Sistem Pentru Monitorizarea Parametrilor Si Controlul Automat al Proceselor In Cadrul Unei Cupercarii

Cuprins

1. Introducere 3

1.1 Motivația alegerii temei 3

1.2 Obiectivele propuse în cadrul lucrării 4

1.3 Structura lucrării de licență 5

2. Aspecte teoretice privind automatele programabile 6

2.1 Studiu introductiv privind automatica 6

2.2 Introducerea in Arduino 10

2.3 Notiuni introductive privind automatele programabile 14

2.4 Avantaje și dezavantaje ale automatelor programabile 18

2.5 Studiu privind influenta pietei asupra automatelor programabile în timp 19

3. Caracteristici generale ale automatelor și sistemelor auxiliare 22

3.1 Notiuni introductive privind clasificarea automatelor programabile 22

3.2 Structura și modul de funcționare al unui automat programabil 28

3.3 Programarea unui automat programabil și protocoale de comunicare 36

3.4 Principalele tipuri de senzori și traductoare 48

3.5 Concluzii cu privire la sistemele automate actuale 56

4. Infrastructura hardware și software folosita în implementarea proiectului 58

4.1 Introducere în arduino 58

4.2 Introducere în mediul de programare arduino IDE 59

4.3 Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560. Microcontroller ATmega 2560 61

4.3.1 Intrari/Iesiri și comunicare 62

4.4 Introducere în Visual Studio 63

4.5 Date tehnice ale dispozitivelor conectate la sistem 64

5. Studiu de caz: proiectarea unui sistem inteligent modular adapatabil la proces 66

5.1 Descrierea conceptului de sistem automat inteligent modular adaptabil la proces 66

5.2 Descrierea aplicatiei software a sistemului 70

5.3 Aplicarea conceptului în cadrul unui service auto. 71

Concluzii și contributii 80

Bibliografie 80

1.Introducere

1.1 Motivația alegerii temei

Pe piața de agricultură există o cerere din ce în ce mai mare pe partea de automatizare a fermelor de ciuperci, datorita evoluției foarte rapidă a automatelor programabile și a senzorilor acestora. Implementarea unui sistem de monitorizare și control al procesului de creștere a ciupercilor a devenit mai accesibil, iar monitorizarea și control procesului poate reduce costurile de întreținere în același timp rezultând într-un produs mai calitativ. Având un control foarte precis asupra parametrilor măsurați putem controla: temeratura, umiditatea si CO2(Dioxid de carbon) din aer, și a parametrilor astfel încât sa folosim o cantitate de apă ideală pentru a mentine umiditatea de 75-85%, rezultând într-o economie de apa. Pe lângă asta, fiind un proces automatizat și monitorizat, fiind nevoie doar de o persoana sa culeaga ciupercile si un administrator care sa monitorizeze paramatrii si sa faca eventuale modificari în timp real, cum ar fi sa seteze temperatura,uminitatea dar si luminizitatea din ciupercarie. Cu un astfel de proces se poate standardiza instalația astea încât sa acumodeze si alte tipuri de ciuperci pentru o viitoare extindere.

Am venit cu ideea conceptului pentru monitorizare si control a procesului intr-o ciupercărie, în urma unei vizite la o ciupercarie, am observat o lipsă a controlului exact de umiditate si temperatură rezultând într-un consum de apă și energie electrica mărit. Acest sistem este un bun mod de a introduce automatica pe piata de agricultură a ciupercilor, deoarece ciupercile au nevoie de o temperatură controlată, cuprinsă intre 15-22 de grade celsius si o umiditate relativa intre 75-85%, lipsa întruniri acestor conditi rezultand într-un produs subpar. Scopul sistemului este sa asigure parametrii optimi pentru cresterea ciupercilor, si informarea personalului despre starea actuală a ciupercilor folosind o interfață usor de folosit si foarte intuitiva pentru un utilizator care nu dispune de cunostiinte tehnice despre ciuperci, fara a-si face probleme pe partea de automatizare. Această instalație face mult mai usor accesul și controlul asupra procesului pentru acest tip de utilizatori, sistemul preluând rolul unui crescător cu cunoștințe despre fiecare tip de ciuperca în parte, sistemul eliminand rolul unui specialist în domeniul și care ține cont de preferintele ciupercilor.

1.2 Obiectivele propuse în cadrul lucrării

Obiectivele acestei lucrări de licență sunt de a monitoriza parametrii si controlul automat al proceselor în cardul unei ciupercărie cu ajutorul unui nou concept folosind o placa Arduino Mega, datorită avantajelor în termeni de economie și tendințele actuale ale pieței de agricultură. Înainte de a vorbi despre monitorizarea parametrilor si controlul automat al proceselor în cadrul unei ciupercării propusa în această lucrare, trebuie să înțelegem, puțin și ce sunt ciupercile. Ciupercile sunt o categorie unică, nu sunt nici animale dar nici plante, ele sunt niste organisme uni sau pluricelulare care leaga intre ele cele doua categorii: plantele si animalele. Noi vom vorbii despre cea mai comună ciuperca care se regăsește în orice piață, ciuperca pleurotus este foarte comună datorită faptului că au o rezistenta crescuta fata de boli,pentru o crestere ciupercile au nevoie de o temperatura de 10 – 20 grade celsius si o umiditate de 75-85%, timpul de incubare a ciuperci este de la 12 zile pana la 21 de zile în functie de hibridul folosit. Aparitia ciupercilor se fac în valuri cu o pauza de 10-14 zile intre ele, sunt 3 valuri principale, primele doua sunt cele mai abundente iar perioara de fructificare dureaza in medie 50-60 de zile.

în aceasta lucrare voi face o scurta introducere automatica si domeniul automatelor programabile, tipurile automatelor, avantajele si dezavantajele lor, și despre monitorizarea parametrilor și controlul automat al proceselor în cadrul unei ciupercării. Pentru prelurarea datelor vom folosi sisteme auxiliare, cum ar fi senzorii și traductorii prin care se realizează achiziția de date și modul în care ele comunică. Pentru a intelege cum functioneaza aceste sisteme, trebuie sa cunoastem modul lor de programare, structura lor interna si modul în care comunica intre ele. Iar în final voi defini cateva detalii tehnice despre mediile de dezvoltare folosite, componentele hardware si ce difera la sistemul meu fata de unul deja existent pe piata.

1.3 Structura lucrării de licență

În al 2-lea capitol va fi o scurta introducere in automatica, istoria automaticii, si un scurt istoric al evolutiei automatici pana in prezent. Pentru a acumula conostiintele de baza in crearea unui sistem de monitorizare si cerintele necesare pentru crearea unui un sistem de monitorizare si control.

În al 3-lea capitol voi clasifica tipurile de automate din mai multe puncte de vedere, iar dupa voi exmplifica modul de functionare al automatelor programabile. Cum se pot programa, limbajele cu care se programeaza si cateva protocoale de cumunicare folosite si voi descrie avantajele si dezavantajele lor, etc.

În al 4-lea capitol

În capitolul IV sunt exemplificate și prezentate echipamentele și mediile de programare integrate folosite pentru a realiză practic tematica licenței, va fi explicat pe scurt mediul de dezvoltare Arduino și Microsoft Visual Studio, și placa de dezvoltare Arduino Mega, alături de câteva detalii tehnice despre aceasta. Vor fi prezentați senzorii și restul echipamentelor folosite pentru a realiza această lucrare practică.

În capitolul V descriem conceptul de sistem pentru monitorizarea parametrilor si controlul automat al proceselor in cadrul unei ciupercarii, exemplificând ce asemănări există cu sistemele actuale, alături de avantajele sale și motivul pentru care este mult mai avantajos decât sistemele automate actuale, alături de modul de funcționare. Apoi este descrisă partea de aplicație software a sistemului, modul ei de funcționare și aplicarea conceptului intr-o ferma de ciuperci, pentru o demonstrație practică a sistemului și o mai bună înțelegere a conceptului.

Aspecte teoretice privind automatele programabile

2.1 Studiu introductiv privind automatica

„Automatica este ramura științei care se ocupă cu studiul metodelor și mijloacelor prin intermediul cărora se asigură conducerea proceselor tehnice, fără intervenția directă a operatorului uman. Implementarea practică a acestor principii, metode și mijloace de conducere a proceselor se mai numeste și automatizare”[1]. Una din primele automatizări a fost ceasul pe bază de apă folosind un mecanism similar cu cel din rezervorul de la w.c, a fost inventat de Grecul Ctesibius (300 î.Hr). Apa se scurge dintr-un recipient mare într-un container inferior, pe măsură ce nivelul apei crește în recipientul inferior, se ridica plutitorul aflat pe suprafața apei. Plutitorul este conectat la un băț cu cresaturi, pe măsură ce bățul se ridică cresaturile învârt o roată dințată care la rândul ei deplasează mână care indică timpul.

În 1712, Thomas Newcomen inventeaz motorul atmosferic cu scopul de a scoate apa din minele de cărbuni. În 1760 a fost creat cel mai puternic motor cu o putere de 20 cai, a fost folosit până în 1834, cilindrul motorului avea diametrul de 53 cm, motorul avea o înălțime de 9.5m, 9.5m lungime și o lățime de 4.5m, lungimea de 2,4 metri, putea să pompeze 37 litri de apă de la o adâncime de aproape 47 metri. Motoarele erau foarte rezistente și fiabile, motorul folosit la Pentich a funcționat timp de 127 ani de când a fost instalat. Thomas Newcomen a primit puțin credit pentru invenția sa.

În anul 1946 apare primul calculator, folosea 18.000 de tuburi electrice și a fost creat la Universitatea Pennsylvania, era capabil să facă 300 de operații pe secundă iar greutatea lui era de 27 de tone, că mediu de intrare folosea un cititor de cartele perforate dezvoltat de IBM. La 4 ani diferență, apare tranzistorul iar circuitele electronice încep să fie folosite din ce în ce mai mult, ducând către o evoluție a automatizării. Apoi în 1970 a apărut primul controller programabil logic (PLC), inventat de către Dick Morley. A fost inventat cu scopul de a elimina costul foarte mare implicat în înlocuirea sistemelor complicate de control pe bază de reele. Din 1950 până în prezent, a avut loc o evoluție explozivă a automaticii.

2.2 Introducerea in Arduino

În acest subcapitol vom acoperi programarea modului Arduino. Componentele care alcatuiesc un Arduino au evoluat de la introducerea sa in 2005, Arduino ca concept este o combinatie de hardware și software, si este important de a avea o bună înțelegere a ceea ce este implicat în ambele domenii, precum și zonele în care acestea se suprapun. Arduino a fost initial dezvoltat in Italia, numele Arduino provine de la semnificatia in italiana de „Prieten puternic”.

Figura. 1. Prima placa Arduino

În Fig 1 se poate observa prima placa Arduno, portul serial folosit era RS-232 iar mai târziu a aparut si versiunea cu port serial USB. Din punct de vedere tehnic, toate versiunile de intrari / iesiri Arduino folosesc comunicația serială..

Arduino Uno a fost anuntat pe 25 septembrie 2011, la Maker Faire din New York. Numele modelului Uno provine din limba italiană pentru numărul unu și este destinat să corespundă cu „Uno Punto Zero”, sau 1,0 de la versiunea software-ului Arduino. Edițiile anterioare, numerotate 0001 prin 0022 au fost luate în considerare alfa, sau versiuni preliminare.

De-a lungul anilor, procesorul a fost actualizat de două ori de la ATmega8, cu bytes 8KB de memorie de program, în primul rând la ATmega168 cu 16KB de memorie de program și apoi la ATmega328 cu bytes 32KB de memorie de program, în timp ce restul de pini compatibil. Nouă pini RS 232 conector serial și interfață circuitele a fost înlocuit cu un port serial virtual, folosind diferite chipsuri interfață USB. Alimentatorul circuitele a văzut unele rafinament cu plus de protecție supra-curent și selecție Intelligent Power-source.

Figura 2. Schema bloc Arduino Uno

Placa Arduino a fost în bazat pe procesorul Atmel AVR ATmega8 și derivații acestuia. I / O, de asemenea, conține un port USB Serial, sursa de alimentare , conectori de expansiune, precum și diverse componente de sprijin.

Figura 3. Arduino Uno (stânga) și Arduino Uno SMD (dreapta)

Principalul „creier” al Arduino Uno este ATmega328, blocul din plastic negru, dreptunghiulară, cu două rânduri de pini proeminente din laturile sale. Pe versiunea SMD, procesorul este acel pătrat minuscul negru din dreapta, este sudat direct pe PCB.

Acest dispozitiv este în esență un calculator pe un cip, care conține o unitate de procesare centrală (CPU), memorie, ceas, și periferice într-un singur pachet. Vezi figura 4

Cip-ul ATmega328 este derivat din procesorul originală Arduino, adica ATmega8. Acesta conține mai multă memorie și compatibilitate la periferice mai mare decât predecesorul său în timp ce utilizează mai puțină energie electrică. Procesorul ATmega328 poate opera pe o gamă largă de tensiuni de alimentare cu energie, de la 1.8V la 5.5V. Acest lucru îl face perfect pentru aplicații în care placa este alimentată de la baterii. La cele mai mici tensiuni, procesorul are o viteză maximă de ceas de 4MHz (milioane de cicluri pe secundă). Daca creștem tensiunea de alimentare la cel puțin 2.7V, putem crește frecvența de ceas la 10MHz. Pentru a rula la frecvența maxima de de 20MHz, cip-ul are nevoie de cel puțin 4.5V. Deși noul cip ATmega328 poate rula la o frecvență până la 20MHz. Rata de ceas 16MHz a fost menținută pentru toate modelele Arduino ulterioare pentru a păstra compatibilitatea.

Standardul USB permite furnizarea de la 100mA (miliamperi, sau 0,1 amperi) până la 500mA (0,5 amperi) de curent, la 5.0V. Acest lucru este mai mult decât suficient pentru energie electrică pentru a aprinde mai multe LED-uri și câteva senzori low-power dar nu este suficient pentru sarcini electrice mari, cum ar fi relee, încălzitoare, ventilatoare, motoare, sau solenoizi. În cazul în care Arduino nu este conectat la un PC prin cablul USB, mai poate fi alimentat si prin portul dedicat cu tensiuni de intrare de la 7V la 12V, care este conectat direct la un circuit regulator de 5V.

In figura 5 sunt exemplificati pinii, ei sunt pur și simplu numerotati: D0-D13 pentru cei 14 pini digitali și A0-A5 pentru cei 6 pini analogici. Pinii digitali sunt de-a lungul marginii de sus a plăcii, iar pinii analogici sunt pe marginea de jos.[5]

Figura 4. Intrări/Ieșiri și Comunicare

2.3 Derivatii ale placi Arduino

2.3.1 Arduino Genunio/Uno

Arduino Genuino/Uno este prima placa cu microcontroler bazat pe ATmega328P, are 14 de intrari si ieșiri digitale, 6 intrări analogice, o conexiune USB, o mufă pentru alimentare dedicata și un buton de resetare. Ea se prezinta in doua revizii, Arduino Uno și Arduino Uno SMD diferentele fiind de consum dar sunt minore, placa a fost prezentata mai sus in figura 3.

2.3.2 Arduino Pro

Arduino Pro este o placă cu microcontroler bazat pe ATmega168 sau ATmega328, vine în doua versiuni: 3.3V si 8 MHz sau 5V respectiv 16 MHz. Are 14 de intrari si ieșiri digitale, 6 intrări analogice, un jack de pentru a conecta la o baterie externa, un comutator de alimentare, un buton de reset, si gauri pentru montarea unui jack de alimentare externa, mai dispune de o locatie pentru a montarea unei mufe pentru a putea fi programat, este destinata pentru a fi folosita intr-un domeniu mai profesional sau in obiecte de expozitii.

Fig. 5 Placa Arduino Pro

2.3.3 Arduino Mega 2560

Este cea mai complexă placa oferita, cu microcontroler bazat pe Mega2560, are 54 de intrari si ieșiri digitale, 16 intrări analogice, o conexiune USB, o mufă pentru alimentare dedicata și un buton de resetare. In revizia 2, placa vine o protectie suplimentara pe usb, dacă se aplica mai mult de 500 mA la portul USB, siguranța va rupe în mod automat conexiunea pana cand sprasarcina este eliminată, fiecare dintre cele 54 de pinii digitale de pe Mega poate fi utilizată ca intrare sau ieșire, utilizând linia de comanda: pinMode(), digitalWrite() si digitalRead(), iar tensiunea de iesire pe porturi este de 5 volti.

Fig. 6 Placa Arduino Mega 2560

2.3.4 Arduino Yun

Arduino Yun, este o placa bazata pe microcontroller-ul Atmega32u4 si pe SOC Atheros Ar9331 folosit pentru conectivitatea wirelesss. Dispune de o gama variata de conectivitate, are un port pentru a fi conectata la internet, wireless, un port USB folosit pentru programare, un slot pentru card micro-SD, 20 de intrari si iesiri digitale si 16 intrari analogice.

Fig. 7 Placa Arduino Yun

3. Automatul Programabil

Scopul unui automat programabil este de a realiza două sarcini principale ale automatizării unui proces: prima sarcina presupune monitorizarea stării procesului prin achiziția de date de la intrările automatului, cu ajutorul senzorilor, butoanelor, limitatoarelor de cursă, etc în cadrul variabilelor de stare din procesul automatizat. Sarcina de a controla presupune prelucrarea informațiilor primite de la intrările automatului și generarea comenzilor necesare pentru elemente de execuție din procesul automatizat, conform unui program specific despre care vom discuta în capitolele care urmează. Automatele programabile pot de asemenea înlocui automatizările ce utilizează o comandă realizată cu elemente electromecanice, pneumatice sau electronice în logică cablată, ele aducând un plus de flexibilitate, structură compactă, siguranță mărită în funcționare și programare ușoară și rapidă în comparație cu metode mai vechi, mentionate mai devreme, care au fost înlocuite tocmai datorita avantajelor oferite de un automat programabil.n automat programabil mai poate fi definit ca un sistem specializat în tratarea problemelor de logică secvențială și combinațională, simulând structuri logice de comandă printr-o configurație programabilă și flexibilă. Un exemplu de Automat Programabil Moeller Easy 882 în de mai jos.

Fig 8. Automatul Programabil Moeller Easy 882

Prin conceptul său, un automat programabil este foarte ușor de adaptat la funcționarea în mediul industrial, poate opera pe o plajă largă de temperatură și umiditate, este foarte ușor de adaptat la orice proces și nu ridică probleme deosebite privind formarea personalului datorită facilităților de programare oferite. Toate aceste caracteristici, la care se mai poate adăuga faptul că echipamentul este destul de robust și costul relativ redus, dacă vorbim de automatizarea proceselor industriale, fac ca automatele programabile să constituie o pondere importantă în automatizarea industriale.

Aceste echipamente s-au impus într-o gamă tot mai largă de aplicații, datorită simplității programării, accesibilității și fiabilității ridicate în exploatare. Utilizarea logicii programate constituie o modalitate considerabil superioară, comparand cu logica cablată de realizare a echipamentelor de comandă. În cazul echipamentelor cu logică programată funcțiile pe care trebuie sa le execute și succesiunea acestora sunt stabilite de programul scris în memoria echipamentului. Prin acest lucru, se asigură o flexibilitate mare a dispozitivelor de comandă, dându-ne posibilitatea unor modificări și dezvoltări ulterioare ușoare. Un exemplu de Logica Cablata în Fig 9.

Fig. 9. Implementarea prin logică cablată

3.1 Tipuri de automate programabile.

Automatele programabile au doua categorii principale: modulare sau fixe. Ambele au aceleași funcții de bază. Un programabil automat este asemănător cu un computer personal. Acestă asemănare constă dintr-o unitate centrală de procesare (UCP) și o interfața de intrare / ieșire a sistemului. Diferenta dintre un PC și automat programabil, este că un automat programabil se poate ocupa de mai multe configurații, se ocupa si de funcțiile de control. Toate sistemele intrare / ieșire au o magistrală pentru mesaje sau pentru informații, intrări sau alte dispozitive controlabile. Indiferent dacă utilizați un automat programabil modular sau un unul fix, aceste două sisteme sunt foarte diferite în aplicarea și executarea procesului.

3.1.1 Automatele programabile fixe

Sunt de obicei proiectate pentru a efectua funcțiile de bază. Acestea sunt mici și constau dintr-o sursă de alimentare un UCP și interfața de intrare / ieșire, toate componentele sunt adăpostite într-o singură cutie. Buna funcționare a tuturor proceselor depinde în mare de executarea ireproșabilă a fiecărei componente. O poza cu un automat programabil fix se regaseste mai jos in figura 10. [5]

Fig 10. Automatul Programabil fix.

3.1.2 Automatele programabile modulare

De asemenea, cunoscute sub numele de unități „rack-mounted”,constă dintr-o bază care permite interconectarea a mai multe componente independente, in figura 11 se poate observa un automat programabil modular, cum ar fi instalarea a numeroase module I / O. Avantajele automatelor programabile modulare sunt urmatoarele: sunt mai ușor de reparat, dispun de o memorie mai mare, au o interfața de intrare / ieșire mai complexă, automatele programabile modulare au fost concepute cu scopul de a fi actualizate si modificate in functie de necesitatiile procesului fiind un tip de automate programabile foarte flexibile și in caz de avarie, sistemul poate depista componenta defectă.

Fig 11. Automatul Programabil modular

3.1.3 Automat programabil realizat în structură deschisă

Automat programabil realizat în structură deschisă, nu are posibilitatea adăugării unor module de extensie și nu poate fi utilizat în medii ce necesită cu umitidate ridicată [sau expunerea direcat in soare, este folosit in dispozitive cu un numar limitat de intrari si iesiri, un exemplu ar fi automat-ul de facut cafea, in figura 12 este un exemplu de automat programabil folosit intr-un automat de cafea.]

Fig. 12. Automat programabil realizat în structură deschisă

3.1.4 Automate programabile cu structură monobloc si cu carcasă închisă.

[Automatele programabile cu structura monobloc si cu carcasa inchisa sunt foarte ieftine, dar ca la automatul in structura deschisa are limitat numarul de intrari si iesiri si nu are posibilitatea adaugari modulelor de extensie.] [6]

Fig. 13. Automate programabile cu structură monobloc si cu carcasă închisă

3.2 Tipuri de solutii adoptate de catre producatori pentru programare automatelor

Calculatorul personal de tip PC, este cea mai folosita solutie.

Fig. 13. Programarea efectuara cu ajutorul calculatorului PC

Utilizarea calculatorului personal tinde să înlocuiască ambele variante de mai sus, deoarece combină avantajele programării off-line cu mobilitatea pe care o oferă la ora actuală calculatoarele portabile (tip notebook), ceea ce face inutilă utilizarea dispozitivelor “hand-held” și elimină delimitarea între metodele off-line” și on-line. Transmiterea programului de la dispozitivul de programare la automatul programabil și invers, programare se face se face utilizând interfața serială RS 232,USB sau un convertor Ethernet la RS 232 incadrat in figura de mai sus.

O consolă portabilă, de dimensiuni mici, ce operează împreună cu automatul, utilizând memoria acestuia, specifică metodei de programare on-line

Fig. 13. Programarea cu ajutorul consolei portabile

Consolă autonomă cu memorie proprie, specifică metodei de programare off-line (soluție oferita de către firma Omron, model PRO15)

Fig. 24. Consolă autonomă Omron PRO15

Datorită memoriei de capacitate mare a consolei autonome, varianta de programare off-line utilizează de obicei un software complex cu o interfață grafică complexă, cu facilități de simulare și testare a programului realizat. În contrast, varianta on-line utilizează un software minimal, cu posibilități reduse de programare, limitate de obicei la introducerea de cuvinte de comandă, fără interfață grafică. Se poate deci concluziona că programele complexe se realizează, testează și simulează în varianta off-line, în etapa programării on-line făcându-se doar o “ajustare” finală a acestora.

4. Componentele unui sistem automat

In acest capitol voi detalia fiecare componentă din structura unui automat, alături de rolul ei. Intrările ce vin din partea de proces sunt realizate sub forma diverselor elemente de comandă și măsurare incluse în sistemele operaționale și auxiliare ale instalațiilor automatizate. Ele pot fi:butoane, comutatoare, limitatoare de cursă, senzori fotoelectrici, senzori de proximitate, traductoare de nivel și, în ultimul timp, traductoare ale căror semnal de ieșire are o variație analogică, sunt detaliate in figura 14 de mai jos.

Fig. 14. Exemple de elemente de intrare ce pot fi conectate la un automat programabil

Cele mai comune tipuri de elemente care se conectează la intrările/ieșirile automatelor programabile sunt sistematizate. Ieșirile dirijează acționarea elementelor de execuție de tipul releelor, contactoarelor, lămpilor de control, electro-valvelor, elementelor de afișare etc., acestea sunt in figura 14. O atenție sporită trebuie acordată intrărilor și ieșirilor, deoarece în aceste zone mărimile electrice (tensiuni, curenți) ating valori care pot afecta unitatea centrală de procesare CPU (central processing unit – microprocesorul automatului programabil), făcând necesară prezența unor circuite care să izoleze procesorul de influența acestora.

Fig. 15. Elemente de execuție sau afișare pentru un automat programabil

Poziționarea bornelor de intrare și ieșire poate fi diferită, în funcție de tipul automatului. Sunt doua situații care pot apărea, cu terminalele de intrare în partea inferioară și cele de ieșire în partea superioară și respectiv situația inversă, cu terminalele de intrare în partea superioară. Este prezentat modul de conectare al elementelor legate la intrările unui automat programabil. Indiferent de tipul automatului, elementele legate la intrări se conectează cu un terminal la potențialul de +24 de V, iar celălalt se conectează la -24 V, prin intermediul terminalul comun al intrărilor, notat pe figură cu COM, la care este conectat potențialul de -24 V al sursei utilizate pentru energizarea intrărilor.

Fig. 16. Poziționarea terminalelor de intrare și de ieșire

Automatul poate utiliza, atât surse de tensiune continuă cât și de tensiune alternativă, în funcție de tipul elementului conectat la ieșire, legate în serie cu acesta. În cazul ieșirilor există mai multe terminale comune, notate cu COM, terminalele de ieșire și respectiv elementele legate la aceste terminale pot fi grupate câte unul la un terminal comun, câte două la un terminal comun sau mai multe la un terminal comun. Trebuie acordată mare atenție valorii maxime a curentului care circulă prin aceste circuite la activarea ieșirii, care nu trebuie să depășească valoarea maximă admisibilă. [6]

Fig. 17. Model de conectare a diferitelor elemente la bornele de ieșire ale unui automat programabil

Memoria era în varianta EPROM (electrically programmable read only memory), dezavantajul acestei memorie este faptul ca, în cazul modificării programelor, ștergerea conținutului memoriei se facea cu lumină UV și re-programarea nu se mai putea face decât cu dispozitive speciale. La ora actuală, circuitele de memorie sunt realizate în tehnologie FLASH, re-programarea memoriei făcându-se cu ușurință prin intermediul software-ului de programare și a unui cablu serial sau USB.

Unitatea centrală de procesare cunoscută si sub denumirea de UCP, constituie de fapt “creierul” automatului programabil. Printre primele unități de procesare utilizate au fost cele pe 1 și 8 biți, ele fiind înlocuite cu cele pe 16 și 32 de biți în prezent.

Unitatea centrala de procesare constă dintr-un microprocesor, un cip de memorie și alte circuite integrate pentru controlul logic, de monitorizare și de comunicații. Procesorul are diferite moduri de operare. În modul de programare acceptă logica descărcat de pe un PC. Procesorul este apoi plasat în modul de a rulare, astfel încât să poată executa programul și să opereze procesul.

Unitatea centrala de procesare a unui automat programabil are la dispoziție mai multe moduri de operare:

Modul de programare.

Acceptă logica de program descărcat prin intermediul unui laptop sau PC, care este utilizat pentru a scrie programul de control. Procesorul este apoi plasat în modul de a rulare, astfel încât să poată executa programul și să opereze procesul dorit.

Modul de rulare

În modul de rulare, automatul este în deplina funcționare, face toate verificările de la sine și de ruleaza programul programul din memorie.

Modul stop

În modul stop este cum se spune, sa oprit. Punerea unui automat programabil în modul Stop, de asemenea, dezactivează toate ieșirile. La îndemână pentru verificarea intrărilor care cauzează ceva.

Modul reset

Prin modul Reset se ințelege, de asemenea, cum se spune, se resetează automatul programabil de la condiții de funcționare înapoi pentru a la setarile din fabrică. Atunci când acest lucru se face fără resetarea memoriei de date, aceasta se numește o resetare cald. Dacă resetarea efectuate este plin, adică se sterge tot din memorie, se numește o resetare la rece.

Modul conectare de la distanta

Permite automatului sa fie comutat intre modul de rulare si modul de programare, prin intermediul unui calculator personal.

Memoria automatelor programabile stochează programe și date și este în general o memorie de dimensiune mică, între 1KB la automatele micro și 1 MB la automatele foarte mari. Memoria este segmentată în zone, una rezervată variabilelor de intrare-ieșire, alta variabilelor ce definesc starea internă a automatului (variabile intermediare) și ultima este destinată programului ce urmează să fie executat. Acest mod de segmentare a memoriei este orientativ, putând exista diferențe de la un tip de automat la altul. La un moment dat, în memoria automatului programabil se poate afla un singur program, indiferent de dimensiunea acestuia și de spațiul de memorie rămas neocupat. În concluzie, memoria automatelor programabile nu poate fi folosită pentru stocarea programelor, aceasta făcându-se pe dispozitive de stocare externe, uzual pe calculatorul personal prin intermediul căruia se face programarea și transmiterea programelor.

Automatul programabil mai are incorporat o baterie care au o medie de viata injurul unui an si folosita pentru a mentine starea actuala a sistemului in cazul unei pene de curent, mai are si rolul de a mentine ceasul, deoarece multe programare folosesc ceasul pentru a rula o anumita sarcina.

Fig. 18. O Baterie de 3 volti folosita in automatele programabile

5. Studiu introductiv privind sistemele SCADA

O evoluție a automaticii este sistemul SCADA ( Monitorizare, Control și Achiziții de Date), este un centru de comandă care monitorizeaza și controlează un spațiu de producție. Operațiile se execută de către un dispozitiv RTU (Unități Terminale Comandate la Distanță) sau de către PLC-uri. În industria de automatică a apărut nevoie unui terminal prietenos pentru utilizator, acest terminal se numește HMI (Interfață om-mașină) permite unui utilizator să vizualizeze și să facă ajustări ale procesului în timp real. [2][3][4]

În prezent, nevoia unui sistem care poate înlocui factorul uman în diverse procese, într-o diversitate de domenii, a dus la crearea unui sistem avansat de control și monitorizare. Pentru a înțelege în totalitate tema propusă, trebuie să înțelegem ce este un sistem SCADA.

SCADA este o combinare a unor programe software și componente hardware utilizate pentru procesul de control și colectare a datelor în timp real de la diferite locații, în scopul de a controla echipamente și condiții. SCADA este folosit într-o varietate de industrii, inclusiv: Industria aerospațială, auto, centrale electrice, petrol și rafinarea de gaze, telecomunicații, transport, apă și controlul deșeurilor, energie, farmaceutic, caldura si o varietate de alte industrii.

Termenul SCADA se referă de obicei la un centru de comandă care monitorizează și controlează un întreg spațiu de producție. Cea mai mare parte a operațiunilor se execută automat de către RTU – Unități Terminale Comandate la Distanță (Remote Terminal Unit) sau de către PLC- Unități Logice de Control Programabile (Programmable Logic Controller).

Fig. 19 Procesul de monitorizare si achizitii date a unui sistem SCADA

Sistemele SCADA includ componente hardware și software. Hardware-ul colecteaza date într-un calculator care are software-ul SCADA instalat, apoi procesează aceste date și le prezintă în timp real. De asemenea, înregistrează toate evenimentele într-un fișier stocat pe hard disk si sau le trimite la o imprimantă. SCADA avertizează atunci când condițiile de proces devin periculoase prin alarmare sonoră.

Sistemul SCADA este format din trei componente principale:

Unul sau mai mult RTU sau PLC

Statia Master si HMI

Infrastructura de cumunicatie

Achiziția de date începe la nivelul RTU sau PLC și implică citirea indicatoarelor de măsură și a stării echipamentelor care apoi sînt comunicate la cerere către SCADA. Datele sînt apoi restructurate într-o formă convenabilă operatorului care utilizează HMI, pentru a putea luă eventuale decizii care ar ajusta modul de lucru normal al RTU/PLC. (Un sistem SCADA include componentele: HMI, controlere, dispozitive de intrare-ieșire, rețele, software și altele).

Un sistem SCADA tipic implementează o bază de date care conține elemente denumite puncte. Un punct reprezintă o singură valoare de intrare sau ieșire monitorizată sau controlată de către sistem. Punctele pot fi fie hard (fizice), fie soft (virtuale). Un punct hard este reprezentarea unei intrări sau ieșiri conectată la sistem, iar un punct soft reprezintă rezultatul unor operații matematice și logice aplicate altor puncte hard și soft. Valorile punctelor sînt stocate de obicei împreună cu momentul de timp cînd au fost înregistrate sau calculate. [4]

5.1 Vurnerabilitati scada

Din păcate, utilitatea acestor sisteme le-a făcut si vulnerabile. SCADA este un sistem relativ necunoscut în afara diferitelor sale comunități industriale. Din acest motiv, inginerii de control nu cred că este nevoie de un sistem de protectie. Astfel, pentru o mare parte din istoria lor, instalațiile SCADA au la baza securitatea prin obscuritate. Multe tehnologii ale sistemului de control sunt proprietate sau conțin componente extrem de specializate, și, astfel, necesită instruire și educație specifică. Adesea experți SCADA provin din medii de proces sau de inginerie mecanică, în loc să provina dintr-un mediu de informatică sau programare. Astfel, deși inginerii de control sunt foarte buni la ceea ce fac, ei nu au fost pregătiți pentru noile tehnologii și pericolele care apar cu noua tehnologie.

5.1.1 Malware

Viruși, viermi, troieni și spyware sunt cei mai mari dusmani al sistemelor de IT. Sistemele SCADA au inceput să includă mai multe tehnologii din domeniul IT , astfel ele devin mai vulnerabile la amenințările la malware. Atacurile provenind de malware care nu vizează în mod direct SCADA va avea un impact tot mai mare pe aceste sisteme.

5.1.2 Oamenii din interior

În ultimii ani, sa presupus că singura amenințare reală pentru un sistem de control a fost de la un fost angajat, cu siguranță acum nu mai este o amenințare, dar este încă o preocupare majoră. Desigur, cei care știu cel mai mult despre un sistem pot provoca si cele mai mari pagube.

5.1.3 Hackeri

Un hacker este un expert în informatică, care se ocupă cu studiul în profunzime al programelor informatice (sisteme de operare, aplicații), adesea folosind tehnici de inginerie inversă (demontare), cu scopul de a obține cunoștințe care nu sunt accesibile publicului larg. Cei ce folosesc aceste cunoștințe în scopuri ilegale, pentru a compromite securitatea sistemelor informatice sau a aplicațiilor, sunt de fapt crackeri (spărgători), însă în percepția publicului (formată de obicei de mass-media) noțiunile de hacker și cracker adesea se confundă. Multe instrumente de hacking sunt cunoscute de a provoca probleme sistemelor SCADA, utilizarea lor ar putea dauna semnificativ mediului in care este folosit sistemul.

5.1 Protocoale folosite in sistemul SCADA

Protocoalele sunt limbajele, care permit unitățile RTU si SCADA sa comunice unul cu altul. Toate arhitecturi de rețea sunt bazate pe ISO (Organizația Internațională pentru Standarde).

RS-232 este prima transmisie serial, aparut in anul 1962 este o transmisie point-to-point și half-duplex sau full-duplex, distanța maximă de transmisie prin cablu este de 15m, viteză maximă: 20kbps și tensiunea pe linie este de maxim: 25V.

Urmează RS-422, tot transmisie serială, multidrop și diferențială (2 fire), Half-duplex, distanța maximă este de 1200m iar viteză maximă: 10Mbs și tensiunea pe linie, max: ±6V.

Ultima este RS-485, deasmenea serială Multipoint, Diferențială, Half-duplex, distanța maximă este de 1200m iar viteză maximă: 10(35) Mbs și tensiunea pe linie: 7-12V. Se poate vedea de asemenea în Fig 35.

6. The internet of things

A aparut prima data in 1999, internet-ul obiectelor (IOT) este o tehnologie noua, cu scopul de a interconeta obiectele folosit în fiecare zi, cu scopul de a forma rețea de Internet prin care se pot comunica unul cu altul. Astfel lăsând în urmă interacțiunea om-la-om sau om-computer. Acesta asigură conectivitatea la obiecte fizice, mai degrabă decât de dispozitive de conectare, cum ar fi laptop traditionale, desktop și mobile. Fiecare dispozitiv în IOT trebuie să aibă o identitate, cea mai mare parte o adresă IP.

Fig. 20 The internet of things

The internet of things se poate referi la o varietate mare de dispozitive, cum ar fi implanturile de monitorizare a inimii, transpondere biochip folosite pe animale de fermă, automobile cu senzori încorporați, sau dispozitive de operare pe teren care ajuta pompieri în căutare și salvare. Aceste dispozitive colecteaza date utile cu ajutorul unor tehnologii existente și apoi transfera fluxul de date între alte dispozitive. Exemple de piață curente includ sisteme inteligente termostate (aerul conditionat, frigiderul) și mașină de spălat,sau alte dispozitive care folosesc WI-FI pentru monitorizare de la distanță .

Mediul de dezvoltare

Cu software-ul instalat, ar trebui să fie capabil să se conecteze Arduino la portul USB de pe computer utilizând un cablu USB AB. Indicatorul de alimentare Arduino LED-va aprinde pe bord, permițându-ne că are putere și este gata să meargă. Pe PC-uri bazate pe Windows este necesar să instalam un driver pentru USB bord Arduino la convertor serial, așa cum se arată în fig 69. Pentru mai târziu cu privire la modul de a instala aceste drivere, asigurați-vă că urmați instrucțiunile de pe partea șoferilor de Inițiere la

Inainte de a incepe programarea trebuie sa setam portul folosit pentru comunicatii de catre placa Arduino Mega2560, cand se instaleaza prima data dispozitivul arduino, la sfarsitul numelui apare si portul folosit in cazul asta placa foloseste portul COM4.

Fig. 69 Driver instalat automat de catre windows.

Fig. 69 Driver instalat automat de catre windows.

Mediul de programare oferit de Arduino este unul open source, destul de simplist, rulează pe computere personale obișnuite sau laptop-uri și permite utilizatorilor să scrie programe pentru Arduino, folosind C sau C ++. Comunicarea dintre placa și calculatorul personal se face serial prin intermediul unui port USB, prin care se poate face achiziție de date sau trimitere de comenzi către placa de dezvoltare sau programarea plăcii în sine. Interfața oferită de mediul integrat este ușor de folosit și există chiar și un meniu de unde se pot încărca exemple de cod, prin care se pot programa diverse aplicații, cum ar fi citirea unei marimi analogice, etc.

Mediul de dezvoltare va rula schița printr-un proces numit compilare, în cazul în care mediul de dezvoltare are codul Arduino C pe care le-am scris, el le traduce într-un format binar care va fi înțeles de catre microcontrol. Dacă totul decurge bine, o notificare va apărea în partea de jos a ferestrei care spune, "Done compiling" și vi se va spune dimensiunea schiței în bytes. Dacă există o eroare în timpul procesului de verificare, treceți și a verifica afară de secțiunea privind erorile comune pentru a vedea dacă vă puteți da seama ce a mers prost. Odată ce am terminat de scris schiță noastră, verificat de erori, și totul se încheie cu succes, suntem gata pentru a încărca schița la bord Arduino; dar înainte de asta, să salvați munca noastră grea.

Date tehnice ale dispozitivelor conectate la sistem

In acest capitol voi enumera senzorii folositi pentru monitorizarea parametrilor, În continuare vom detalia pe scurt dispozitivele folosite, alături de câteva specificații tehnice. Pentru a simula temperatura, am folosit un sezor de temperatură de tip brick, cu trei conectori numit LM 50, din Fig 48.

LM50 este un circuit integrat de precizie, calibrat direct din fabrica pentru grade Celsius, functioneaza de la -40 °C pana la +125°C. Are o precizie de ±2°C specificată la + 25°C. Operează cu voltaje de la 4.5V până la 10V și curent de comandă de 130 μA, nu se încălzește, pentru a introduce erori în citirea temperaturii și oferă o mărime de ieșire liniară[14].

Fig. 48. Senzor de temperatură LM 50

SYH-2R este un senzor de umiditate, este o componenta care sesizează nivelul de umiditate al mediului. Într-o camera obișnuită, valoarea citită pe portul analogic variază între 900 (mediu saturat cu vapori de apă ) și 300 (foarte uscat). [14].

Fig. 48. Senzor de umiditate SYH-2R

Senzorul PT15-21C/TR8 este o componenta care sesizează nivelul de iluminare al mediului. Valoarea iluminării variază liniar între 0 și 1024.

Fig. 48. Senzorul PT15-21C/TR8 de luminozitate liniar

Senzorul CO2(Dioxid de carbon) poate sa detecteze o concentratie de monoxid de carbon intre 20 si 2000ppm (parti la un milion). Acest senzor dispune de o rezistenta incorporata aduce senzorul la temperatura pentru a putea masura cu exactitate.

Fig. 48. Senzorul CO2(Dioxid de carbon)

Următorul echipament este un LED verde de 3 mm cu conector Grove, Fig 50, pentru a simula o ieșire comandată, care să atenționeze vizual în caz de avarie.

Fig. 50. LED Verde cu conector Grove

Următorul și ultimul echipament este un shield Grove, Fig 51, pentru Arduino Mega 2560, cu scopul de a simula un sistem standardizat în ceea ce privește intrările și conectorii, lucru pe care îl vom discută în detaliu în capitolul care urmează. Shieldul reprezintăc o extensie pentru Arduino Mega, cu conectori Grove cu 4 pini pentru o mai ușoară legare a senzorilor și standardizare în sistem a unei singure mufe pentru toate tipurile de senzori[15].

Fig. 51. Shield Grove pentru Arduino Mega

Fig. 64. Interfața sistemului cu un alt dispozitiv conectat

Se poate observa că datele s-au schimbat conform noului autovehicul. În zona de informații dispozitive conectate, putem observa câmpul prezența defect, pentru ultimul autovehicul, s-a setat acel câmp la DA, pentru a demonstra comanda unui led de defect, conform câmpului respectiv. După conectarea ultimului autovehicul, aplicația arată ca în Fig 65.

Fig. 65. Interfața sistemului cu un dispozitiv de iesire conectat

Se observă în chenarul roșu din stânga că este conectat un dispozitiv de ieșire, iar mai jos se poate vedea faptul că interfața notifică utilizatorul de starea ieșirii, condiționată de câmpul din chenarul galben.

Aplicația se poate închide din butonul X din stânga sus, iar portul COM se închide automat la închiderea aplicației. Această aplicare a sistemului menționat în această lucrare este doar unul din multele exemple care pot fi date, avantajul îl reprezintă autocalibrarea și setarea dispozitivului fără intervenție umană în acest sens, ceea ce reduce timpul de implementare foarte mult și odată cu asta și costurile de mentenanță, deoarece sistemul este capabil să gasesca singur eventualele defecte și să notifice utilizatorul, fără a mai fi nevoie de o persoană care să verifice starea echipamentelor periodic. Acesta a fost exemplul propus, în această lucrare de licență.

Concluzii și contribuții

O concluzie foarte importantă ar fi faptul că datorită schimbării tendințelor actuale ale pieței, în prezent automatizarea la scară mică sau de uz casnic, care este o piață în creștere, cu diverse particularități individuale, necesită flexibilitate sporită, sisteme cu o interfață simplă pentru utilizatorii ce nu au cunostiinte tehnice și cel mai important, un preț redus și conectivitate sporită. Sistemul propus in aceasta lucrare de licență, își propune să îndeplinească nevoile actuale atât pe partea industrială cât și pe cea uzuală din viata de zi cu zi, prin conceptul de sistem automat inteligent modular adaptabil al proces, astfel încât sistemul să ofere un grad de flexibilitate suficient de mare, cât să poată fi folosit oricum și oriunde, indiferent de proces, utilizator sau echipament auxiliar.

Această adaptabilitate a sistemului, evidențiată prin faptul că poate fi folosit atât de persoane cu un nivel de cunostiinte tehnice reduse cât și de personal calificat în domeniu, alături de aplicabilitatea sistemului pe orice proces și conectivitatea rapidă și inteligentă pe care o oferă, este principalul avantaj și beneficiu al sistemului în comparație cu sistemele actuale prezente. Un alt avantaj îl reprezintă rapiditatea aplicării sistemului în cadrul unui process, cu condiția că echipamentele prin care se face achiziția de date din process să se încadreze în standardul unității centrale, datorită faptului că nu este nevoie decât de poziționarea dispozitivelor de achiziție și conectarea mufei la unitatea centrală, iar sistemul preia partea de configurare și setare inițială a sistemului asupra sa, astfel utilizatorul se poate concentra pe programarea sistemului fără a mai pierde timp cu implementarea fizică inițială de la automatele actuale. Scopul sistemului propus este de a se propune ca soluție la neajunsurile sau problemele sistemelor actuale și încercarea de a unifica diversele domenii de activitate din punct de vedere al sistemelor de automatizare folosite. Concluzia finală este că ținând cont de tot ce s-a discutat până acum în această lucrare, sistemul propus de către mine vine cu o soluție viabilă, realizabilă și își îndeplinește cu success scopul pentru care a fost conceput.

Bibliografie

[1] Actionari si Automatizari, Editura Didactica si pedagogica bucuresti, paginile 180-235, autori T Popescu, D Mihoc, E Dumbrava, Ov Samoilescu, Anul apariției 1977

[2] http://www.mlahanas.de/Greeks/Technology/AncientGreekTechnology002 21.08.2015 14:47

[3] http://www.bbc.co.uk/devon/discovering/famous/thomas_newcomen.shtml 22.08.2015 11:53

[4] http://www.automatizari-scada.ro/html/ce_este_scada__ce_este_modbus_.php 23.08.2015 15:44

[5]http://blog.cetrain.isu.edu/blog/bid/353287/Advantages-of-a-Modular-PLC-Over-a-Fixed-PLC 24.08.2015 20:44

[6] http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/PLC1.pdf 24.08.2015 23:27

[7] http://www.machine-information-systems.com/How_PLCs_Work.html 25.08.2015 12:37

[8] https://ro.scribd.com/doc/99757526/Automate-Programabile 20 Iunie 13:39

[9] Sensors and Transducers, Editura Newnes, Autori Ian R. Sinclair, paginile 213-247, Anul apariției 2001

[10] http://mec.upt.ro/dolga/ST_1.pdf 16:05 20.06.2015

[11] Signal Processing for Intelligent Sensor Systems with Matlab, Editura CRC Press, Autori David C. Swanson, pagnile 523-560 si 630-640, Anul apariției 2011

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino 20:12 04.07.2015

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Visual_Studio 20:12 04.07.2015

[14] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm50.pdf 20:12 04.07.2015

[15] http://www.jola.ro/search?controller=search&orderby=position&orderway=desc&search_query=grove 20:12 04.07.2015