Sisteme de Monitorizare Si Control Scada a Sistemelor de Alimentare cu Apa

Cuprins :

Capitolul 1 Introducere

Surse de apă și sisteme de alimentare

Sursele de apă sunt: surse subterane sau surse de suprafață, aceste surse reprezintă locul de captare a apei brute și introducerea în sistemul de alimentare cu apă potabilă. Aceste surse asigură alimentarea centralizată cu apă potabilă a populației, în industria alimentară, în industria farmaceutică, a instituțiilor, asigură igiena și sănătatea populației din localitățile lor.

Captarea apei din sistemele de alimentare cu apă diferă în fucție de sursa de apă, forma de relief, locul de așezare a localităților, numărul de locuitori.

Apa din subteran este captată prin forajele de apă brută cu ajutorul electropompelor submersibile după care este pompată în conducta de aducțiune prin care este transportată la stația de tratare și pompare a apei potabile.

Apa din sursele de suprafață respectiv din lacuri, râuri, baraje poate fi captată până la stația de repompare sau chiar până la stația de tratare și pompare a apei potabile prin cădere gravitațională unde forma de relief este de așa natură.

Un sistem de alimentare cu apă este un sistem hidraulic care are rol de captare a apei din sursa de apă brută, tratarea se face pentru a se încadra în parametri fizico-chimici și microbiologici de apă potabilă, o transportă în rețeaua de distribuție până ajunge la consumator.

1 2 3 2 4 2 5 2 6 2 4 2 7 2 8

Figura 1.1 Schema generală de alimentare cu apă potabilă

Sistem de alimentare cu apă potabilă are următoarele componente:

1. sursă de apă brută;

2. conducte de legătură;

3. sistem de captare apă brută;

4. sistem de pompare apă;

5. stație de tratare apă;

6. rezervor de stocare apă tratată;

7. legătură cu rețeaua de distribuție;

8. rețea de distribuție și transport apă potabilă.

Apa folosită în industrie și în agricultură, pentru procese tehnologice, respectiv pentru irigarea culturilor nu mai necesită o tratare și este folosită direct ca și apă brută.

Pentru a avea un control asupra sistemelor de alimentare, un rol important îl au automatizările, care dau un rezultat foarte bun în funcționarea și gestionarea optimă a consumului de apă și energie electrică.

Rețelele de apă potabilă se împart în rețele exterioare și rețele interioare de apă potabilă. Și în cazul rețelelor de apă potabilă, un rol important îl are monitorizarea și centralizarea datelor, privind debitele și presiunile din anumite puncte din rețea, lucru care ar duce la o

exploatare foarte bună, obținându-se o presiune echilibrată în rețea prin intervenția de reglare a vanelor din rețeaua de distribuție.

În această lucrare vom face referire la sursa de apă brută subterană care trebuie captată din subteran, apa necesită o tratare fizico-chimic prin oxidarea.

Captarea se face prin montarea unor electropompe submersibile în foraje de medie adâncime aproximativ 120 metri. Pompele sunt alimentate la un tablou electric cu comanda automată de la distanță.

Schema de alimentare cu apă este prezentă în figura 1.2, care este următoarea:

Nf Nf Nf

1 1 1

2

3

4 5 6 5 7 8

Figura 1.2 Schema de alimentare cu apă potabilă cu sursă de apă brută suterană

Sistemul hidraulic desenat în figura 1.2 este un sistem funcțional și are următoarele componente:

Nf- numărul forajului echipat cu o electropompă submersibilă;

1- sursa de apă brută;

2- conducta de legătură la conducta de aducțiune;

3- conductă de aducțiune;

4- statie de tratare a apei brute;

5- conducta de legătură apă potabilă;

6- bazin de stocare apă potabilă;

7- grup de pompare;

8- rețea de distribuție apă potabilă.

Acest sistem hidraulic are grupul de pompare a apei brute format din electropompele submersibile montate în foraje și conducta de aducțiune care preia debitul de apă de la fiecare foraj. Apa, datorită energiei formate de fiecare electropompă din foraj ajunge la stația de tratare, unde intră în procesul de tratare obținându-se apa filtrată și tratată.

Pentru o bună gestionare a rezervelor de apă brută în exploatare, rolul cel mai important îl au automatizările, monitorizarea parametrilor hidraulici, a instalației și electrici, a electropompelor prin comanda la distanță a fiecărui tablou de automatizare și transmisiile date către un calculator.

Apa brută, captată din forajele echipate cu electropompă submersibilă intră în stația de tratare, unde trece prin următoarele faze:

măsurarea debitului de intrare în stația de tartare;

oxidare fierului din apă în canalul de oxidare a fierului;

filtrare treapta întâi de filtrare, unde se reține fierul oxidat în stratul filtrant;

oxidarea manganului în bazinul de oxidare;

filtrare treapta a doua de filtrare, unde se reține manganul în stratul filtrant;

depozitarea în rezervoarele de stocare a apei potabile;

clorinare pentru prevenire;

pomparea în rețeaua de distribuție a apei potabile;

contorizarea debitului de ieșire din stația de tratare. [1]

Sistem de comandă și control pentru captarea și filtrarea apei

Sistem de comandă la distanță prin cablu de semnalizare cu contactori de comanda

Comanda la distanță a electropompelor din forajele cu apă brută se poate face prin cablu subteran de comandă. Acest sistem de comandă la distanță, are mai multe dezavantaje la ora actuală.

El se poate folosi numai la tablouri de alimentare si comandă cu relee și poate deservi un număr limitat de tablouri care comandă electropompele.

Un alt dezavantaj este că nu pot fi monitorizați parametri hidraulici a instalației și electrici a electropompei, fapt care necesită acționarea operatorului pentru a asigura debitul necesar la intrarea în stația de tratare, fiind necesară oprirea și pornirea pompelor de la panoul de comandă din dispecerat.

Schema pentru un astfel de sistem este prezentată în figura 1.3:

Figura 1.3 Schemă pentru comanda la distanță a electropompelor din foraje

Simbolurile din figura 1.3 sunt următoarele:

N- nul de lucru;

F- faza;

6A- valoarea siguranței automate;

LSP- lampă semnalizare electropompă pornită;

LSO- lampă semnalizare electropompă oprită;

BP- buton pentru pornire electropompă;

BC- buton cheie de comandă numerotat, care corespunde la fiecare tablou;

Exemplu la forajul numarul 2 pe butonul cheie va scrie BC2

BO- buton pentru oprire electropompă;

CC- contactor de comandă;

CP- contactor de pornire a pompei, care se află în tabloul de alimentare și automatizare la fiecare foraj;

CO- contactor de oprire a pompei, care se află în tabloul de alimentare și automatizare la fiecare foraj;

K- contactor forță care alimentează electropompa cu tensiune;

CPN- întrerupător cu poziție neutră;

Rt- releu termic de protecție;

613- conexiune care face legătura între BC prin cablul de semnalizare, în tabloul de distribuție și automatizare, cu contactorul de comandă CC;

011- conexiune care face legătura între butonul BP prin cablul de semnalizare și CC, în tabloul de distribuție și automatizare, cu contactorul de pornire CP a contactorului de forță K;

012- conexiune care face legătura între butonul BO prin cablul de semnalizare și CC, în tabloul de distribuție și automatizare, cu contactorul de oprire CO a contactorului de forță K;

013- conexiune care face legătura între lampa de semnalizare pornit LSP prin cablul de semnalizare și CC, în tabloul de distribuție și automatizare, cu contactul normal deschis al contactorului K;

015- conexiune care face legătura între lampa de semnalizare oprit LSO prin cablul de semnalizare și CC, în tabloul de distribuție și automatizare, cu contactul normal închis al contactorului K.

De la panoul de comandă se închide BC, care corespunde tabloului de distribuție și automatizare a pompei care dorim să vedem starea. Dacă pompa este pornită, prin contactul normal deschis al lui K și contactul normal deschis al CC, va ajunge prin șirul de clemă al conexiunii 013, va ajunge tensiune iar lampa LSP se va lumina, semnalizând starea pompei pornite. Dacă pompa este oprită, atunci prin contactul normal închis al lui k și contactul normal deschis al lui CC, prin șirul de cleme 015 va ajunge tensiune la lampa de semnalizare oprit LSO, lampa va lumina, indicând starea oprită a pompei.

Pentru a porni electropompa se închide BC, corespunzător tabloului de comandă a pompei, care dorim să o pornim din dispecer se închide contactul normal deschis al contactorului CC, care alimentează bobina contactorului de pornire CP, dacă apăsăm butonul BP, bobina va primi tensiune, contactul normal deschis CP care alimentează bobina contactorului K prin Rt se va închide și contactorul va cupla alimentând cu tensiune electropompa, care va funcționa.

Dacă dorim să orpim pompa, se face aceleași operațiuni de comandă ca și la pornire, numai că se va acționa butonul de oprire BO, care va închide contactorul de opritre CO, iar contactul normal închis al lui CO se va deschide, întrerupând alimentarea cu tensiune prin contactul normal deschis al lui K, și RT întrerupând alimentarea cu tensiune a bobinei contactorului K, care va opri automat electropompa, care nu va mai funcționa până la repornire. [2]

Sisteme de monitorizare și control SCADA a sistemelor de alimentare cu apă

Sistemele SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), adică Sistem de Monitorizare, Control și Achiziții de Date, sunt foarte performante în serviciile de calitate oferite. Aceste servicii se referă la viteza de supraveghere și conducere a proceselor în industrie și modul rapid de reacție, eliminând erorile contribuie la calitatea produselor,astfel se pot realiza produse de o calitate ireprosabilă.

Un sistem SCADA implementat controlează și monitorizează operațiile iar acel sistem redă informații care se reflectă în maximinizare a profitului [3]

Pentru monitorizarea valorilor debitelor și a presiunilor de la forajele de pe un front de captare a apei (frontul de captare este din numărul de foraje si instalatiile hidraulice) sau măsurarea de nivele hidro statice sau hidro dinamice trebuie trimise echipe cu aparatură de măsură, lucru destul de greu de realizat, din cauză că se pot produce diferite erori, aceste erori vor fi eliminate total cu un Sistem de Monitorizare Control și Achiziții de Date.

Comanda la distanță a electropompelor din foraje se face sub un control foarte eficient și precis astfel se poate asigura și regla un debit în funcție de consumul necesar prin oprirea sau pornirea pompelor.

De asemenea, prin sistemul SCADA se pot achiziționa date cu parametri hidraulici sau electrici de la fiecare foraj pentru întocmirea de rapoarte de pe fiecare în parte.

În procesul de filtrare și tratare a apei brute, sistemul SCADA are de asemenea un rol foarte important în oxidare, la reglarea nivelelor în filtre și bazinul de acumulare (stocare) a apei asigurânduse un stoc necesar pentru pompare în rețeaua de distribuție.

Se poate spune că sistemele SCADA sunt compuse din hardware și software, componete care pot controla și monitoriza un process tehnologic.

Componentele hardware, care formează un dipecer pot fi compuse din: server, stații de lucru, monitoare, imprimante. Acest component SCADA contribuie la vizualizarea procesului pe monitor, a parametrilor, alarmelor care apar, valorile măsurate.

Imprimanta se folosește pentru imprimarea anumitor paremetri, grafice, întocmirea de rapoarte pe anumite perioade stabilite sau pe perioade alese atunci pe moment.

Componenta software SCADA este compusă din: servere, client care reprezintă interfața cu utilizatorul, webservere.

Un alt nivel (component) SCADA este magistrala de comnicație dintre dispecer și automatele programabile PLC, deoarece automatizarea este legată de software-ul automatelor programabile, pentru că ele conduc fazele locale din proces.

Monitorizarea și controlul este făcut din sisteme informatice speciale pentru SCADA, valorile mărimilor sunt în timp real reprezentate pe un grafic, modicarea unei valori va fi afișată pe grafic. Dacă apare o defecțiune în proces, va fi afișată pe monitor ca alarmă care poate fi scoasă în evidență prin semnale sonore cu efecte special. [3]

Comunicția se poate prin diferite moduri care sunt următoarele:

comunicație telefonică, modemuri;

comunicație radio;

comunicație prin rețele LAN;

comunicatie prin satelit.

Componente hardware care execută automat cele mai multe operațiuni sunt:

RTU (Unități Terminale comandate la distanță);

PLC (Unități Logice de control Programabile);

Datele se restructurează într-o anumită formă prin HMI (Interfață Om Mașina).

În următoarea figură, este prezentată o schemă SCADA, care conține următoarele 3 nivele:

nivel de monitorizare și control;

nivel de achiziție date;

aparatura de câmp.

Figura 1.4 Schemă de monitorizare și control SCADA [4]

Capitolul 2 Obiective și specificația proiectului

În lucrarea care va fi prezentată, se va realiza un proces automat de captare și filtrare al apei brute din subteran. Obiectivul acestei lucrări este să cuprindă toate etapele principale care se execută în proces într-un sistem de alimentare cu apă . Sistemul se va realiza cu un automat programabil , având ca scop reglarea nivelului în bazine .Reglarea nivelului in bazine este foarte intr-un astfel de proces. Am dorit să realizez un astfel de proces la scară mai mică , care este schițat în figura următoare [1]

Figura 2.1 Schemă proces de tratare și filtrare apă brută

Componentele reprezentate în figura 2.1 sunt următoarele:

1- sursă de apă brută subterană (recipient din polipropilenă de 180 l)

2- pompă submersibilă cu tensiune alimentară de 24 V cc

S1-senzor nivel minim

S2-senzor nivel maxim

3- filtru y cu clapetă de sens

4- senzor de debit

5- traductor de presiune și manometru

6- robinet de reglare a debitului pompei manual

7- bazin de filtrare a fierului treapta I (recipient din polipropilenă de 48 l)

8- strat filtrant cu crepine

9- rezervor de apă potabilă

10- conductă cu apă filtrată

11- bazin de aerare (recipient din polipropilenă de 48 l)

12- bazin de filtrare a manganului treapta II (recipient din polipropilenă de 48 l)

S3- senzor de nivel filtrare treapta I

S4- senzor de nivel oxidare mangan

LT- traductor de nivel ultrasonic

V1- electroventil care reglează nivelul la bazinul de filtrare a fierului

V2- electroventil care reglează nivelul bazin de filtrare a manganului treapta II

V3- electroventil care reglează nivelul la rezervor de apă potabilă

Sistemul automat se va realiza folosind un automat programabil (PLC) tipul SIMATIC S7-300. Funcționarea sistemului se va face și cu comanda prin relee, fără automat programabil, care va funcționa cu comutatorul de comandă, comutat pe poziția manual, de pe tabloul de comandă. Funcționarea principală a sistemului va fi cu comutatorul pe mod automat, folosind automatul programabil SIMATIC S7-300

Sistemul cu automat programabil SIEMENS se compune din două părți: o parte hardware și o altă parte software.

Partea hardware este compusă din componente care asigură funcționarea sistemului și partea de software asigură monitorizarea întregului sistem automat.

Partea de hardware are următoarele componente:

sursă de alimentare sursă de tensiune 220 V cu tensiune continuă

CPU 313, care folosește o rețea ethernet pentru comunicarea între SIMATIC S7-300 și PC

un modul de ieșire de tip releu

un modul de intrări analogice

un modul de ieșiri analogice

un modul de intrări digitale

un modul de ieșiri digitale.

10 relee de curent continu de 24 V

un transformator 250 VA, cu o ieșire de 12 V și una de 24 V

2 contactoare de forță 12A LCD unu pentru alimentare pompa iar celălalt pentru compresor care produce aer pentru oxidare

6 lămpi de semnalizare de 24 de V curent continu

electroventile : V1,V2,V3

trductor de presiune

robinet de reglare debit

recipient de 180 l

6 senzori de nivel

un traductor de nivel ultrasonic

Capitolul 3 Studiul bibliografic

3.1 Automat programabil SIMATIC S7-300

Un automat programabil este un computer mai mic care este folosit în automatizări de diferite tipuri, cum ar fi: coordonarea anumitor procese, în industrie pentru a crește randamentul procesului și de asemenea, se mai poate folosi și în agriculutră.

Spre deosebire de calculatoarele PC (Personal Computer), automatele programabile care au și denumirea în engleză PLC (Programabile Logic Controler) sunt mai rezistente la praf, variația de temperature, zgomote, umezeală, temperatură ridicată.

Pentru stocarea programelor PLC-urile au o memorie non-volatilă, ele fiind un sistem real pentru că ieșirile din PLC depind total de intrări.

Programul PLC-ului care este salvat în memoria EEPROM poate controla anumite secvențe complexe din proces, ele înlocuind releele și timerele care erau folosite într-un număr mult mai mare, într-un process automat.

Pentru prima dată într-un proces, automatele programabile au fost folosite în industria constucțiilor de mașini care după un timp s-au dezvoltat, care cu trecerea timpului s-au dezvoltat foarte mult, fapt care a dus la modificarea formelor automatelor, fiind de mărimi mai mici.

Figura 3.1 Automat programabil SIMATIC S7-300

Automatele programabile PLC sunt montate pe o șină specială, pe care se poate monta la nevoie extensii module intrare/ieșire, digitale sau analogice în funcție de numărul legăturilor care trebuie făcute între automatul programabil și senzori sau elemente de execuție.

Cu automatele programabile semnalele analogice de la traductori utilizați vor fi interpretate, valorile semnalelor vor fi afișate și se vor putea citi de pe un ecran local de pe un afisoar sau de pe monitorul unui sistem SCADA de monitorizare și control.

Semnalele afișate în interfață cu utlizatorul pe ecrane se văd ca și:

valore a concentratiei unei substanțe,

temperaturi;

turbidității;

valori ale oxigenului în apă;

valori a umidități;

valori a debitului;

valori a presiunii unui lichid;

valori a nivelului;

ca imagini care pot fi urmărite.

În procesul tehnologic cu automatele programabile se pot comanda și cotrola motoare electrice, întrerupătoarele din stațiile de alimentare cu energie electrică, cilindri pneumatici sau hidraulici, electro vane. Comanda se face prin relee, bobine sau ieșiri analogice care vor alimenta bobinele contactorilor de forță prin care sunt alimentate utilajele, în fucție de comanda primită de la PLC acestea se vor afla în stare de funcționare sau se vor opri.

Automatele programabile SIMATIC S7 – 300 sunt folosite în sectoarele industriale având multe aplicați, aceste aplicații multiple se realizează prin adăugarea de module de intrare ieșire asigurând soluții pentru aplicațiile instalațiilor centralizate sau distribuite.

Automatele programabile SIMATIC S7 – 300 sunt automate de nivel mediu pentru un număr de semnale, fiind o soluție pentru aplicații care nu au grad de performanțe așa de mare.

SIMATIC S7 – 300 poate să fie folosit în următoarele aplicații:

aplicații generale;

aplicații care au echipamente cu destinații speciale;

aplicații care conduc și controlează procesele în instalații. [5]

Un automat programabil S7 – 300 are în componență un modul CPU cu unu sau mai multe extensii care este alcătuit din:

sursă de alimentare;

unitate centrală;

module de semnal de intrare;

module de semnal de ieșire.

Semnalele modulelor de intrare pot fi: semnale digitale sau analogice.

Sursa de alimentare transformă tensiunea de la rețeaua de 120 – 230 de V AC tensiune alternativă în tensiune de 24 V DC, tensiune de curent continu. Automatul va fi alimentat cu tensiune de 24 V.

Sursa de alimentare, folosită în acest proiect este o sursă de tip SIEMENS SITOP de 3,5 A, care va alimenta automatul programabil.

Automatul programabil SIEMENS S7 – 300 cu sursă de alimentare, este prezentat în figura 3.2:

Figura 3.2 Automat programabil SIMATIC S7-300 cu sursă de alimentare 3,5 A

Unitatea centrală de prelucrare care execută programele care sunt de două tipuri: sistemul de operare și programele utilizator.

Sistemul de operare al automatelor programabile au următoarele sarcini:

are rol de restartare;

un alt rol este apelarea programului utilizator;

detectare de întreruperi și apelare;

erorile vor fi detectate și semnalizate de sistemul de operare a automatelor programabile;

asigură comunicația cu modulele automatului și un calculator sau laptop prin cablu de magistrală.

Cablul de magistrală este conectat între calculator și automatu programabil SIEMENS S7 – 300 prin MPI (interfață multipunct) care este prezentată în figura 3.3.

Cu această comunicație se poate face legătura cu un calculator sau cu alte sisteme automate S7, se pot conecta maxim 125 de noduri MPI.

Pentru a se realiza structuri mai mari se folosește magistrala Profibus DP (legături periferice distribuite).

Modulele distribuite vor fi configurate cu ajutorul programului STEP 7 care va fi instalat pe un calculator sau laptop.

Automatul programabil S7 – 300 se poate utiliza având funcție de master (stapăn) sau slave (sclav).

Figura 3.3 Interfață Multi Punct – MPI

Tipul de MPI folosit la implementarea acestui proiect este cel din figura 3.4.

Pe partea din față a unității centrale automatului sunt

diferite LED-uri care arată starea automatului programabil;

conectori de comunicație;

butonul de comutare a modului de lucru, mod run sau stop;

locul pentru cartela de memorie, cartelă de memorie care salvează programul automatului dacă există întreruperi de alimentare cu tensiune.

Butonul de comutare, dacă este pe poziția run atunci programul automatului se va executa, iar dacă butonul este pe poziția stop programul nu va fi executat.

Figura 3.4 SIMATIC S7 PC ADAPTER USB folosit în proiect

Resetarea memoriei se face printr-o funcție push a butonului din poziția stop. [5]

În programul STEP 7, care este folosit la programarea automatelor SIMATIC S7 – 300 sunt blocuri de programare, datorită acestor blocuri se poate înțelege ușor programul sau dacă vrem să facem modificări a programului se va face cu ușurință.

Aceste blocuri sunt următoarele:

Organization Blocks (OB) pornește programul automatului, execută programul și administrează erorile, interfațează utilizatorul cu sistemul de operare;

System Function Blocks (SFB); aceste blocuri sunt preprogramate standardizat în sistemul de operare

System Functions (SF);

Functions (FCs) aceste blocuri trebuie programate;

Functions Blocks (FBs) au memorie pentru stocarea parametrilor;

Data Blocks (DB) în acest block se află date despre programul utilizat. [6]

3.1.1 Programarea automatelor cu soft-ul STEP 7

Cu ajutorul programului STEP 7 se poate programa un automat programabil pentru a conduce și a monitoriza un proces.

Crearea unu proiect pentru o aplicație se poate face în mai multe moduri:

se caută soluția pentru a se face automatizarea;

se face un proiectul;

se poate crea programul și se poate face configurarea hardware;

sau se poate face configurarea hardwarea iar apoi crearea programului;

se face transferarea programului de pe PC către CPU și se depanează programul.

În pachetul de softare STEP 7 se găsesc mai multe aplicații care nu trebuie deschisă separat, ele pornesc automat când se selectează o funcție sau un obiect.

Aceste pachete standard sunt:

Sybol Editor are toate simbolurile din aplicații;

SIMATIC Manager care are toate datele proiectului de automatizare;

NETPRO Configurarea Comunicației;

Configurarea Hardware;

Limbaj de programare care poate să fie LAD, FBO sau STL;

la realizarea lucrării se va folosi programarea LADER (LAD).

Diagnosticarea hardware arată starea automatului care la apariția unui defect va fi diagnosticat în locul unde este, afișând acel defect.

Limbajele de programare care se pot folosi la o programare în STEP 7 sunt:

Ladder Logic sau prescurat LAD;

Funcție Block Diagram sau prescurat FBD;

Limbaj Controlat Structurat sau prescurat SCL;

Statment List sau prescurat STL;

Secvențe de funcții Chart sau prescurat SFC.

Ladder-ul Logic este un limbaj de programare care arată ca și o schemă electrică cu relee.

Funcția Block Diagram este, după cum spune și numele un limbaj grafic care folosește blocuri logice.

Limbajul Controlat Structurat este un limbaj de programare de nivel înalt, care este în standardul IEC 61131-3.

Statmen List este pentru crearea rutinelor la nivel hardware și creează programe utilizator optimizând folosirea memoriei.

Secvențe de funcții Chart este programul folosit pentru descrierea cu secvențe alternante sau paralele.

Configurarea hardware are rol de configurare a controlerului și de configurarea modulelor de intrare și ieșire NetPro (configurarea rețelei).

Prin această funcție se face transferul de date de tip timp condus și date de tip eveniment condus.

Crearea unui proiect în SIMATIC Manager se face prin următorii pași, care vor fi prezentați prin următoarele figuri, după cum urmează:

Figura 3.5 Reprezentarea pasului 1

Se pornește SIMATIC Manager pentru a crea un program nou.

Se apasă butonul Next din figura 3.5.

Figura 3.6 Reprezentarea pasului 2

Se selectează tipul de procesor pentru care urmează să se facă aplicația în câmpul CPU type pentru aplicația care trebuie să corespundă cu CPU al automatului programabil, care urmează a fi programat.

Această secvență este reprezentată în figura 3.6.

Se apasă butonul Next pentru a salva setările făcute și a trece la pasul următor.

Figura 3.7 Reprezentarea pasului 3

Se selectează blocul de programare, în cazul nostru avem blocul OB1 din figura 3.7.

Se alege limbajul de programare care se poate schimba, în cazul nostru LAD.

Acest pas este reprezentat în figura numărul 3.7.

Se apasă butonul Next.

La apăsarea butonului Next se va deschide fereastra STEP 7 Wizard New Project.

Figura 3.8 Reprezentarea pasului 4

Pasul 3 constă în atribuirea unei denumiri a proiectului prin scrierea în fereastra Project Name.

Acest pas este reprezentat în figura 3.8.

După scrierea denumirii proiectului în fereastra Project Name, se apasă butonul Finish.

În acest moment, după apăsarea butonului Finish avem creat un proiect în STEP 7 cu CPU selectat.

Proiectul este creat și are următoarea formă care apare în SIMATIC Manager în partea stângă a programului se poate vedea o ierarhie a proiectului, după cum urmează:

este nivelul unde este trecut denumirea proiectului.

următorul nivel este prezentat ca program stație, care va arăta tipul.

este tipul stației CPU, care în cazul nostru este 313.

În figura următoare este prezentat cele 3 nivele a proiectului nou creat:

Figura 3.9 Schema proiectului

Dacă activăm S7 program, care este marcat în figura 3.9 dinainte, vedem 3 foldere în partea dreaptă a figurii: Sources, Blocks și Symbols.

În folderul Sources se stochează fișierele sursă a programelor.

Folderul Blocks conține fișierul System Data și fișierul OB1, care deja s-a creat, iar mai târziu va conține toate blocurile.

În folderul Symbols se va completa în tabel simbolurile care vor fi folosite în program.

După cum am mai amintit, la crearea unei aplicații, se poate face prima dată configurarea hardware, pe urmă configurarea programului sau crearea programului și pe urmă configurarea hardware.

Noi având creat programul, urmează să se facă configurarea hardware, configurare care este prezentată în figura 3.10.

La accesarea butonului SIMATIC 300 Station, se deschide fereastra cu imaginea hardware și tipul CPU 313 C(1).

Se apasă butonul hardware din SIMATIC Manager.

Din librăria de componente se alege sursa de alimentare.

Se verifică versiunea procesorului, dacă nu corespunde se adaugă alt procesor care va corespunde.

Pentru a face configurarea avem nevoie de o șină rack care se va trece pe primul loc.

În rândul al doilea se fixează CPU-lul cu module de intrare și ieșire.

În rândul unu se pune sursa de alimentare care se selectează din librărie.

Figura 3.10 Configurarea hardware

Există PLC-uri care au sursă de alimentare cu tensiune externă de 24 V DC cu curent continu.

După configurarea hardware se va face configurarea intrărilor și ieșirilor analogice și digitale.

În programul STEP 7 sunt adrese, exemplu intrări/ieșiri (IO) cum ar fi semnale, bit de memorie, time-re, blocuri de date. Adresele pot fi de două feluri:

adresare absolute

adresare care are identificator și locație de memories, spre exemplu Q0.0 care este ieșire, I0.1 care este intrare, M2.0, FB8.0.

adresare simbolică, care ajută mult la depanarea programelor prin adresarea simbolică, de asemenea adresa poate fi apelată cu ajutorul unui symbol

Un exemplu de nume simbolic ar fi motor pornit la care se atribuie adresa Q1.0 se poate folosi în program doar motor pornit.

Acest mod de adresare ajută și la recunoașterea elementelor care se potrivesc cu componentele proiectului.

În tabelul de simboluri se poate trece următoarele:

Tabel 3.1 Tabel cu adrese [5]

În tabelul 3.1, vedem că avem intrările I1.0 și I1.1, care vor genera o ieșire Q0.0 în funcție de valorile intrărilor.

Exemplu de tabel scris în programul SIMATIC STEP 7:

Figura 3.11 Tabel cu intrări și ieșiri scrise în program

Adrese permise în tabelul simbolurilor:

Intrările I sunt de tipul bool cu constanta input bit și au domeniul de adrese de la 0.0 la 65535.7.

Intrările IB sunt de tipul byte și char cu constanta input byte (octet) și au domeniul de adrese de la 0 la 65535.

Intrările IW sunt de tipul word, int, s5time, date cu constanta input word (cuvânt) și au domeniul de adrese de la 0 la 65534.

Intrările ID sunt de tipul dword, dint, real, tod, time cu constanta imput double word (cuvânt dublu) și au domeniul de adrese de la 0 la 65532.

Ieșirile Q sunt de tipul bool cu constanta output bit și au domeniul de adrese de la 0.0 la 65535.7.

Ieșirile QB sunt de tipul byte, char cu constanta output byte (octet) și au domeniul de adrese de la 0 la 65535.

Ieșirile QQW sunt de tipul word, int, s5time, date cu constanta output word (cuvănt) și au domeniul de adrese de la 0 la 65534.

Ieșirile QD sunt de tipul dword, dint, real, tod, time cu constanta output double word (cuvânt dublu) și au domeniul de adrese de la 0 la 65532.

M este memorie de tipul bool cu constanta bit de memorie și au domeniul de adrese de la 0.0 la 65535.7.

MB este memorie de tipul byte, char cu constanta octet de memorie și au domeniul de adrese de la 0 la 65535.

MW este memorie de tipul word, int, s5time, date cu constanta cuvânt de memorie și au domeniul de adrese de la 0 la 65534.

MD este memorie de tipul dword, dint, real, tod, time cu constanta cuvânt dublu de memorie și au domeniul de adrese de la 0 la 65532.

Intrările PIB sunt de tipul byte și char cu constanta peripheral input byte și au domeniul de adrese de la 0 la 65535.

Ieșirile PQB sunt de tipul byte și char cu constanta peripheral output byte (octet) și au domeniul de adrese de la 0 la 65535.

Intrările PIW sunt de tipul word, int, s5time, date cu constanta input word (cuvănt) și au domeniul de adrese de la 0 la 65534.

Ieșirile PQW sunt de tipul word, int, s5time, date cu constanta output word (cuvănt) și au domeniul de adrese de la 0 la 65534.

Intrările PID sunt de tipul dword, dint, real, tod, time cu constanta input double word (cuvănt dublu) și au domeniul de adrese de la 0 la 65532.

Ieșirile PQD sunt de tipul dword, dint, real, tod, time cu constanta input double word (cuvănt dublu) și au domeniul de adrese de la 0 la 65532.

Temporizatorul T este de tipul timer cu constanta timer și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

Numărătorul C este de tipul counter cu constanta counter și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

FB este de tipul FB cu constanta function block și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

OB este de tipul OB cu constanta organization block și are domeniul de adrese de la 1 la 65535.

DB este de tipul DB, FB, SFB, UDT cu constanta data block și are domeniul de adrese de la 1 la 65535.

FC este de tipul FC cu constanta function și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

SFB este de tipul SFB cu constanta system function block și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

SFC este de tipul SFC cu constanta system function și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

VAT este o funcție cu constanta de funcție variable table și are domeniul de adrese de la 0 la 65535.

UDT este de tipul udt cu constanta user-definited data type și are domeniul de adrese de la 0 la 65535. [5]

Mediul de programare STEP 7 are multe structuri de programare, care sunt următoarele:

Blocul de organizare (OB)

Funcția (FC)

Blocul de funcții (FB)

Blocul de date (DB).

O funcție se poate scrie prin apelarea funcției insert din meniul SIMATIC Manager, se selectează S7 Block iar apoi se alege funcția.

În figura 3.12 este prezentat modul de selectare a funcției Function:

Figura 3.12 Selectarea funcției Function

După ce a fost selectată funcția, se apasă pe butonul function, care va deschide fereastra cu proprietățile funcției FC. Acest mod de stabilire a numelui funcției se face prin selectarea limbajului de programare, urmând confirmarea prin apăsarea butonului ok.

În figura 3.13 se prezintă funcția FC1, unde limbajul de programare selectat va fi LAD, această funcție se va adăuga în directorul blocks.

Figura 3.13 Funcția FC1

O altă funcție de control continu care este utilizată în programul PLC-ului și controlează procesele cu intrări continue și ieșiri variabile este funcția de control continu FB41 CONT_C.

Pentru configurare se va folosi blocul DB41.

Figura 3.13 Blocul DB41

În blocul FB41 se poate implementa următoarele regulatoare:

regulatoare proporționale;

regulatoare proporțional integrative;

regulatoare proporțional derivative;

regulatoare proporțional integrativ derivativ;

regulatoare proporțional derivativ integrativ.

Figura 3.14 Blocul DB41

După ce programul a fost creat în mediul de programare SIMATIC Manager, programul se poate testa pe calculatorul sau laptopul unde a fost scris, apelând din bara de meniu S7 – PLCSIM1.

Se pune în modul run programul simulatorului S7 – PLCSIM1 care va simula intrările și ieșirile programului.

În funcție de schema pe care o avem, se pot pune pe simulator module de intrare și module de ieșire.

Figura 3.14 Simulatorul S7 – PLCSIM1

Dacă bifăm în căsuța de intrare cu virgulă, exemplu I0.0 poate să genereze o ieșire Q0.0, această intrare I0.0 poate să fie o intrare digitală sau o intrare analog, care va da comandă de oprire sau comandă de pornire a unui releu care v-a acționa un contactor de forță care alimentează o pompă de apă, un motor electric, o bandă transportoare etc.

Testarea programului se face în modul offline.

După activarea opțiunii simulatorului S7 – PLCSIM se activează folderul blocks și decarcă apoi programul activând butonul download se deschide fereastra de simulare, iar pe treapta de programare network, care are pe ea scrisă intrările și ieșirile se vor vedea ciclul de execuție a programului simulat.

Pentru a lucra online, simulatorul PLCSIM trebuie închis.

Se încarcă programul în CPU, se face download, încărcarea programului în automat se face prin conectarea automatului programabil în starea run.

După încărcarea programului în automatul programabil prin cablu de programare dotat cu MPI. Automatul programabil va executa programul scris în mediul de programare SIMATIC STEP 7.

3.2 WINCC FLEXIBILE

Pentru a se face o interfață cu utilizatorul, se va crea în WinCC un proiect care se va integra în proiectul STEP 7, care este în fereastra SIMATIC Manager.

Interfața om – mașină (HUMAN – MACHINE INTERFACE) oferă operatorului o supraveghere foarte bună în procesele complexe, el putând verifica funcționarea instalației sau a utilajelor. [7]

Prin interfața între PLC și WinCC flexibile, trebuie să fie o conectare.

Pe ecranul monitorului se poate vedea alarme, se pot verifica graficele de funcționare, se poate seta anumite valori pentru o mai bună funcționare.

De la server-ul pe care este instalat aplicația WinCC flexibile se poate face și întocmirea de rapoarte pe anumite perioade de timp, mai scurte sau mai lungi cu ajutorul unei imprimante, gestionând mai bine funcționarea sistemului.

Parametrii utilajelor se pot compara analizând aceste rapoarte, putându-se aduce îmbunătățiri unde este cazul.

Operatorul, pentru a apela diferite ecrane în timpul ce automatul programabil execută programul are nevoie ca fiecare ecran să fie integrat în procesul care funcționează.

Pentru a integra în proces, fiecare ecran se foloseesc 2 metode:

se utilizează un editor de navigare între ecrane;

a doua metodă este utilizarea pentru configurare a unor butoane sau chei care vor avea incluse funcții de navigare.

Un ecran conține obiecte de două tipuri:

obiecte statite- nu se modifică în timpul execuției programului;

obiecte dinamice- se modifică în funcție de evoluția procesului.

Aceste stări ale obiectelor dinamice se afișează în tab-uri care se vor modifica. [8]

Crearea unui program în WinCC flexibil, se fac următorii pași care se vor prezenta în ordinea modului de realizare a mediului de programare. [5]

Figura 3.15 Pornirea aplicației WinCC flexibile 2008

Se selectează opțiunea “Create a new project with the Project Wizard”, opțiune care este marcată în figura următoare într-un chenar.

Figura 3.16 Pasul 1 pentru crearea programului

Pasul următor este alegerea opțiunii (Small Machine), care face direct legătură cu PLC-ul și panoul Sinoptic.

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.16 Pasul 2 pentru crearea programului

Se creează interfața grafică dorită, corespunzătoare ca și aspect programului din STEP 7, de exemplu la o aplicație a alimentării cu apă se va face mai multe ecrane în funcție de numărul de pompe care sunt în forajele de apă.

Se vor face acele obiecte dinamice (tag-uri) care vor fi afișate pe ecranul interfeței om-mașină.

Vor fi tag-uri care se vor modifica în funcție de debitul, presiunea, valorile parametrilor electrici.

Se vor pune butoane de control, care vor putea fi pentru navigare.

Conexiunea este de tipul MPI/DP.

Toate elementele care vor fi selectate se vor include în header.

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.17 Pasul 3 pentru crearea programului

Se stabilește numărul de ecrane care vor fi afișate, fiecare ecran având detaliul corespunzător lui.

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.18 Pasul 4 pentru crearea programului

Se stabilește numărul de ecrane, fiecare cu detaliile specifice al lui.

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.19 Pasul 5 pentru crearea programului

Se selectează tipul de navigare a ecranelor care poate să fie un ecran principal pentru toate ecranele sistemului sau să fie ecrane care afișează direct.

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.19 Pasul 6 pentru crearea programului

La pasul 7 se pun librăriile necesare, exemplu buton, swithc, graphic, se adaugă și librării opționale. [5]

Se apasă butonul next pentru a se trece la următorul pas în realizarea programului.

Figura 3.20 Pasul 7 pentru crearea programului

La pasul 8 se adaugă comenturi după care se apasă butonul de finish, iar în acest moment se va termina crearea proiectului, care va conține valorile care au fost setate la fiecare pas în parte. [5]

Figura 3.20 Pasul 8 pentru crearea programului

Capitolul 4 Implementare

Figura 4.1 Standul procesului de captare și filtrare apei brute

Implementarea proiectului „Proces de captare și filtrare apă brută” este prezentată în figura 4.1 care este compusă dintr-un suport confecționat din profil de fier dreptunghiular și profil de fier V.

Confecționarea suportului care susține sursa de apă potabilă care este un recipient pentru apă cu un volum cu o capacitate de 180 l și cele 4 cuve de capacitate de 48 de l s-a făcut prin debitarea și îmbinarea prin sudură.

Suportul de susținere a fost făcut pentru automatizarea procesului în așa fel ca cele 4 cuve să fie în trepte.

Astfel, prin realizarea în trepte s-a obținut o cădere liberă a apei dintr-o cuvă în alta, această cădere este realizată în momentul când electrovalvele sunt comandate de automatul programbil SIMATIC S7 – 300.

Acest proces are 2 componente:

partea de captare a apei din sursa de apă brută;

partea de filtrare și stocare a apei.

Acest proiect a fost făcut ca și un circuit închis, respectiv apa din bazinul de stocare se întoarce în sursa de apă brută pentru a nu se produce deversări de apă și sistemul să poată funcționa făcând un circuit închis, comandat de tabloul cu automat programabil și elementele de automatizare, montate în el.

Tabloul de automatizare a fost montat lateral pentru a nu se produce accidente de

electrocutare. În caz de deversare apa nu ajunge la tablou.

De asemenea, tensiunea de alimentare folosită în procesul de automatizare este:

tensiune redusă de 12 V DC curent continu;

tensiune de 24 V AC curent alternativ;

tensiune de 24 V DC curent continu.

Pe partea frontală a tabloului sunt montate butoane de comandă și lămpi de semnalizare care sunt alimentate cu tensiune de 24 V DC, curent continu.

Partea frontală a tabloului este prezentată în figura următoare:

Figura 4.2 Tablou de automatizare a aplicației

Stratul filtrant a fost confeționat din doua plăci de policarbonat pe care sunt montate crepine cu fante de 2 mm care sunt acoperite cu un strat de marmură. Am ales ca material filtrant pietriș de marmură pentru că are un aspect mai plăcut la culoare, astfel proiectul are un aspect mai plăcut și se va putea expune.

În procesul real de filtrare se folosește la filtrare nisip cuarțos cu suprafață poroasă având rolul de a reține oxidul de fier la treapta I de filtrare respectiv oxidul de mangan la treapta II de filtrare. Oxidarea se face aproape instant prin canalul de oxidare sau prin introducerea oxigenului în bazinul de aerare. [1]

Legăturile între bazine sunt făcute cu furtune transparente pentru a se observa circuitul parcurs de apă, iar cuplajele la furtune sunt făcute cu piese cu o bună etanșietete pentru a nu se produce scurgeri de apă.

De asemenea, aceste legături dau sistemului posibilitatea de se desface ușor, putând fi ușor demontate.

Alimentarea cu tensiune redusă este făcută de un transformator care a fost rebobinat, care este în următoarea figură:

Figura 4.3 Transformator rebobinat care alimentează partea de tensiune redusă

Înfășurarea primară a transformatorului este alimentată cu tensiune alternativă de 220 V AC, iar pe înfășurarea secundară avem tensiunea la o bornă de 12 V AC, iar între începutul înfășurării bobinei secundare a trasformatorului de tensiune avem o tensiune de 24 V AC.

Tolele transformatorului sunt de tipul E și I care au fost țesute în jug.

Spirele de la înfășurarea primară a transformatorului au rămas cele originale, bobinate din fabrică ,iar la secundar am scos o iesire de 12V AC

Grosimea firului a fost păstrată cea care a fost, aceasta fiind de 1,5 mm², deoarece transformatorul a avut puterea de 250 VA.

Schema transformatorului după rebobinarea secundarului este următoarea:

Figura 4.4 Schemă transformator rebobinat care alimentează partea de tensiune redusă

Pentru a se obține tensiune continuă, 12 V DC și 24 V DC, am cumpărat din comerț două punți de redesare:

pentru partea de 12 V, am ales o punte de 15 A și condensatori de filtrare

pentru partea de 24 V, am ales o punte de 10 A și condensatori de filtrare

Alegerea punților redresoare au fost făcute în funcție de curentului nominal al compresorului de 12 V care are un consum de curent nominal de 10 A trecut pe eticheta compresorului.

Alegerea punții redresoare pentru tensiunea de 24 V a fost făcută ținând cont de curentul nominal al pompei submesibile, curent care are valoarea de 3,15 A pe etichetă. La această alegere s-a ținut cont și de alimentarea cu tensiunea lămpilor.

Cele două punți de redresare a tensiunii alternative în tensiune de curent continu sunt montate în cutii speciale, fiind lăsate afară doar intrarea tesiunii alternative și ieșirea tensiunii continue, de unde se distribuie la siguranțe pentru a proteja la scurt circuit.

În caz de defectare a unui aparat, a pompei sau a compresorului, Compresorul are rolul în acest proiesct de a produce aer în bazinul de aerare, bazin în care se produce oxidarea manganului.

Alimentarea electrovanelor se face cu tensiune de 24 V alternativ AC, acestea fiind alese pentru a nu mai încărca puntea redresoare cu consum de curent. Consumul de curent al bobinei electrovanelor este de 14,5 V A.

Puntea redresoare de 12 V DC este în următoarea figură prezentată ea alimentează compresorul de aer și benzile led care sunt montate pe bazine pentru a se observa mai bine procesul realizat în acest proiect ,producînd și un efect luminos plăcut.

Această punte de redresare a fost montată pe o plăcuță de cablaj electrotehnic cu găuri, care a fost foarte bună pentru a se executa legăturile prin lipire cu cositor.

Această figură este prezentată în figura 4.5 de mai jos:

Figura 4.5 Puntea redresoare pentru tensiunea de 12 V

Condensatorii montați pe placă la puntea redresoare au rol de filtrare a curentului pentru a nu produce bruiajul de parazitare a altor aparate din jur. Puntea redresoare a tensiunii de 24 V este în figura 4.6, care este pe următoarea pagină.

Această punte redresează tensiunea a 24 V AC, obținând o tensiune redresată de 24 V DC care alimentează pompa submersibilă de 24 V.

Această punte redresoare mai alimentează și lămpile de pe partea frontală a tabloului de automatizare.

Releele de comandă și de alimentare cu tensiune a bobinelor electrovanelor sunt alimentate tot cu tensiune de 24 V DC curent continu. Pentru a putea face conexiuni la mai mulți consumatori de tensiune s-a folosit un șir de cleme de distribuție, obținându-se conexiuni mai elegante.

La legăturile dintre relee și siguranțe, respective contactori de forță care alimentează pompa cu tensiune și compresorul s-a folosit conductor de cupru tipul MYF (multifilar). La capătul firelor s-a pus pini terminali, care au fost presați și legați pentru a se obține o suprafață de contact foarte bună.

Alimentarea întregului sistem de automatizare este făcut cu un cablu de tipul MYYM cu secțiunea de 3X1,5 mm² care va fi conectat printr-un conector la o sursă de tensiune alternativă de 220 V.

Figura 4.6 Puntea redresoare pentru tensiunea de 24 V

4.1 Procesul de captare a apei brute

Alimentarea cu apă a întregului proces este făcută de o pompă submersibilă care are un debit de 33 de litri/minut, care are un consum de curent de 3,15 Amper.

Pompa este o pompă submersibilă care este montată în apă cu o piesă de cuplare, legată la un tub Henco.

Alimentarea cu tensiune a pompei se face printr-un cablu. La partea de captare a apei mai avem următoarele piese:

un filtru Y care are rolul de a nu da voie să intre impurități la aparatele de măsură și control;

două olandeze din bronz la care se conectează un senzor de debit care va fi prezentată în figura 4.7;

un traductor de presiune care indică presiunea;

un manometru de presiune;

o supapă de sens care va menține conducta de alimentare a sistemului tot timpul cu apă;

un robinet care are rolul în această automatizare de reglare a debitului care alimentează sistemul cu apă;

furtune de legătură cu cuplaje

în sursa de apă brută sunt montați 2 senzori de nivel care sunt legați la un releu de nivel, care au rolul de a controla nivelul apei în momentul când ajunge nivel minim, automat pompa se oprește pentru a nu funcționa fără apă pompa.

Figura 4.6 Pompă submersibilă

Senzorul de debit este prezentat în figura următoare:

Figura 4.7 Senzori de debit (metru)

Senzorul de debit din figura 4.7 este un senzor care se leagă la intrarea digitală a automatului programabil.

Modelul ales este YF – S201 cu un debit de 1 – 30 L/min.

Figura 4.8 Captarea apei brute și control debit și presiune

Figura 4.9 Traductor de presiune

4.1.1 Procesul de filtrare a apei brute

În procesul de filtrare a apei avem ca și componente trei bazine 4 bazine care au următoarele roluri în acestă lucraere:

treapta I de filtrare filtrarea fierului

bazinul de oxidare a manganului

treapta II de filtrare filtrarea manganului

bazinul de stocare a apei filtrate [1]

La ficare bazin din acest proiect se face reglarea nivelului cu ajutorul senzorilor de nivel de tip SWITCH. Acești tipi de senzori sunt prezentați în figura 4.9.Senzori sunt legați la intrările digitale a automatului programabil SIMATIC S7-300 și la relele de comandă care vor comanda:

pompa

compresorul

electrovanele

Figura 4.10 Senzor de nivel de tip SWITCH

Cu jutorul senzorilor de nivel se va regla nivelul din bazinul de la treapta I, pornirea și oprirea pompei care asigură debitul de apă, pornirea sau oprirea compresorului care asigură oxidarea manganului, reglarea nivelului la bazinul de filtrare a manganului și menținerea unui nivel constant în bazinul de stocare a apei filtrate prin cele două trepte de filtrare.

Senzorul de nivel tipul EE095 este un senzor digital și poate fi folosit în aplicații la următoarele:

Arduino;

PIC;

AVR;

ARM;

STM32.

Am ales acest tip de senzori pentru aplicație, ei fiind senzori digitali, dând o valoare de 1 sau 0 și pot fi folosiți și la comanda automatizării cu PLC, dar și la comanda cu relee.

Senzorii sunt foarte practici deoarece sunt cu un cost foarte mic și îndeplinesc condițiile pentru implementarea în această aplicație:

are putere de 70 W;

comutare tensiune de DC110 V;

comutare current de 0.5 A;

rezistă la izolație de 10 Ω;

rezistă la temperaturi cuprinse între -10 – +60 ͦ C. [9]

Senzorii sunt de tip SWITCH, care vor fi conectați la intrările digitale ale PLC-ului automatului programabil sau la bobinele releelor de comandă care alimentează bobinele

contactorilor de forță a pompei și a compresorului, modificându-le starea în care se află la momentul conectării sau deconectării. Acești senzori sunt folosiți la implementare în acest la treapta I de filtrare unde controlează sistemul, bazinul de aerare, unde de asemenea controlează nivelul la treapta a doua de filtrare și la bazinul de stocare a apei.

Senzorii pot să activeze și să dezactiveze:

o pompă;

un indicator;

o alarmă;

sau orice alt dispozitiv. [9]

Pentru producerea aerului care se întroduce în apă la bazinul de aerare avem un minicompresor care este alimentat la o tensiune de 12V DC, acesta este în figura următoare:

Figura 4.11 Minicompresor pentru producerea aerului.

Pentru un control de nivel la un rezervor se mai poate folosi traductoare de nivel, care au și domeniu de măsurare. Un astfel de traductor de nivel este cel din figura 4.10 următoarea:

Figura 4.12 Traductor de nivel ultrasonic

Acest traductor de nivel măsoară nivelul unui lichid fără ca trductorul să fie în contact cu lichidul, măsurarea se face prin trimiterea de unde pe suprafața lichidului suprafață care va reflecta undele și în functie de unghiul de reflecție a undelor se va afișa pe un ecran valoarea nivelului.

Acest traductor de nivel este compatibil cu automatele programabile SIMATIC S7-300 traductorul se leagă la intrarea analogică, procesul de măsurare este unul de tip real în timp cea ce va face ca procesul să poată fi supravegheat,monitorizat și se pot achiziționa date cu mediul de programare WinCC. [5]

Tensiunea de alimentare a traductorului este de 11,4-28 V DC.

Valoarea curentului de ișire este între 4-20 Ma.

Nivel de măsurare cuprins intre 0,25-4 m.

4.1.1 Procesul de filtrare a apei brute

În figura 4.12 este prezentată schema de funcționare a proiectului.

Figura 4.13 Traductor de nivel ultrasonic

Componentele schemei din figura 4.12 sunt următoarele

1- sursă de apă care asigură necesarul de apă pentru instalația automatizată

2- pompă de apă submersibilă care pompează un debit necesar pentru reglarea nivelelor în bazine

3- conductă de alimentare

4- debitmetru cu filtru și supapă de sens

P- traductor de presiune

5- traductor de presiune și manumetru care indică local presiunea lichidului care este pompat de pompă

6- robinet de reglare a debitului manual, debit necesar în instalația de automatizare

7- bazin de filtrare a apei la prima treaptă, în acest bazin se află și cuva de oxidare a fierului

S1- senzorul de nivel maxim

S2- senzorul de nivel minim care are rol de protecție a pompei, dacă nivelul scade sub nivelul minim pompa se oprește automat iar intalația nu va mai avea debit de intrare, dar ea va funcționa cu debitul de apă care se află deja instalat în sistem

8- stratul filtrant care este compus din o placă cu crepine și pietricele de marmură

9- bazin de oxidare a manganului

10- conductă de apă filtrată a fierului

V1- electrovana care reglează nivelul în bazinul de la treapta I de filtare

S3- senzorul de nivel la bazinul de la treapta I care are rolul de reglare a nivelului

S4- senzorul de nivel din bazinul de aerare care pornește compresorul

11- bazinul de oxdare a manganului prin aerare

12- bazinul de filtrare a manganului oxidat

LT- level transmiter, traductorul de nivel care reglează nivelul la bazinul din treapta a II a de filtrare

S5- senzorul de nivel din rezervorul de stocare a apei filtrate, senzor care va regla nivelul din bazinul de stocare

V3- electrovana care se va deschide pentru a reintroduce apa în sursa de alimentare când nivelul în bazinul de stocare este maxim

Prin electrovana V3, instalația va avea un circuit ca o buclă închisă.

Automatizarea acestui proces este făcută să funcționeze prin două metode:

funcționarea comandată de automatul programabi SIMATIC S7 – 300;

funcționarea cu comanadă prin relee de comandă.

4.2 Funționarea sistemului cu automatul programabil SIMATIC S7 – 300

La conectarea butonului de comandă în poziția pornit și apa este peste senzorul de nivel minim S1, atunci dacă senzorul de la treapta I de filtrare S3 este pe poziția 0 atunci pompa va porni și va umple bazinul de la treapta I de filtare până la un nivel maxim care va fi sesizat de senzorul S3.

În momentul în care senzorul S3 digital trece pe poziția deschis (0 logic) atunci pompa se va opri și nu va mai funcționa până ce nivelul apei din bazin nu va ajunge la nivelul minim sau putem să ii spunem un nivel de referință.

În momentul în care senzorul S3 o să fie ca și intrare digitală în automatul programabil SIMATIC S7 – 300 va da 0 logic, atunci automatul programabil va avea o ieșire I0.0 și va da o ieșire Q0.0 care va comanda un releu K2.1, releu care va deschide electrovana V1. Din acel moment vana va rămâde deschisă până când pe intrarea I0.0 va fi 1 logic. În acel moment ieșirea Q0.0 nu va mai alimenta releul K1.2, deci electrovana va fi închisă.

În acel moment pompa care alimentează sistemul cu lichid va primi comandă de pornire. Nivelul apei din treapa I de filtrare va fi reglat între valoarea de minim și valoarea de maxim.

Apa care trece prin electrovana V1 se va acumula în bazinul de oxidare a manganului pănâ la un nivel care va ajunge la senzorul S4. Acest senzor va fi intrare digitală la automatul programabil I0.1.

Această intrare digitală I0.1 va genera o ieșire Q0.1. Această ieșire va alimenta un releu de comandă care va da comandă la un alt releu K1.3 ce va porni contactorul C2 de 12 A care alimentează cu tensiune de 12 V DC mini compresorul electric. Din acel moment va începe etapa de oxidare a managanului în bazinul de aerare.

La ajungerea nivelului de deversare în bazin, apa va trece în bazinul de la treapta a II a de filtrare unde va începe să crească nivelul până la nivelul de referință, până când apa va ajunge la senzorul LT.

Acel senzor de la treapta a II a de filtrare a manganului va genera o intrare I0.3 care va genera o ieșire Q0.4. Această ieșire va comanda releul de 24 de V DC, releu care va alimenta eleectrovana V2 cu tensiune de 24 V AC.

Apa filtrată care va trece prin electrovana V2 se va umple până la un nivel de referință, iar când va ajunge la nivelul maxim senzorul S5 va da un semnal de intrare I0.5 automatului programabil care va genera o ieșire digitală Q0.6.

Ieșirea Q0.6 va comanda releul K1.4 prin electrovana V3 apa se va deversa în sursa de alimentare și în aces fel se va produce un circuit închis al apei.

Automatul programabil folosit în acest proiect este cel din figura următoare:

Figura 4.14 Automat programabil cu conexiunile folosit în aplicație

Reprezentarea creării programului în STEP 7 SIMATIC Manager:

Figura 4.15 Crearea programului, pasul 1

În figura 4.16 este prezentată setarea CPU care este 313C.

Figura 4.16 Crearea programului, pasul 2

În figura 4.17 este reprezentată alegerea blocului de programare care este OB1.

Figura 4.17 Crearea programului, pasul 3

În figura 4.18 este reprezentată denumirea proiectului.

Figura 4.18 Crearea programului, pasul 4

În următoarele poze este prezentat conținutul programului realizat în STEP 7 SIMATIC Manager și implementat în automatul programabil.

Figura 4.19 Secvența 1 a programului

Figura 4.20 Secvența 2 a programului

Figura 4.21 Secvența 3 a programului

Figura 4.22 Secvența 4 a programului

4.2 Funționarea sistemului automat prin comanda cu relee

În această lucrare „Proces de captare și filtrare a apei brute” am propus să fac comanda automată și prin relee, deoarece procesul nu are funcții atât de complexe să nu se poată implementa și cu relee.

Figura 4.23 Tabloul de automatizare

Funcționarea automatizării prin releele electromagnetice cu comandă se face în următorul fel:

la conectarea comutatorului de comandă releul K2.1 va trece prin contactul închis a releului de nivel, contact care este închis dacă sonda de nivel minim este în apă

dacă senzorul S3 are contactul închis, atunci pompa care alimentează standul va porni alimentând cu apă bazinul de la treapta I de filtrare

În momentul în care apa va deconecta contactul senzorului SWITCH, respectiv se va deschide atunci alimentarea releului de comandă K2.1 se va deschide iar pompa submersibilă se oprește.

În acel moment releul K2.2 se va opri deoarece comanda de la senzorul S3 este dată și la releul K2.2.

Electrovana V1 va fi alimenată cu tensiune de 24 V AC, se va deschide, iar nivelul din bazinul de la treapta I de filtrare a fierului va scădea.

Releul K2.3 este deconectat.

Releul K2.4 care alimentează electrovana V2 este cuplat, deoarece senzorul de nivel având contactul închis.

Releul K2.5 care alimentează cu tensiune electrovana V3 este și el cuplat.

În momentul umplerii, după mai multe cicluri de reglări de nivel la treapta I de filtrare, prin închiderea și deschiderea electrovanei I, nivelul din bazinul de aerare va crește, senzorul S4 va întrerupe alimentarea cu tensiune a releului care comandă compresorul și acesta fiind alimentat prin contactul normal închis al releului, va porni.

După umplerea bazinului de oxidare a manganului, apa se va deversa în bazinu de filtrare a manganului până va ajunge la nivel de referință. Continuând umplerea până la nivel maxim, nivel la care senzorul va decupla iar alimentarea bobinei releului va fi întreruptă, acest eveniment va deschide electrovana V2.

După mai multe cicluri de reglări de nivel la treapta filtrare mangan, rezervorul de stocare a apei va ajunge la nivelul de referință care este la baza senzorului S5.

În momentul comutării pe poziția 0 a senzorului S5, releul K2.5 nu va mai fi alimentat cu tensiunea de 24 V DC, se va opri, iar prin contactele normal închise a releului, electrovana V3 va fi alimentată.

Reglarea nivelului în rezervorul de stocare se va face între nivelul de referință și nivelul maxim.

Figura 4.24 Relee de comandă

Releele electromagnetice din figura 4.19 sunt folosite pentru comanda cu relee pentru alimentarea electrovanelor V1, V2 și V3 și se folosesc ca relee intermediare dintre PLC și consumatorii de curent mai mare.

Aceste relee au rol și de a proteja automatele programabile.

Contactorii care sunt folosiți pentru consumatori mai mari de curenți care sunt:

electropompa submersibilă alimentată cu tensiune de 24 V DC cu curent nominal Inom = 3,15 A

mini compresorul electric alimentat cu tensiune de 12 V DC cu curent nominal Inom = 10 A sunt cei din figura 4.20.

Figura 4.25 Contactori de forță

Releul de nivel folosit la automatizarea acestei aplicații este un releu la care se leagă senzorii S1 și S2, senzori rezistivi care sunt montați în apă, ei controlând nivelul.

Figura 4.26 Schemă cu conectarea senzorilor S1 și S2 din sursa de apă brută

Releul de nivel este cel din următoarea figură, unde este afișat cu partea frontală:

Figura 4.27 Releu de nivel

Pe partea frontală se pot vedea clemele de conexiuni:

unde se alimentează releul cu tensiune

legătura senzorilor

contactele auxiliare care se leagă la releele de comandă sau la automatul programabil.

Figura 4.28 Comutator de comandă

Pentru a porni și opri componentele din tabloul de automatizare s-a folosit butoane de comutație de tipul celui din figura 4.22.

Protecția automatului programabil (PLC) a componentelor la scurtcircuit și curenți mai mari este asigurată de mai multe tipuri de siguranțe automate care sunt prezentate în următoarea figură:

Figura 4.29 Siguranțe automate

Capitolul 5 Testare și validare

La pornirea standului proiectului „Proces de captare și tratare a apei brute”, senzorul de debit va genera impulsuri, fiind un senzor digital, în funcție de debitul de apă. Senzorul de presiune va da o valoare de curent care reprezintă valoarea presiunii.

Aplicația sistemului este pornită de la nivelul 0 a bazinului de la treapta I de filtrare a fierului care va crește treptat până la nivelul de referință al bazinului. Până la umplerea primului bazin s-au făcut 4 măsurători de creștere a nivelului.

La prima pornire, nivelul bazinului a crescut la 10 cm în timpul de 1,25,59 (1 minut 25 secunde 59 sutimi).

Timpul la oprirea cronometrului a fost de 2,14,47. La următoarea măsurătoare de 25 cm a nivelului bazinului, timpul a fost de 3,07,97. La nivelul de referință de 25 cm s-a ajuns în timpul 4,08,05.

Supapa de sens folosită în instalație are un rol foarte important deoarece menține conducta de legătură ,dintre pompă și primul bazin, tot timpul sub presiune. Bazinul de aerare, fiind legat după bazinul de filtrare, se umple secvențial din lichidul ce trece prin supapa V1 cu întreruperi a debitului.

Debitul de apă ieșit din bazinul de aerare este debitul de intrare în bazinul de filtrare a fierului. Nivelul bazinului de filtare crește până la nivelul de referință în funcție de debitul de intrare, care este debitul de ieșire din bazinul de aerare.

Când nivelul bazinului de filtrare a fierului ajunge la nivelul maxim, senzorul de nivel al bazinului va deschide electrovana V2 alimentând cu debit de apă bazinul de stocare.

Când nivelul din bazinul de stocare este maxim se produce reglajul nivelului în bazinul de stocare, debitul de apă fiind introdus în sursa de apă brută.

Proiectul conține un proces de captare și filtrare a apei compus din etapele unui proces real, acesta fiind mult mai mic decât un proces tehnologic real. Etapele acestui proces se pot implementa în realitate la o scară mai mare și cu un număr de foraje de apă brută mai mare decât 1, deci să avem măcar 2 surse (foraje) de apă brută. [1]

Capitolul 6 Concluzii

Procesul de captare și filtrare este mai complex față de standul făcut, stand la care se mai poate adăuga mai multe subprocese care nu fac obiectiv în această lucrare. Urmând ca acele obiective să fie obiectul de dezvoltare ulterioară a altei lucrări.

Scopul acestei lucrări a fost de însușire a cunoștințelor în proiectare și implementare în realizarea unei automatizări cu un automat programabil, precum și familiarizarea cu modul practic de utilizare a componentelor de automatizare.

Reglarea nivelului s-a făcut în 3 bazine prin comanda a trei electrovalve care au 2 poziții on/of (deschis/închis).

În realitate acest tip de electroventile nu prea este recomandat, deoarece curgerea lichidului nu este permanentă, ea fiind întreruptă, deci procesul de filtrare nu este continu.

Pentru a se obține un proces de filtrare a apei permanent ar fi recomandat să se pună la bazinele de filtrare electrovane cu mai multe unghiuri (poziții) de deschidere. Deasemenea comanda de deschidere sau închidere a electrovanelor să fie dată de traductori de nivel analogici cu valori în curent sau tensiune care să transmită aceste valori automatelor programabile.

Automatele programabile vor închide sau deschide parțial electrovanele în funcție de debitul de alimentare a cuvelor.

Debitul de apă al pompei care alimentează sistemul se poate regla cu ajutorul robonetului montat în instalație, obținându-se astfel un debit în așa fel încât pompa de alimentare a sistemului să nu trebuiască să fie oprită.

În acest proiect implementat, pompa de apă submersibilă trebuie neaparat oprită, deoarece electrovalvele sunt acționate numai în două poziții și anume închis și deschis și nu pot prelua debitul de apă dacă s-ar furniza permanent.

Fiind întrerupt debitul de alimentare cu apă se produce întreruperi de curgere a apei în lanț la toate bazinele, deoarece aceste bazine sunt legate în serie, iar debitul de apă este în cădere liberă.

Pentru a obține un sistem de reglare și monitorizare a nivelului, a debitului și a presiunii acestui proces trebuie implementat un sistem SCADA. Acest aspect este unul esențial deoarece se va putea obține o reglare cu erori foarte mici.

În acest proiect, automatul programabil are un rol în automatizare mult mai bun decât comanda simplă doar prin relee.

Senzorii de nivel de tip SWITCH sunt pe poziția normal închis, iar crescând nivelul apei, acești senzori vor trece în poziția deschis.

La reglarea nivelului de către acești senzori cu automatul programabil se poat comanda mai ușor contactorii care alimentează cu tensiune electroventilele prin programul automatului programabil.

La comanda prin relee, alimentarea cu tensiune a electroventilelor se face prin contactele normal închise a contactorilor, deci releele vor fi tot timpul sub tensiune până când senzorul de nivel va avea contactul deschis.

Acest lucru este un dezavantaj deoarece dacă releul de comandă se defectează (exemplu se arde bobina contactorului) electroventilul va primi tensiune prin contactele normal închise, indiferent de comanda care o dă senzorul.

Acest fenomen nu se poate întâmpla și cu automatele programabile, deoarece alimetarea electroventilelor se face prin contactele normal deschise.

Prin implementarea unui sistem SCADA, se poate face o optimizare mai bună a procesului deoarece se pot afișa și controla anumiți parametri, parametrii fiind vizibili prin realizarea unei interfețe cu ajutorul unui program (exemplu WinCC).

Bibliografie

[1] Alexandru Mănescu, Marin Sandu, Ovidiu Ianculescu, „Alimentări cu apă”, editura didactică si pedagogică R.A- București, 1994;

[2] Această schemă a fost luată dintr-un sistem mai vechi, care a funcționat la uzina de apă Mărtinești, Satu Mare, în anii 1990;

[3] SCADA Systems for meansuring and managing water.pdf

[4] Figura a fost preluată de la adresa de mai jos :

https://www.google.ro/search?q=sisteme+scada+legaturi&tbm=isch&imgil=BvWAdGqgQ7OukM%253A%253BHWswzlzvTgk-QM%253Bhttp%, accesat la data de 15.06.2015, ora 20.

[5] Ruben Crișan, Ioana Nașcu, „Sisteme de conducere a proceselor continue”, editura UTPRESS, Cluj-Napoca, 2013

[6] Ioan Mărgineanu, „Automate programabile”, editura Albastră, Cluj-Napoca, 2005

[7] Uses, „ Manual WinCC flexibile EN.pdf”, http://suportautomationsiemens.com

[8] Ioan Mărgineanu, “Utilizarea automatelor programabile în controlul proceselor”, editura Albastră, Cluj Napoca, 2010

[9] http://www.okazii.ro/componente-electronice/senzor/senzor-nivel-lichid-arduino-pic-avr-arm-stm32-a172835392

https://translate.google.ro/, accesat la 21.06.2015, ora 22.

Tabel 3.1 Tabel cu adrese și [5] luat de la pagina 68-69

Adrese permise în tabelul simbolurilor [5] luat de la pagina60-61

[10] http://www.nivelco.com accesat la 22.06.2015

[11] Menționez tot ca și biliografie experiența dobîndită în timp lucrând în domeniu de alimentări cu apă respectiv la “Uzina de apă Mărtinești”.

Acronime

GSM – Global System for Mobile Communications

PLC – Programabil Logic Controler

RTM – Remove Technical Machine

RMU – Ring Main Unit

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition

LAN – Local Area Network

RTU – Remote Terminal Unit

HMI – Human Machine Interface

PC – Personal Computer

CPU – Central Processing Unit

MPI – Machine Perify Interface

LED – Light Emitting Diode

SCL – Structured Control Language

SFC – System File Checker

FBO – Fixed Base Operator

STL – Standard Template Library

LAD – Left Anterior Descending

MPI – Message Passing Interface

OB – Organization Blocks

SFB – System Function Blocks

SF – System Function

FBs – Function Blocks

FCs – Functions

DB – Data Blocks

Anexa

Schema standului aplicației cu componentele hidraulice făcută în word și retușată în paint:

Schemă de comandă la distanță prin cablu de comandă a electropompelor într-un sistem de alimentare cu apă:

Schemă transformator cu secundarul rebobinat:

Pornire pompă submersibilă:

Pornire compresor:

Pornire electrovalvă cu metoda prin relee:

Pornire electroventil:

Comandă prin relee:

Comanda contactorilor pentru pornirea pompei și electrovalvelor:

Intrări comandă de la senzori în PLC: