două stări este că în cazul stării RUN se realizează monitorizarea programului, insă fără posibilitatea de a-l modifica; în timp ce în cazul stării RUN-P programul poate fi schimbat în timpul monitorizării. Apăsând pe butonul de monitorizare, , aflat pe bara de instrumente, monitorizarea programului poate începe.

Prin parcurgerea pașilor, se poate observa clar starea curentă și de asemenea se pot detecta cu ușurință eventualele erori ce pot surveni.

Figura 5.3 Monitorizare program

Verificarea funcționalității interfeței se realizează prin lansarea SIMATIC WinCC flexible Runtime în urma compilării. După cum se observă în figura de mai jos nivelul în reactor este la o valoare intermediară între cea minimă și cea maximă.

Figura 5.4 simulare interfață în WinCC flexible Runtime

CONCLUZII

În lucrarea de față s-a dorit realizarea unui program de control al unui reactor chimic, utilizând un automat programabil (PLC) din familia S7-300, program realizat cu ajutorul unui laptop prevăzut cu mediul de programare Step 7 SIMATIC Manager.

PLC-urile sunt echipamente electronice ce au ca scop automatizarea proceselor industriale. Automatele programabile nu întâmpină greutăți în conectarea cu procesul industrial, suportând o gama largă de limbaje de programare.

Datorită faptului că realizează o structurare a procesului, oferind astfel o privire în ansamblu a acestuia, existând un control bine definit asupra fiecărei stări în care se afla sistemul, limbajul de programare ales spre realizarea programului de comandă a reactorului chimic este S7 Graph.

Conceperea interfeței în SIMATIC WinCC flexible 2008 are scopul de a realiza un control optim și nu în ultimul rând o supraveghere centralizată, utilizatorul final nefiind astfel obligat să cunoască limbajul automatului programabil ce stă la baza interfeței.

ANEXE

Anexa 1

Secvența 1:

Secvența 2:

Anexa 2

Secvența 1:

Secvența 2:

Secvența 3:

BIBLIOGRAFIE

[1]: http://ro.wikipedia.org/wiki/PLC

[2]: http://www.essentialchemicalindustry.org/processes/chemical-reactors.html

[3]: http://www.techniekplaza.nl/

[4]: http://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/SINUMERIK_SINAMICS_02_2012_E/S7P.pdf?p=1

[5]: Curs Modelarea și Simularea Sistemelor cu Evenimente Discrete – Conf. Daniela Cernega

[6]:http://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/brochure/en/brochure_simatic-wincc-flexible_en.pdf

[7]: http://ibrahim6060.weebly.com/advantage–disadvantage-of-plc.html

[8]: https://moodle.dce.fel.cvut.cz/file.php/17/Manualy/S7_graph_e.pdf

[9]: http://www.wisegeek.com/what-is-human-machine-interface.htm

[10]:https://a248.e.akamai.net/cache.automation.siemens.com/dnl/TU/TU2NTMyMwAA_27002409_HB/ST_Programming_en-US.pdf

[11]: http://fr.wikipedia.org/wiki/GRAFCET

[12]:http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m2/Dasoveanu%20Carmen-Principii%20de%20realizare%20a%20programelor%20de%20conducere%20a%20proceselor%20cu%20automate%20programabile/

[13]: http://www.cncdesign.com.au/download/s7300_Product_Brief_2003.pdf

[14]: Experimental Manual-Controlling of System Simulators(ASIMA) with PLC

BIBLIOGRAFIE

[1]: http://ro.wikipedia.org/wiki/PLC

[2]: http://www.essentialchemicalindustry.org/processes/chemical-reactors.html

[3]: http://www.techniekplaza.nl/

[4]: http://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/SINUMERIK_SINAMICS_02_2012_E/S7P.pdf?p=1

[5]: Curs Modelarea și Simularea Sistemelor cu Evenimente Discrete – Conf. Daniela Cernega

[6]:http://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/brochure/en/brochure_simatic-wincc-flexible_en.pdf

[7]: http://ibrahim6060.weebly.com/advantage–disadvantage-of-plc.html

[8]: https://moodle.dce.fel.cvut.cz/file.php/17/Manualy/S7_graph_e.pdf

[9]: http://www.wisegeek.com/what-is-human-machine-interface.htm

[10]:https://a248.e.akamai.net/cache.automation.siemens.com/dnl/TU/TU2NTMyMwAA_27002409_HB/ST_Programming_en-US.pdf

[11]: http://fr.wikipedia.org/wiki/GRAFCET

[12]:http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m2/Dasoveanu%20Carmen-Principii%20de%20realizare%20a%20programelor%20de%20conducere%20a%20proceselor%20cu%20automate%20programabile/

[13]: http://www.cncdesign.com.au/download/s7300_Product_Brief_2003.pdf

[14]: Experimental Manual-Controlling of System Simulators(ASIMA) with PLC

ANEXE

Anexa 1

Secvența 1:

Secvența 2:

Anexa 2

Secvența 1:

Secvența 2:

Secvența 3: