Sistemul de Protectie Si Comanda a Generatorului

Introducere ……………………………………………………………………………………………………………..

Obiective…………………………………………………………………………………………………………………

Cap 1. Modalitati de conversie a energiei mecanice in energie electrica

1.1 Elemente componente ale mașinii sincrone…………………………………………………..

1.2 Principiul de funcționare al generatorului sincron…………………………………………

1.3 Ecuații de funcționare ale generatorului sincron……………………………………………

1.4 Alternatorul………………………………………………………………………………………………

Cap 2. Structura propusă pentru sistemul de protectie si comanda a generatorului

2.1 Schema bloc a sistemului…………………………………………………………………………

2.2 Sisteme de protecție………………………………………………………………………………..

Cap 3. Elemente fizice pentru realizarea sistemului

3.1 Automate programabile…………………………………………………………………………..

3.2 Caracteristicile automatelor programabile de tipul PLC……………………………..

3.3 Senzori………………………………………………………………………………………………….

3.4 PLC Siemens S7-300……………………………………………………………………………..

3.5 Componentele PLC………………………………………………………………………………..

3.6. Limbaje de programare ale PLC-ului Siemens S7-300……………………………………

Cap 4. Modelul experimental

4.1 Conectarea elementelor fizice la PLC………………………………………………………….

4.2 Software PLC…………………………………………………………………………………………..6

4.2.1 Simatic S7-PLCSIM……………………………………………………………………

4.3 Experimentari…………………………………………………………………………………………..

Concluzii…………………………………………………………………………………………………………………

Summary………………………………………………………………………………………………………………..

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………………..

Anexe……………………………………………………………………………………………………………………..

Societatea zilelor noastre se află într-un proces continuu de dezvoltare, ceea ce face ca mediul în care trăim să sufere modificări permanente. Dezvoltarea unei societăți poate fi privită ca o expansiune a gradului de confort al cetățenilor, astfel că un nivel de trai mai ridicat face ca rata de achiziție a bunurilor să crească. O categorie de bunuri a căror achiziție este în continua creștere este reprezentată de generatoarele electrice.

Am ales acest PLC, Simenens S7-300 deoarece interfața acestuia este accesibilă oricărui utilizator și totodată îndeplinește cerințele referitoare la numărul de resurse alocate UCP-ului, atât referitor la numărul de intrări cât și numărul de ieșiri.

Software-ul pus la dispoziție de firma Siemens se numește STEP 7 V5.5 ce are ca metodă de programare mai multe limbaje (STL, LAD, FBD). Pentru proba practică s-a folosit limbajul Ladder Logic (LAD) .

În cadrul capitolului 1 este vorba despre conversia energiei mecanice în energie electrică cu ajutorul unuei mașini sincrone, care antrenează un alternator cu prin intermediul unei curele iar la ieșirea acestuia vom avea ca rezultat energia electrică.

Capitoul 2, intitulat “Structura propusă pentru sistemul de protectie si comanda a generatorului” pune în evidență schema bloc a întregului montaj experimental cat și elementele fizice care au rolul de a protecție.

În capitolul 3, sunt prezentate elementele fizice ale proiectului , fiind explicate în cadrul acestui capitol fiecare detaliu ale componentelor ,descrierea PLC, dar și limbajul de programare folosit.

Capitolul 4 prezintă modelul experimental, unde este aratată și explicat o parte din programul, corespunzător pronirii motorului și vizualizarea cu ajutorul software-rul Simatic Step 7 PLCSIM a funcționării blocurilor componente din programului .În cadrul acestui capitol putem regasi schemele de conectare a componentelor la modulele PLC-ului, cât și explicarea acestor figuri.

Obiective

Lucrarea de față, „Proiectarea unui sistem de comandă și protecție a generatoarelor electrice”, își propune soluționarea problemelor actuale cu care se confruntă producătorii de generatoare electrice. Acest sistem este unul automat, ceea ce înseamnă că intervenția umană este necesară doar pentru proiectare, realizare și depanare.

Tipuri de probleme cu care se confruntă producatorii de generatoare electrice

Software

Monitorizare

Asamblare

Capitolul 1

Modalitati de conversie a energiei mecanice in energie electrică

Mașina sincronă este tipul de mașina electrică rotativa de curent alternativ care, pentru o tensiune la borne de frecventă data, functionează cu o turația riguros constantă. Regimul de bază în funcționarea mașinii sincrone este regimul de generator electric, la fel cum regimul de motor este cel de baza pentru mașina sincronă. Mașina sincronă în regim de generator reprezintă baza economică a producerii energiei electrice în toate centralele electrice actuale. În acest regim de funcționare mașinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind cele mai mari mașini electrice construite de om.

Numele acestei mașini vine din caracteristica ei principală de funcționare și anume faptul că viteza câmpului învârtitor este întotdeauna egală cu viteza mecanică a rotorului mașinii. Generatoarele sincrone sunt realizate ca mașini sincrone trifazate și servesc pentru producerea energiei electrice.

Regimul de motor sincron se folosește mai cu seamă datorită avantajelor fată de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergând pâna la unitate, cuplu invariabil cu turația, întrefier mai mare). Lucrul acesta a fost cu putință numai dupa ce tehnica a putut rezolva cu succes doua deficiente grave ale motorului sincron: absență cuplului de pornire și posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilitații). În acest regim de funcționare mașina sincronă se folosește în toate acționările ce necesită o turația constantă (compresoare, mori cu bile, pompe de irigații, etc.) înlocuind din ce în ce mai mult motoarele asincrone (în special la puteri mari unde primeaza considerentele economice: randament, factor de putere).[12]

Mașina asincronă poate funcționa în 3 regimuri:

– motor;

– generator;

– frâna electromagnetică;

Vitezele și alunecarile motorului sincron

Viteza de sincronism

Alunecarea

Viteza rotorului

Viteza câmpului învârtitor static

1.1. Alcătuirea mașinii sincrone

Fig 1.1.1

Mașina sincronă are două părți constructive de bază: statorul și rotorul.

Statorul mașinii sincrone este partea fixă (imobilă) a mașinii, și cuprinde: miezul magnetic statoric și înfășurările statorice. Miezul statoric este realizat din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime izolate prin lăcuire sau oxidare. Miezul statoric are formă de coroană cilindrică și este prevăzut la periferia interioară cu crestături (șanțuri) longitudinale în care se așează înfășurarea statorică (trifazată). Înfășurările statorice, trifazate, sunt realizate de obicei din conductoare de cupru. În aceste înfășurări se induce tensiunea electromotoare, produsă de fluxul inductor creat ce înfășurarea rotorică alimentată în c.c. și aflată în mișcare de rotație. De aceea statorul poartă denumirea de indus al mașinii sincrone.

Rotorul mașinii sincrone este partea mobilă a mașinii, care cuprinde miezul de fier rotoric, înfășurările rotorice (de curent continuu), inelele colectoare, perii. Inelele și periile servesc pentru alimentarea înfășurărilor rotorice.Există două forme constructive principale ale rotorului:

rotor cu poli aparenți, format dintr-o serie de piese polare fixate de jug. Pe poli sunt așezate bobinele rotorice, numite bobine de excitație, alimentate în curent continuu astfel încât să formeze poli care să alterneze succesiv: N, S, N,…etc. Rotorul cu poli aparenți se folosește numai la mașini sincrone cu turația de cel mult 1000 rot/min (3 perechi de poli N-S) deoarece este dificil să se asigure o rezistență mecanică corespunzătoare la turații mai ridicate pentru această variantă constructivă.

rotor cu poli înecați, format dintr-un bloc masiv cilindric de oțel prevăzut la periferie cu crestături longitudinale în care se așează înfășurarea rotorică de excitație. Din același bloc de oțel este realizat și arborele rotorului. Capetele înfășurării rotorice (de curent continuu) sunt conectate la două inele colectoare pe care alunecă o pereche de perii. Această variantă constructivă este preferată la viteze mari de rotație, de 1500 sau 3000 rot/min, datorită rezistenței mecanice mai ridicate și siguranței mai mari în funcționare.

Elemente constructive ale unei mașini asincrone sunt:

statorul (miez magnetic 1 si infasurare statorică 3);

rotorul (miez magnetic 2 si infasurare rotorică 4);

arbore 5;

rulment 6 ;

carcasa 7;

ventilator 8;

Fig 1.1.2

1.2. Principiul de funcționare al generatorului sincron.

Generatorul sincron trifazat prezintă caracteristici extrem de convenabile pentru producerea energiei electrice de curent alternativ si reprezintă unica soluție general acceptată de constructorii de centrale electrice si de sisteme electro-energetice. Ansamblul format din motorul primar si generatorul sincron poartă denumirea de grup electrogen. Dupa natura mașinii primare care furnizează energie mecanică întâlnim: diesel-generatoarele, turbo-generatoare, hidro-generatoare.[12]

Fig 1.2.1

În regim de generator mașina sincronă transformă energia mecanică primită pe la ax de la un motor primar în energie electrică debitată prin stator într-o rețea de curent alternativ. Să presupunem o mașina sincronă cu poli înecati (figura 1.2.1) al carei rotor este excitat cu un curent continuu I si este rotit din exterior cu viteza unghiulară Ω. Se obține astfel un câmp magnetic învârtitor inductor pe cale mecanică, al carei armonica fundamentală are expresia:

unde pulsatia câmpului învârtitor este ω = p .

Față de înfasurarea statorică acest câmp învârtitor va produce sistemul trifazat simetric de fluxuri:

= t;

= t – );

= t – );

Sistemul trifazat simetric de fluxuri va induce în înfasurarea statorică un sistem trifazat simetric de t.e.m.:

= t;

= t – );

= t – );

Daca înfasurarea statorică este conectata pe o rețea trifazată echilibrată sau pe un consumator trifazat echilibrat, atunci sistemul de t.e.m. va produce un sistem simetric de curenți:

= t-φ);

= t – φ – );

= t – φ – );

Sistemul de curenți trifazați simetrici va produce la rândul sau un câmp magnetic

învârtitor de reacție al carei fundamentală (armonica de ordinul 1) va avea expresia:

= cos(p-ωt- – φ)

Comparând relatia “a” cu “b” se constată ca cele doua câmpuri învârtitoare (inductor și de reacție) au aceeasi pulsație si viteza unghiulară = deci se rotesc sincron, de unde și denumirea de mașina sincronă.

Cele doua câmpuri, de excitație si de reacție se compun pentru a produce câmpul magnetic învârtitor rezultant al mașinii, care este câmpul util, prin intermediul lui având loc cuplajul magnetic al celor doua armaturi.Câmpul învârtitor de reacție exprimat prin relatia va produce la rândul sau fată de înfasurarea statorică un sistem trifazat simetric de fluxuri:

= t – -φ);

= t – –φ – );

= t – –φ – );

care va induce în stator sistemul trifazat de t.e.m.:

= t – -φ);

= t – –φ – );

= t – –φ – );

În realitate, în mașina sincronă nu exista doua câmpuri învârtitoare ( B , ), doua fluxuri

( ) sau doua t.e.m. (, ), ci aceste marimi se compun într-o singura marime.Astfel, în figura 1,2,2, se reprezintă compunerea fazorială a acestor marimi considerând rețeaua pe care debitează generatorul inductiv φ ∈ (0, )

a) b) c)

Fig 1.2.2

Dupa cum se vede din figura1.2.2, a câmpul rezultant pe care îl gasim în întrefierul mașinii face unghiul față de axa câmpului inductor B același unghi îl face și fluxul rezultant față de fluxul inductor ca si t.e.m. rezultanta față de E . Unghiul electric este numit si unghi intern al mașinii.

1.3. Ecuațiile de funcționare ale generatorului sincron.

Vom considera o mașină sincronă trifazată în urmatoarele ipoteze simplificatoare: circuitul magnetic al mașinii este liniar (nu se saturează si nu prezintă fenomenul de histerezis); pierderile în fier sunt neglijate; mașina are o simetrie perfectă constructivă, magnetică și electrică, ceea ce include ipoteza unui întrefier constant la periferia rotorului, adică se consideră o mașină cu poli înecati; nu vom lua în considerație decât armonicele fundamentale ale câmpurilor de excitație si de reacție; înfasurarea statorică este conectata la o rețea trifazată echilibrată cu caracter inductiv; rotorul mașinii este rotit din exterior cu turația constantă = [rot/min] înfasurarea de excitație este alimentată la tensiunea constantă nominala .

De asemenea, în cele ce urmeaza, vom considera doar regimul stationar de funcționare,regim în care viteza unghiulară a rotorului Ω și tensiunea de excitație ramân constante.

În ceea ce priveste câmpul de excitație, vom înlocui rotorul real cu un rotor fictiv imobil, posedând o înfasurare trifazată simetrică, cu același numar de spire pe faza și același coeficient de înfasurare ca și statorul mașinii.

Valoarea efectivă I, a curentului ce va strabate aceasta înfasurare rotorică trifazată fictive rezultă din egalitatea amplitudinii câmpului magnetic de excitație real, produs pe cale mecanică de înfasurarea monofazată, și a amplitudinii câmpului magnetic învârtitor obtinut pe cale electrică de înfasurarea fictivă:

=

de unde rezultă:

= I –

Curentul se numeste curent de excitație raportat la stator.

Prin acest artificiu de calcul compunerea fazorială a celor doua câmpuri învârtitoare (de excitație si de reacție) din figura de mai sus , se poate înlocui prin compunerea curenților din figura 1.3.1 a, curenți având aceeasi pulsație si defazate reciproc cu câmpurile.Se obține astfel prima ecuatie functionala în regim stationar a generatorului sincron:

+ =

ecuatie pusă în evidenta în diagrama de fazori din figura 1.3.1 b.

a) b)

Fig 1.3.1

1.4. Alternatorul

Alternatorul este un generator sincron conceput pentru alimentarea cu energie electrică a automobilului, fiind un dispozitiv electromecanic care convertește enrgia mecanică în energie electrică de curent alternativ.

Alternatorul, pe lângă generatorul sincron, contine:

O fulie antrenata in mișcare de vibrochen, o curea la roata de transmisie (1), învârte rotorul magnetic din interiorul ansamblului fix al statorului, generând un curent alternativ;

Ansamblul diodelor (2) (puntea de diode) redresează curentul alternativ, producând curent continuu.

Fig 1.4.1

În cadrul acestei lucarii , alternatorul (fig 1.4.1) a fost alimentat de la o sursă de 12 V (fig 1.4.3), sursa folosită este POWER- ONE model MAP55-4003(fig 1.4.2).

Fig 1.4.2 Fig 1.4.3

Capitolul 2

Structura propusă pentru sistemul de protectie si comanda a generatorului

În cadrul acestui capitol va fi prezentată schema bloc a sistemului, precum si protecțiile sistemului.

2.1. Schema bloc a sistemului

Fig 2.1.1

În fig 2.1.1 se pot observă urmatoarele componente

Motorul ;

Alternatorul;

Rezistemțe variabile;

Surse;

Relee;

Reductor de curent;

Motorul de curent alternativ, din cadrul acestei lucrari este alimentat de la rețea având montată pe una din laturi un reductor de curent, cu care se masoară curentul ce trece prin acesta.

Motorul antrenează, prin intermediul unei fuli, cureaua care transmite mișcarea de rotație alternatorului.

Cu ajutorul rezistențelor variabile se simulează nivelul de combustibil (fig 2.1.2 a) dar si modul in care se modifică excitația alternatorului.

a) b)

Fig 2.1.2

Fig 2.1.2 ,poza b, pune în evidență sursă de curent alternativ și sursa de curent continuu 220V AC/ 24V DC care alimentează PLC și modulele acestuia.

2.2. Sisteme de protecție

Acest capitol arată modul în care anumite elemente fizice din cadrul lucarii practice au fost protejate. Compoentele folosite cu rol de sunt: sigurante fuzibile, relee intermediare, adaptor.

Siguranță fuzibilă este montată între reațeaua de alimentare și proiect, având rolul de a proteja împotriva scurcircuitului care poate aparea spre exemplu la motorul de curent alternativ.

Relee intermediare

S-au introdus relee intermediare între comanda furnizată de PLC și elementul de execuție pentru că PLC nu poate furniza curentul necesar acționării.

Fig 2.2.1

Releul K1 are rolul de a pune în mișcare și de a opri motorul, iar K2 reprezintă cheia pentru pornirea în modul automat sau manual.

Adaptorul face conversia semnalul 0,…,5A , provenit de la reductorul de curent, în semnal unificat 4 – 20 mA. [4]

Fig 2.2.2

Fig 2.2.2, scoate în evidență modul în care sunt conectare unele elemente fizice, la ieșirile modulului digital. Ieșirea A0.0 este legată la releul intermediar K1, care comandă excitația alternatorului. La A 0.1 este conectată releul K2, care îndeplinește funcția de start motor.

H3, este hupa de avertizare când pornește motorul, acesta fiind legată la ieșirea A0.3, emițând o avertizare sonoră.Din schemă se observă faptul ca, H1 este lampa care se aprinde atunci când este simulată o suprasarcină, provenind de la ieșirea A0.4 al modulului.

La A0.6, este conectată lampa H2, care se aprinde în momentul detectării unei temperaturi mai mari, decât temperatura dorită.

Capitolul 3

Elemente fizice pentru realizarea sistemului

3.1. Automate Programabile

Scurt istoric :

La sfârșitul anilor 1960 compania General Motors a conceput specificația de proiectare pentru un calculator industrial care urma sa înlocuiască controlul pe bază de relee din industrie. Noul sistem de control trebuia să indeplinească:

O modalitate simplă de programare a aplicațiilor;

Să poata fi utilizat în mediile industriale (variații de temeratură, temsiuni de alimentare variabile, etc);

Modificarile de program să nu presupună modificări structural;

Siguranță în funcționare;

Dimensiuni reduse;

Costuri de întreținere reduse;

Robustețe;

Doar doua companii independente au raspuns cerințelor General Motors : Bedford Associates și Allen Bradley. Primele asemnea sisteme erau alcătuite dintr-o unitate centrală , conectată la exterior prin patru module de câmp : intrări si ieșiri de curent continuu și alternativ. Proiectate ca înlocuire ale releelor, limbajul de programare conceput a fost inspirat din diagrmele aplicațiilot conduse prin relee, adresat electricienilor, numit: Ladder Diagram (diagramă scară). Numele initial al sistemelor a fost Programable Controller, cu abrevierea PC. Odata cu apariția minisitemelor de calcul de tip PC și datorită dezvoltării fulminante a acestora, pentru a se evita confuziile între cele doua abrevieri, prin acronimul PLC (Programmable Logic Controller), marca înregistrată Allen Bradley pentru aceasta gamă de produse.

Inițial, sarcina acestor controlere a fost să identifice starea logică a unor semnale de intrare, funcție de valoarea de adevar a unei expresii logice (construite pe baza semnalelor de intrare), să comute ieșirile corespunzătoare.

Treptat, capacitatea de procesare s-a marit prin asmiloarea functiilor temporizatoarelor, executarea operațiilor matematice, procesarea semnalelor analogice, numărătoarelor. A devenit posbilă implementarea controlului în buclă închisă datorită evoluției tehnologiei extinzând prelucrarea semnlalelor binare, la semnale anlogice.

Evoluția în timp a PLC-urilor a făcut posibilă procesarea semnalelor analogice, vizualizarea proceselor, comunicarea prin retele standardizate (CAN, PROFIBUS), accesarea aplicatiilor de la distanță etc. Acest nivel de prelucrare a informației nu se regăsește în denumirea controler-ului (Condtroler Logic Programabil) însa denumirea se păstrează în continuare: PLC.

În 1990 existau peste 1000 de producători de PLC -uri, fiecare având implementat limbajul Ladder Diagram și nu numai. Firmele cele mai cunoscute ca fiind poducătoare de PLC-uri sunt:

Siemens;

Moeller;

Schneider;

Omron;

Mitsubishi Electric;

Termenul „PLC” este definit prin IEC-1131: „Un sistem electronic (digital) de operare, proiectat pentru utilizarea în mediul industrial, ce folosește o memorie programabilă pentru stocarea internă a instrucținilor necesare implementarii sunor funcții specifice (logice, secvenșiale, temporizate, calcul matematic, contorizate), pentru a controla prin intrările și ieșirile digitale și analogice diferite tipuri de mașini sau procese“.

Prin urmare ,un PLC este un computer proectat pentru funcții de control.

Majoritatea PLC-urilor permit montarea adițională a unor module prin care se marește numărul de semnale procesate sau care îmbogățeste gama de funcții.

Elementrul central în cazul unui sistem mecatronic îl constituie sistemul de control electronic care conduce și regelează procesul. Aceste funcții sunt asigurate de o structură fizică dedicată de tip controler, care poate fi realizat cu circuite logice integrate, microcontrolare, micropocesoare, automate programabile (PLC), pe baza unor programe, elaborate de utilizator, comandă și regelează aplicația, vizualizează starea procesului, semnalizează anumite defectiuni (erori), comunică între ele sau cu alte structuri de control prin rețele standardizate[6].

În figura prezentată mai jos se poate observa un PLC realizat de firma Siemens, modelul S7-300, alturi de sursa si modulele de intrare-ieșire.

Fig 3.1.1

3.2. Caracteristicile automatelor programabile de tipul PLC

O Unitate Logică de Control Programabilă (PLC), este un computer digital folosit pentru supravegherea unor procese electrice ,cum ar fi controlarea unor senzori montați pe un generator de tensiune.Spre deosebire de calculatoarele persoanale, PLC- sunt computere specializate proiectate pentru a fi utilizate în procese cu numeroase intrări și ieșiri, construite în așa fel să reziste variațiilor de temperatură, vibrațiilor si impactului, fiind imune și la zgomotele electrice.

Un PLC este un computer mai mic, cu un microprocesor folosit pentru automatizarea proceselor și un sistem propriu de operare, deosebirea principală față de alte calculatoare fiind aceea ca PLC-urile au fost creeate pentru a rezista în condiții de mediu severe și că au proprietatea de a putea fi cuplate cu module de intrare/ieșire necesare pentru legătura cu senzorii.

Structura unui automat programabil

Un automat programabil este compus în pricipal din :unitate centrala (UC), zonă de memorie și circuite pentru recepționarea datelor de intrare/ieșire (Figura 3.2.1). Putem considera automatul programabil ca o cutie plină de relee individuale , numărătoare , ceasuri și locații de memorare a datelor. În general componentele unui automat programabil sunt:

Unitate centrala;

Module de intrare/ieșire;

Regiștri de intrare/ieșire;

Memorie de date;

Regiștri interni;

Circuite de temporizare;

Circuite de memorare;

Fig 3.2.1: Structura unui automat programabil.[11]

Funcționarea lor este urmatoarea:

Unitatea centrala: conține un procesor, o unitate de calcul aritmetic și diferite tipuri de memorie.Gama de procesoare folosite de către producatorii de automate programabile este foarte diversificată, câteva exemple ar putea fi procesoarele Motorola, Intel, Siemens . Procesoarele folosesc o memorie de lucru de tip RAM pentru excepția instrucțiunilor, programul de executat fiind de obicei memorat într-o memorie de tip Flesh. Dimensiunile memoriilor diferă de la un tip de automat la altul, influențand performanțele și costul automatului programabil.

Module de intrare: conțin unul sau mai multe circuite de intrare. Acestea există fizic, sunt conectate la lumea exterioară și recepționează semnale de la comunicatoarele, senzori etc. Semnalele citate pot fi de două tipuri, digitale și analogice. De regulă circuitele de intrare sunt implementate cu relee sau tranzistori.

Module de ieșire: conțin unu sau mai multe circuite de ieșire. Acestea există fizic, sunt conectate la lumea exterioară și transmit semnale digitale sau analogice către diferite elemente de executie. Ca variantă constructivă pot fi aleși tranzistorii, releele sau triacele.

Regiștri de intrare: sunt regiștri asociați ieșirilor fizice. Valoarea semnalelor de ieșire este scrisă aici în formă binară de catre circuitele de intrare și memorarată în aceiași regiștri. Pentru intrările de tip digital, un singur bit dintr-un registru poate memora starea activă/inactivă a intrării, dar în cazul unei intrări analogice sunt necesari mai mult biți pentru memorarea valorii în format numeric.

Regiștri de ieșire: sunt regiștri asociați ieșirilor fizice. Valoarea semnalelor de ieșire este scrisă aici în formă binară, conversia într-un semnal electric de o anumită valoare fiind facută de către circuitele de ieșire(convertoare digital – analogice). Pentru ieșirile de tip digital, un singur bit dint-un registru poate memora starea activă/ inactivă a ieșirii, dar în cazul unei ieșiri analogice sunt necesari mai mulți biți pentru scrierea valorii în format binar.

Regiștri interni: nu recepționează semnale din mediul extern, nici nu există fizic. Conțin relee similar pentru biți din regiștri și au fost introduce pentru a elimina releele interne fizice. Există și regiștri speciali care sunt dedicați unui anumit scop. Unele relee sunt întotdeauna deschise, altele sunt întotdeauna închise. Unele sunt deschise numai o dată la porinire și sunt folosite pentru initializarea datelor numerice.

Numărătoare: Nici acestea nu exista fizic. Sunt numărătoare simulate și pot fi porgramate să contorizeze impulsurile. De obicei, aceste numărătoare pot număra crescător, descrescător și în ambele sensuri. Anumiți producători includ și numărătoare de mare viteză implementate , pe care am putea să le consideram ca existente fizic. Și acestea pot număra crescător, descrescător sau în ambele sensuri.

Circuite de temporizare: Nici circuitele de temporizare nu sunt realizabile fizic.Sunt simulate software și controlează perioade de timp. Pot fi găsite în diverse variante în ceea ce privește parametrii. Pasul de incrementare variaza de la 1 ms pănâ la 1 s.

Memoria de date: în mod normal este vorba de simpli regiștri care memorează datele. De obicei sunt folosiți pentru aplicații matematice sau pentru manipularea datelor. Pot fi folosiți și pentru memorarea datelor cât timp AP-ului i se întrerupe alimentarea. La pornire, vor avea același continut ca înainte de oprire.[6]

Module de intrare și de ieșire

Există o mare varietate de module de intrare și ieșire ce pot intra în componența unui Automat Programabil, cele doua mari categorii fiind:

1.Module I/O analogice(6ES7331-7NF00-0AB0 ): semnalul pe care îl transmit sau îl recepționează are o valoare analogică.

2.Module I/O digitale(6ES7321-1BP00-0AA0): semnalul este de tip digital, putând avea doar două valori.

În funcție de marimile fizice citite sau de semnalele transmise, iată câteva exemple de module ce pot fi atașate unui automat programabil:

Intrarii/ieșirii de curent continuu;

Intrarii/ieșirii de curent alternativ;

Intrarii/ieșirii de tensiuni continue sau alternative;

Module de citit temperaturi;

Module de reglare PID;

Module de control Fuzzy;

Intrări de curent continuu:

Sunt disponibile circuite care funcționează la 5, 12, 24 și 48 de volți. Modulele de intrare permit conectarea unor dispozitive de tip tranzistor PNP sau NPN. În cazul unui comutator nu se pune problema conectarii de tip NPN sau PNP. Fotoculpoarelor (optocuploarelor) sunt folosite pentru a izola circuitele interne ale AP-ului de intrări. Acest lucru este necesar pentru a elimina zgomotele și se relizează prin conversia semnalului de intrare din formă electrică în formă luminoasă și apoi invers.

Intrări de curent alternativ:

Modulele de intrare obișnuite funcționeză la 24, 48, 110, 220 volți. Dispozitivele legate la intrarea de curent alternativ sunt sesizate mai greu de catre AP. De cele mai multe ori acest lucru nu are importanță pentru cel care programează automatul programabil, dar este bine de stiut că se pierde timp din cauză că dispozitivele pe bază de curent alternativ sunt de obicei dispozitive mecanice, care sunt mai lente. În plus apare și o întarziere de cel putin 25 ms datorită filtrării care are loc la intrarea în AP. De reținut ca AP-urile functionează la cel mult 5V CC.

Ieșirile cu relee:

Ieșirile cele mai obișnuite sunt cele de tip releu. Releele pot fi folosite atât cu sarcină de curent alternativ, cat si continuu. Metoda standard de conectare a sarcinilor la ieșirile AP-ului presupune folosirea unei surse de curent alternativ, însă poate fi folosit și curentul continuu.

Atunci când programul care rulează în automat indică ieșirii să devină activă, AP-ul va aplica o tensiune bobinei releului, care va închide contactul corespunzător. La închiderea contactului începe sa circule curent prin circuitul extern, iar cand programul indică dezactivarea ieșirii, AP-ul va întrerupe tensiunea aplicată bobinei releului iar circuitul extern va fi închis.

3.3. Senzori

Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin proprii mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detectorul poate măsura/înregistra de exemplu:

Presiunea

Umiditatea

Câmpul magnetic

Accelerația

Forța

Radiații

Denumirea de senzor este data de cuvântul din latină: sensus = simț.

Senzorii (traductoare) reprezintă intrarile PLC- urilor,facând posibilă conexiunea dintre process și AP dar și mai departe legatura cu operatorul prin intermediul interfeței HMI. În cadrul temei de licență sau folosit mai mulți senzori.

În fig 3.3.1 gasim o varietate senzori.

Fig 3.3.1

Senzorul inductiv de proximitate

Acest tip de senzor este cel mai raspândit, fiind realizați într-o mare varietate de forme și dimensiuni. Elementul activ a unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobină și un miez de ferită , obiectul a cărei prezență se determină trebuie sa fie metalic.

Marimea de ieșire poate fi analogică (proportională cu distanța dintre suprafață activă și obiect), sau statică (aceiași valoare cat timp senzorul este activat).

Schema de principiu a unui traductor inductive este:

Blocul alimentare- frunizează tensiunea necesară circuitelor electronice.

Detectorul- are rolul de a converti informația asupra poziției unui obiect metalic în semnal electric.

Blocul adaptor- prelucrează semnalul electric de la ieșirea detectorului și comandă un etaj final cu ieșire pe sarcină de tip releu.

Oscilatorul- întreține prin campul magnetic alternativ, oscilațiile în jurul bobinei ce formează împreuna cu miezul de ferită față sensibilă a detectorului.

Senzorul de temperatură (termocuplu)

Un traductor de temperatură, este alcatuit, în principiu, din senzorul de tip termocuplu, care poate face conversia din temperatură în tensiune termoelectromotoare. Jonctiunea de referintă este adusă de la locul masurarii într-o zona unde este posibilă menținerea constanță a temperaturii, dar si adaptorul prin intermediul caruia se obține semnalul la ieșire.

Fig 3.3.2

Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncțiuni (joncțiunea de masură sau calda) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a carui temperatură vrem să o măsuram.

Este important și materialul din care este confecționat senzorul termoelectric, deoarece tensiunile generate de acesta sunt mici (de ordinul milivolților).

Fig 3.3.3

Termorezistența

Principiul de funcționare pentru acet tip de senzor constă în, masurarea temperaturii substantelor în diferite ramuri industriale. Senzorul este construit dintr-un element de detectare și un cablu de plumb,care vin montate într-o carcasa de metal. Se pot folosi doua tipuri de cablu:

-cablu ecranat, de tip 2 x 0,34mm2, având izolatie din PVC

-cablu neecranat, de tip 2 x 0.35mm2.

Senzorii sunt proiecați să functoneze intr-un mediu chimic non-agresiv. Intervalul de temperatură standard în care senzorii pot fi utilizați este de la 0º -150 º C. Versiunea standard, conexiunea între elementele de detectare se face prin doua fire. Carcasa senzorului are o lungime de 40mm si este fabricate din otel inoxidabil.[4]

Fig 3.3.5 Fig 3.3.6

Metode de realizare a PCB-urilor:

Gravare: Prin gravarea se înțelege îndepărtarea cuprului nedorit de pe placă printr-un proces chimic. Una din substanțe folosită la gravare este clorura ferică (atacă orice metal). Părțile care dorim să le păstram intacte pe placă vor fi de fapt liniile de circuit dintre componente. Aceste părți se vor astupa inițial pentru a nu fi expuse procesului.

Gravare directă: Se imprimă desenul pe o hârtie de transfer special concepută cu ajutorul imprimantei laser. Se pune apoi desenul cu față în jos peste o placă nouă după care se trece cu fierul de călcat peste ea pentru un minut sau două. Apoi, placa este introdusă într-o baie de apă ce dizolvă învelișul special permițând hârtiei să se depărteze lăsând tonerul pe placă, urmând să se aplice o soluție ce urmează să îndepăteze cuprul nedorit (Persulfat de amoniu).

Frezarea: Frezarea reprezintă procedeul de generare prin așchiere a suprafețelor, ce se realizează cu unelte speciale de așchiere, de forma unor corpuri de rotație prevăzute cu mai multe tăișuri denumite freze, pe mașini-unelte de frezat. Procedeul de frezare constă în efectuarea simultană a unei mișcări de rotație și a unei mișcări rectilinii cu caracter continuu.

Fotolitografic: Această metodă este mult mai precisă, se obține un PCB cu o calitate superioară. În cadrul acestei metode, o placă este acoperită cu un material ce se lipește atunci când este expus la lumina ultravioletă.[5]

Fig. 3.3.6 a.Proces de Frezare Fig. 3.3.7 b.Proces de Gravare directă

3.4 PLC Siemens S7-300

Descrierea PLC-ului

PLC-ul pe care l-am ales pentru a realiza progrmaul procesului de protecție și comandă ageneratoarelor electrice aparține firmei Siemens și face parte din gama SIMATIC S7-300. Aceste automate progrmabile au fost create pentru a satisface cerințele de control, rezistență în timp. Acestea pot fi ușor extinse prin adaugarea modulelor de intrare/ieșire, modulelor funcționale și a modulelor de comunicație.Depinzând de marimea aplicației ce urmează a fi implementată, automatul poate fi ales dintr-o gamă mai largă, în funcție de performanțe, capacitate și interfețe de comuncare.Pentru creearea programului sunt disponibile mai multe limbaje de programare:

Statement List (STL);

Ladder Diagram (LAD);

Functional Block Diagram (FBD);

Se mai folosește și limbaje de nivel înalt:

Structured Text (ST);

Sequential Tunction Chart (SFC);

Toatea acestea fiind conforme cu standardul IEC 61131-3 și sunt folosite în întrega lume ca un standard internațional.

Automatele din seria SIMATIC S7-300 pot fi utilizate într-o configurație modulară fără a fi nevoie de adăugarea unor module de intrare/ieșire.Acest lucru este posibil atât pentru configurații centralizate cât și distribuite, prin intermediul modulelor ET200.

Utilizarea cardurilor de memorie face ca utilizarea baterii de rezervă să fie inutilă și scade cu mult costurile de întreținere.În plus, datele conținute într-un proiect, inclusiv simboluri sau comentarii, pot fi stocate pe cardul de memorie, fapt ce marește viteza de lucru și adaugă autonomie.În timpul unor operatii, pe card sunt stocate si accesate informațiile de lucru, de exemplu valorile măsurate ale unor elemente din proces sau listele de parametrii.

Automatele dispun de număratoare de mare viteză de până la 60KHz în funcție de tipul PLC utilizat din seria S7-300.Acestea sunt utilizate pentru numărarea și masurarea vitezei de rotație sau a poziției cu ajutorul encoderelor incrementale. Activarea unuor electro-valve sau controlul unor elemente din sistem este ușor realizabilă deoarece automatele au ieșirile pentru modularea în latime a impulsurilor.PLC-urile sunt echipate cu blocuri de control integrate, care nu ocupă spațiu în memorie.

Din punct de vedere tehnologic, unitățile central de procesare (CPU) trebuie sa fie soluții de cost redus.Tehnologia din unitațile central de procesare folosită de Simatic, elimină nevoia folosirii hardware adițional prin integrarea funcționalității de mișcare și control direct în CPU-ul standard. De asemenea cele două interfețe de comuncație ( interfață DP și MPI) incluse, asigură realizarea de conexiuni pe o suprafață cât mai mică.

Fig 3.4.1

CPU și Module de intrare și module de ieșire.

Fig 3.4.2

Panoul frontal al unui CPU314C-2DP

3.5.Componentele PLC-ului SIEMENS 314C-2DP

PLC-ul are în componența sa următoarele:

Sursa de alimentare (optională);

Unitatea centrală de procesare (UCP);

Module de intrare;

Module de ieșire;

Module de comunicații de date (opțional)

Module de funcții (opțional)

Card de memorie (MC sau MMC)

1)Sursa de alimentare.

Sursa de alimetanare oferă 24 V DC necesară celorlate module. Unitatea centrală, precum și modulele de intrare /ieșire vor fi apoi conectate și alimentate de la această sursă de curent continuu. Dimensiunea modulului aferent sursei de tensiune depind de diferitele rate de putere(2A,5A,10A la 24 V DC de fiecare).

Fig 3.5.1

Sursă de alimentare cu o rată de putere de 3,2A la 24V curent continuu

2)Unitatea Centrală (CPU):

Unitatea centrală reprezintă componenta centrală de control a sistemului,în cadrul caruia programul este executat. Adițional, funcții de monitorizare internă sau integrate. În funcție de tipul aplicației pot fi selectate, dintr-o gama largă de CPU-uri, unitatea centrală care se potrivește cel mai bine.

Fig 3.5.2

Există un microcontroler in CPU care controlează ieșirile în baza intrarilor și a programului. Se pot obseva deasemeanea un switch, mai multe LED-uri, cardul de memorie, conexiunile pentru programarea echipamentului și mufa pentru alimentarea de la sursa de 24 V DC.[8]

Fig 3.5.3

Switch-ul este folosit pentru a seta CPU-ul în modul RUN (on)sau STOP (off), putând fi folosit deasemnea și pentru resetarea memoriei MRES.

Fig 3.5.4

În zona forntală a CPU-ului sunt localizate mai multe LED-uri ce indica starea de operare și erorile:

SF:Eroare hardware sau software. SF (System Fault) având culoarea roșu.

BF:Eroare la magistrala de câmp, adică la Bus-ul prin care se interconectează modulele având deasemenea culoarea roșie.

DC5V: Exista tensiune de 5 V , aceasta fiind folosită pentru a alimenta componentele electronice din CPU și modulele de intrare/ieșire prin BUS având culoarea verde.

FRCE: Vine de la Forced,acest LED arata ca o intrare /ieșire a fost forțată să aibe o stare particulară . Această stare poate fi dată numai de catre programatorul care lucrează cu PLC-ul, având culoarea galben.

RUN: Cand acest LED este aprins, CPU-ul lucreză prin intermediul programului (modul run).Când LED-ul pâlpâie cu o frecventă de 2 Hz (de două ori pe secundă), CPU-ul este în modul de pornire. Dacă LED-ul pâlpâie cu o frecvență de 0.5 Hz (o dată la două secunde), CPU-ul este în pauză, având culoarea verde.

STOP: Acest LED arată faptul că CPU-ul este în modul STOP ,pauză, sau de pornire. Dacă ledul pâlpâie cu o frecventă de 2 Hz (de două ori pe secundă), CPU-ul se resetează. Dacă LED-ul pâlpâie cu o frecvență de 0.5 Hz (o dată la două secunde), CPU-ul necesită resetare , având culoarea galben.[7]

Zonele de memorie ale automatului:

Zonele de memorie ale PLC-ului se împart în : zone de memorie de încarcare, zone de memorie de lucru și zone de memorie de sistem.

Memoria de încarcare: Proiectul S7 este transferat din PLC către memoria de încarcare a acestuia cu ajutorul cardului de memorie ( MMC- micro memory card). Programul complet executatde caătre utilizator este acum disponibil în zona memoriei de încarcare, în blocurile de compilare și executare. Adițional, memoria de încarcare conține fișierul de configurare hardware cu informații despre tipul unitații centrale și componentele folosite. În funcție de tipul de PLC, simbolurile, tabelele declarative sau comentariile, sunt de asemenea stocate aici. Cardul de memorie este partea componență și a memoriei de lucru. Capacitatea memoriei de încărcare depinde astfel de capacitatea cardului de memorie.

Memorie de lucru: Memoria de lucru se bazează pe o memorie RAM integrată. În această zonă se execută doar componentele relevante ale programului realizat de către utlizator (codul de program și datele). Datele sunt copiate de către unitatea centrală din memoria de încarcare în memoria de lucru.

Memoria sistemului: Memoria sistemului reprezintă o zonă adițională de memorie în zona RAM din memorie. Aceasta conține elementele ce sunt disponibile utilizatorului de către CPU.

Magistrala de câmp internă a sistemului:

Partea de proces CPU-ului este formată din memoria folosită de catre utilizator, memoria sistemului și procesului. Aplicațiile simple ale unitații centrale (comutarea on/off a execuției unui program, accesarea punctelor de intrare/ieșire, monitorizarea și administrarea execuției întregului program) acestea fiind executate de către procesor. Segmentul de comunicație administrează operațiile interfeței de programare MPI și transferul de informație dintre modulele de intrare/ieșire.

Magistrala de intrare/ieșire.

Aceasta magistrală aparține planului secundar și este responsabilă cu traficul de informație dintre unitatea centrală și modulele de semnal, este o magistrală mono-master, adică comunicațiea nu poate fi inițiată decât de catre CPU, ea fiind destinată transferului de informații de dimensiune mică, de câțiva biți.

2) Magistrala de comuncații.

Magistrala de comunicații aparține și ea planului secundar, fiind responsabilă pentru traficul de date între modulele de comunicație FM (module de funcții pentru numărătoare rapide, control și poziționare) și modulele CP (module de comunicații pentru sistemele de câmp). Această magistrală este utilizată pentru transferul unor informații de dimensiuni mai mare.

3) Module de extensie

Modulele de extensie sunt elemente foarte folosite în momentul în care se configurează un sistem de automatizare controlat de un PLC. Pentru acest scop sunt folosite module de intrare și ieșire analogice dar și digitale (SM = Signal Module). Automatele programabile pot fi extinse cu diferite procesoare (CP = Comunication Prosseor) dar și module funcții (FM = Function Module)

Tipuri de module de extensie sunt:

SM 321 – Module de intrare digitală, acesta conținând 32 intrari digitale pentru 24 V DC, iar semnalul de intrare 1 este aproximativ 9 mA.(Fig A)

SM 322 – Modul de ieșire digitală, conținând 32 ieșiri digitale pentru 24V DC, iar semnalul de ieșire este aproximativ 500 mA.(Fig B)

Fig A Fig B

Fig 3.5.5

Module de extensie ce pot fi atașate PLC-ului:

modul de intrări și ieșiri digitale

modul cu funcții încorporate

modul de intrări și ieșiri analogice

modul de comunicație

modul special ce are rol in simularemoise

Fig 3.5.6

4) Conectarea echipamentului de programare cu adaptor MPI

Un astfel de adaptor (MPI-Multi point Interface) este necesar pentru stabilirea unei conexiuni între PLC și calculator sau mai bine spus dispozitivul de programare. Dupa ce adaptorul a fost setat , atunci se poate realiza conexiunea pentru începerea traseferului de program catre PLC, putând efectua astfel teste și diagnoză de sistem folosind funcțiile.

Interfetele MPI sunt disponibile în mai multe variante , astazi cele mai întâlnite interfețe sunt cele de tipul USB dar și PCMCIA pentru laptop-uri, dar în trecut se folosea interfață COM.

Fig 3.5.7 Interfață USB

Interfețele de obicei sunt prevazute cu 2 sau 3 LED-uri ce indică statusul curent al adaptorului:

Un LED pentru conexiunea MPI cu CPU-ul;

Un LED pentru conexiunea USB (sau COM) cu dispozitivul de programat;

Mai rar un LED pentru specificarea alimentării adaptorului;

Fig 3.5.8 Interfață COM

5. Cardul de memorie

Pentru a putea elimina bateria de rezervă în cazul în care PLC-ul este scos de sub tensiune, accidental sau nu și pentru a reduce costurile de întreținere, se poate achiziționa si utliza un card de memorie. Datele aflate într-un proiect vor rămâne stocate în acel card.[8] Acest card mai are avantajul că se pot face modificări asupra programului și se pot corecta mai rapid erorile

Fig 3.5.9

Exemplu de card compatibil Simatic S7-300

Alimentarea, fixarea și montarea PLC-ului și a modulelor pe șină

Alimentarea PLC-ului se face cu ajutorul unei surse de curent continuu, , în cazul de față fiind vorba de o sursă externă marca MEAN WELL, model DR-75-24. Legătura este simplă prin intermediul a două fire.

Fixarea PLC-ului se face pe o șină de tip DIN în felul următor :

se plasează partea de sus peste șină

se apasă în partea de jos

se fixează PLC-ul strângând șurubul (cu o șurubelniță dreaptă) situat în partea inferioară

Înainte de fixarea pe șină a PLC-ului, trebuie să se țină cont de faptul că această etapă trebuie să fie precedată de finalizarea conexiunii BUS.

Fig 3.5.10

Alimentarea și fixarea PLC-ului pe șină

Parcurgând circuitul de la sursa de alimentare către PLC, vom observa că sursa de curent continuu este situată în amonte de CPU. În aval de CPU vom întâlni modulele de intrare/ieșire folosite pentru simularea proiectului.

Fig 3.5.11Model de conexiune BUS

Fig 3.5.12 BUS connector

3.6. Limbaje de programare ale PLC-ului Siemens S7-300

Programarea automatelor de tipul S7-300, precum și a altor automate din familia Simatic se realizează prin folosirea mai multor limbaje de programare cum ar fi LAB, FBD și STL, incluse în pachetul software Step7.

Mediul de programare Step7 include un editor pentru cele trei moduri de programare. LAD și FBD sunt limbaje grafice, fiind usor de folosit, în timp ce STL se bazează pe o listă de instrucțiuni.[10]

Astfel, prin limbajul grafic LAD se pot realiza programe prin conectarea în serie sau paralel a diferitelor contacte închise sau deschise, în FBD programele se pot realiza prin folosirea simbolurilor pentru funcții logice ȘI, SAU, NOT, etc. Prin limbajul LAD, sau diagramele Ladder, se realizează cea mai obișnuită metodă de descriere a circuitelor logice sau relee, acest limbaj fiind utilizat inițial pentru realizarea circuitelor electrice.

Limbajul bazat pe o listă de instrucțiuni, STL ,este asemănator limbajului de asamblare folosit în cazul microprocesoarelor. În acest caz programul automatului programul automatului apare sub forma unei liste de instruțiuni, fiecare linie definind funcția care urmează să fie executată , o adresă, sau o etichetă de salt.

Limbajul în care se dorește realizarea programului pentru automatul programabil poate fi ales fie la începutul programului, fie pe parcurs, majoritatea funcțiilor fiind compatibile pentru cele 3 limbaje diferite. În același bloc de instrucțiuni nu pot fi alese metode diferite de programare, adică este necesar alegerea LAD, STL sau FBD.

Fig 3.6.1 a.Limbaj de programare de tipul LAD

Fig 3.6.1 b.Limbaj de programare de tipul FBD

Fig 3.6.2 c.Limbaj de programare de tipul STL

Cele trei metode, descrise mai sus, sunt exemple în programul Step7 a celor 3 modele de limbaj.

Programarea folosind Diagramele Ladder

Cea mai raspândită modalitate de construire a unui program ce va fi executat de catre un automat programabil este varianta contruirii unei diagrame în trepte, numită „Ladder diagram”. O astfel de diagramă este formată din ramuri (network -uri), pe feicare ramură existănd instrucțiuni specifice automatului respectiv, instrucțiunile putând fi împarțite în doua mari categorii de intrare și ieșire , fiind necesar ca pe orce ramură sa existe o instrucțiune de ieșire.

Programarea folosind diagrame ladder a apărut în cazul automatelor programabile datorită necesității de a exista un mod facil de programare care să permită realizarea de aplicații fără a fi nevoie de cunoștințe complexe de programare. Diagramele ladder sunt preluate din electrotehnică și ‘moștenesc’ anumite denumiri și reprezentări caracteristice acesteia.

Elementele de bază sunt, în cazul diagramelor ladder, contactele și bobinele.

Contacte

Sunt cunoscute ca intrări. Fiecare intrare a unui modul de intrări este recunoscut de către unitatea centrala în cazul folosirii diagramelor ladder ca un contact. Adresele prin care putem face deosebirea între diverse intrări pot fi notate cu I, E sau altă literă.

Datorită faptului că aceste contacte sunt valori binare, putând fi deschise sau închise, ele sunt grupate în octeți sau cuvinte astfel că pentru recunoașterea lor sunt folosite două cifre.[1]

Prima reprezintă numărul octetului, iar cea de a doua numărul bitului din octet. Ca și în lumea reală, contactele pot fi normal deschise sau normal închise ca și cele din figurile de mai jos.

Prin aranjarea contactelor în serie sau în paralel pot fi realizate operații logice asupra stării semnalelor. Cele normal deschise sunt testate pentru valoarea ‘1’ a semnalului respectiv, iar cele normal închise pentru valoarea ‘0’. În al treilea caz sunt reprezentate contacte care nu sunt doar citite, asupra lor se execută și anumite modificări/reinițializări.[1]

Fig 4.3

Bobine

Acestea sunt de fapt ieșirile dinspre automat spre proces. Ca și notație cea mai utilizată este folosind litera Q. Din aceleași motive ca și în cazul contactelor sunt folosite două cifre pentru notarea unei anumite ieșiri. În cazul bobinelor simple, bitul de la adresa bobinei este setat doar dacă rezultatul este 1 în timp ce în cazul apariției de litere sau simboluri apare o funcționare adițională (salt într-un anume loc în program, controlul timerului, funcții de numărare).[1]

Tipuri de bobine:

Fig 4.4

Comparatoarele

Reprezintă elementele de program care își validează ieșirea când condițiea înscrisă pe ele, privind datele de intrare, este îndeplinită.

În figura de mai jos sunt ilustrate toate tipurile de comparatoare folosite pentru a programa PLC-ul Siemens S7-300.Aceste componente se folosesc în limbajul leadder diagram și admit la intrări valori întregi de date, însă pot fi comparate și alte tipuri de numere.

Fig 4.5

Capitolul 4

Modelul experimental

4.1. Conectarea elementelor fizice la PLC

Modul analogic

Fig 4.1.1

Figura 4.1.1 reprezintă intrarile analogice în modulul PLC, unde se pot observa

La pinii 5 și 6 este conectat un adaptor care are are rolul de a converti semnalul 0,…,5A în semnal unificat 4 – 20 mA;

O termorezistență PT100, care este conectată la intrarea 14 și 15 ale modulului analogic;

Intrarile 7, 9, 10 și 13 fac legătura cu schema bloc a montajului;

Modul Digital

Fig 4.1.2 pune în evidență modul de conectare a celor două comutatoare și cum este alimentat modulul la pini M0 și M1, de la o sursă de 24 V.

Fig 4.1.2

La intrarile modulului digital, gasim comutatorul K1 care este conectat la pinii E0.0, E0.1 corespunzător atât pornirii cât si opri motorul, iar K2 reprezintă cheia prin care se mută din modul manual în modul automat , acesta putând fi regasit la intrarile E0.2 și E0.3 ale modulului.

4.2. Software PLC

Simatic este numele unui sistem de automatizare ce a fost dezvoltat de compania germană Siemens. Sistemul de automatizare controlează mașini utilizate pentru producția industrială; acest sistem face posibil ca mașinile să ruleze automat. Simatic este similar cu un calculator digital care poate stoca și rula programe, având de asemenea, intrări și ieșiri.

Programul ce rulează pe Simatic controlează aceste intrări și ieșiri, atât intrările cât și ieșirile sunt conectate prin cabluri electrice cu mașina (face posibilă comunicația dintre Simatic și orice mașină posibilă). În funcție de caz, intrările și ieșirile sunt setate de program pe un semnal HIGH sau pe un semnal LOW.

Aceste semnale sunt importante daca o acțiune a mașinii e în execuție sau nu.

Exemple de diferite semnale de ieșire (către un motor):

Semnal HIGH (motorul este pus în execuție)

Semnal LOW (motorul se oprește din execuție)

Step 7 este special conceput de Siemens pentru programarea PLC-urilor S7-300 și S7-400. PLC-ul, compus dintr-o sursă de alimentare, un CPU și unul sau mai multe module de intrare/ieșire, monitorizează și controlează întreaga linie de automatizare a materialelor necesare (modulele de intrare și cele de ieșire sunt accesate în program, cu ajutorul adreselor). Înainte de a începe un proiect, este bine de știut că acesta poate fi creat în mai multe moduri, cu ajutorul unor etape bine stabilite:

Gândirea soluției de automatizare a generatorului;

Crearea proiectului;

Configurație hardware/Crearea unui program (acestea se pot interschimba)

Transferul către CPU și depanarea.[10]

Fig 4.2.1

La programarea PLC-ului, cu ajutorul programului Siemens STEP 7, blocul FC2 din cadrul proiectului corespunde pornirii motorului.

Network 1

Contactul normal deschis I126.0 corespunde comenzii de start al motorului.

I126.2 este un contact normal deschis acesta facând posibila pornirea motorului cât și comanda excitației.

Aceste 2 contacte corespunde pornirii în modul automat, pentru modul manual se folosc

I126.3 este un contact normal deschis facând posibila pornirea motorului cât și comanda excitației

Contactul M2.2 care este un bit de memorie internă, care are rolul de a porni motorul pe modul manual.

M0.2 este o bobină care reprezintă un bit de memorie , aceasta reprezentând o ieșire .

Network 2

Contactele I126.1 cat și M0.1 provin de la protecția asupra sarcinii;

M1.4 reprezintă protectie temperatură;

M1.7, M2.0 nivel combustibil;

M2.3 bitul corespunzător start motor;

M0.3 bobină,

Network 3

M0.2 este bitul de memorie care provine de la primul Network, acesta reprezentând intrarea de Set a bistabilului SR, iar pe Reset este conectat bitul M0.3 care provine de la Network-ul 2;

M0.7 acest contact corespunde comenzii start motor în modul manual;

I126.3 este un contact normal deschis acesta facând posibila pornirea motorului cât și comanda excitației;

M1.1 este bit de memorie;

Network 4

M1.1 este bitul care provine de la Network-ul 3, acest contact reprezentând intrarea într-un timer;

Pentru a putea introduce comanda timer-ului, trebuie scris astfel “S5T#” , apoi perioada de timp pe care o dorim, în cazul de față 3 S, dar se pot adauga și minute în funcție de aplicație;

Q124.1 reprezintă o ieșire digitală fizică;

DB1.DBX1.3 reprezintă o valoare de tip boolean.

4.2.1. Simatic S7-PLCSIM

Simatic S7-PLCSIM simulează testarea funcțională de blocuri și programe pentru S7-300 și S7-400 utilizând PC-ul operatorului. Acest lucru permite testarea întregului program ce poate fi efectuat în același mod ca și cu un controller real de față. Facilitatea de a simula comunicația prin HMI, Profibus DP și TCP/IP asigură un grad ridicat al flexibilității în simulare.[16]

PLCSIM are capacitatea de a lucra cu multiple cazuri de versiuni; Este posibilă pornirea mai multor simulări și testarea mai multor controlere simultan. După ce se execută download-area programului se adoptă numele PLC-ului, așadar programele utilizatorului pot fi testate concomitent.

În timpul execuției programului, pot fi monitorizate și modificate diferite valori de proces prin intermediul unei interfețe de utilizator, ce are un aspect simplu (de exemplu, trecerea de intrări / ieșiri din ON în OFF sau invers). Blocurile aferente proiectului pot fi descărcate numai când PLC-ul virtual se află în modul STOP. Trecerea la modul RUN se face după ce s-a descărcat proiectul și se începe simularea. Pentru vizualizarea programului în timp real se deschide blocul “Start Motor”(FC2) și se apasă icon-ul cu semnificația ochelari pentru activarea monitorizării. Pentru a se opera modificări în blocul “Start Motor”(FC2), se închide simularea, se exectută modificările dorite și se porneste din nou simularea. La fiecare pornire a simulării, blocurile trebuiesc descărcate.[16]

Fig 4.2.1.1

Vizualizarea blocului Start Motor(FC2) cu opțiunea de monitorizare inactivă/activă

4.3. Experimentări

Pozele care sunt amplasate mai jos reprezintă proba practică a proiectului de licență având numele de “Proiectarea unui sistem de comandă și protecție a generatoarelor electrice”, unde se pot regasi toate elementele fizice decrise anterior.

Fig 4.3.1 Vedere frontală a proiectului

Montajul poate fi pornit în două moduri

Manual

Automat

Pentru a se putea face pornirea în modul manual, trebuie selectat din comutator pornirea pe modul manual, atunci comanda se va face prin intermediul aplicatie WinnCC, apasând de două ori butonul de „Start Motor”. Dupa ce sistemul a pornit se pot efectua simularile dorite în funcție de caz.

Daca se dorește pornirea în mod automat , se alege obțiunea de pornire pe automat. Pentru a putea porni este necesar sa acționam cheia de start, iar ansamblul se va pune în funcțiune și se va putea executa în aceste condiții simularea dorită.

Fig 4.3.2 Vedere pe orizontală a proiectului

Există mai multe tipuri de avarii

Avarie suprasarcină;

Avarie temperatură;

Avarie nivel de combustibil;

Avarie tensiune mica sau mare în funcție de caz;

Avaria suprasarcină se face cu ajutorul rezistenței variabile, care modifică excitația alternatorului, astfel îngreunează mișcarii de rotație a motorului, deci modifică sarcina acestuia suficient de mult cât sa intre în protecție.

Temperatura, este ridicată cu ajutorul unei termorezistențe, valoarea limită este introdusă cu ajutorul interfeței HMI.

Nivelul de combustibil , este simulat cu ajutorul unui potențiometru, acest nivel poate fi observat în cadrul aplicației WinnCC, unde va fi afișată și eroarea corespunzătoare.

Se introduc atât valoearea limită superioară cât și valoarea limitei inferioare pentru a putea demonstra că există o tensiune mai mică și repectiv mai mare.

Concluzii

Având în vedere scopul lucarii dar și utilitatea acesteia în cadrul realizării teoretice, care este structurată pe 4 capitole principale, care descriu funcționarea, comanda și protecția a generatoarelor electrice, dar și simulare cu ajutorul aplicației WinCC; acest lucru fiind posibil datorită unui PLC Siemens S7-300.

Alegerea PLC-ului Siemens S7-300 a fost determinată de ușurința programării, necesarul de module de intrări/ieșiri, posibilitatea de conectare cu alte sisteme și fiabilitatea pe care acesta o oferă la funcționare.

Cu ajutorul aplicației WinnCC, am realizat o interfață grafică (HMI) pe un computer care face posibilă vizualizarea simulării în timp real, dar și modificarea anumitor parametrii, pentru a putea observa cum raspunde sistemul la anumite valori, care sunt introduse de catre un operator.

Scopul propus, în cadrul acestei lucarari, a fost acela de a îmbunatații și de a regementa unele erori, de funcționare a generatoare electrice existente .

În cadrul acestui proiect, am dobândit cunoștințe despre PLC-ul Siemens S7-300, despre conectarea, utilizarea și programarea acestuia, în soft-ul STEP 7 .

În ultima parte a proiectului, am avut ca scop realizarea practică, simularea comenzi și protecției a unui generator electric. A fost descris procesul de comandă și control, precum și schema de funcționare a tuturor elementelor fizice care au dus la realizarea practică a simularii unui generator elecric.

Summary

Our contemporary society is in a continuous process of development, causing permanent changes to our environment. The development of a society can be seen as the improvement of the comfort degree of the citizens, so that a higher living standard leads to the increase of goods acquisition. A category of goods whose acquisition is in continuous growth is represented by the electric generators.

I chose this PLC because its interface is accessible for all users and also because it fulfils all the requests concerning the number of resources assigned for the UCP, for both inputs and outputs.

The software provided by Siemens Company is called STEP 7 V5.5 and it can be programmed with several programming languages: STL, LAD, FBD. For programming the PLC it was used Ladder Logic (LAD).

Chapter 1 focuses on the conversion of mechanical energy into electricăl energy. The synchronous machine feeds an alternator using a driving belt, and from its output results the electric energy.

Chapter 2, entitled “The Structure Proposed for Protecting and Commanding a Generator” illustrates the block diagram of the whole experimental project and the elements with role of protection.

In the third chapter are presented the physical components of the project. Apart from the details of the components used for the practical test, there was also explained programing lanquage.

Chapter 4 shows experimental model, where is show and explain a part of program, properly to engine start, and viewing whit software healp named Simatic Step 7 PLCSIM how the blocks functioning components from program are running. In this chapter we can find the connecting scheme to the modules of PLC, and the explanation of those figures.

Bibliografie

Bucur Cristian, Comutarea circuitelor elecronice, Editura Universității "Petrol-Gaze",Ploiești, 2010;

Bucur Cristian, Fundamentele electronicii digitale, Editura Universității "Petrol-Gaze",Ploiești, 2008

Popescu D., Automate programabile, Editura Sitech, 2001

Hotinceanu Mihai, Fizica,Note de Curs, întrebări, probleme, Editura Universității "Petrol-Gaze", Ploiești, 2008

Minescu M., Curs Tehnologii electronice, 2007

Moise Adrian G., Structuri microprogramabile, Editura Universității "Petrol-Gaze", Ploiești, 2006;

Paizi Gh., Stere N., Lazăr D., Organe de mașini și mecanisme, Editura "Didactică și Pedagogică", București, 1980

***Siemens, S7-300 CPU 31xC and CPU 31x Specifications

***Siemens, S7-300 Automation System Module Data

***Siemens, Working with Step7

***http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m2/Nicula%20Manuela-Realizarea%20unui%20program%20de%20conducere%20cu%20un%20automat%20programabil/

***http://biblioteca.regielive.ro/proiecte/electrotehnica/mașina-sincron-principii-de-funcționare-313925.html

***https://www.coursehero.com/file/p5stbh/intr%C4%83rile-de-tip-digital-un-singur-bit-dintr-un-registru-poate-memora/

***http://www.automation.ro/Invata_Automatica/pdf/Magistrala_PROFIBUS.pdf;

***https://www.coursehero.com/file/p5stbh/intr%C4%83rile-de-tip-digital-un-singur-bit-dintr-un-registru-poate-memora/

***http://w3.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/simatic-s7-controller/s7-300/Pages/Default.aspx;

***http://scribd.com;

Anexe

Anexa 1

Sursa de alimentare 12V

Anexa 2

Sursa alimentare 24 V

Anexa 3

Blocul FC1, corespunzator protecției suprasarcinei

Blocul FC2, carespunzător funcției de start motor

Blocul FC3, corespunzător comenzii excitației

Blocul FC4, denumit protecție temperatură

Blocul FC5, (Masură tensiunea)

Blocul FC6, folosit pentru nivelul de combustibil

Blocul OB1