SPECIALIZAREA AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ [303109]

UNIVERSITATEA ”CONSTANTIN BRÂNCUȘI”

[anonimizat]: [anonimizat]

2016

UNIVERSITATEA ”CONSTANTIN BRÂNCUȘI”

[anonimizat]: [anonimizat]

2016

INTRODUCERE

Progresul tehnologic actual a dus la o dezvoltare fără precedent a sistemelor automate.

Dacă în urmă cu aproximativ o [anonimizat], [anonimizat] o reacție imediată în cazul unor defecțiuni ale sistemului automat. [anonimizat], [anonimizat].

Importanța sistemelor de monitorizare și control este una deosebit de importantă în zilele noastre. Trăim în secolul vitezei dar totodată nevoia de precizie are o importanță majoră. Să ne gândim ce ar însemna ca într-o [anonimizat]. Și acesta este doar un exemplu demonstrativ întrucât nu există unitate de producție în masă care să nu folosească în procesele sale tehnologice sisteme control și de monitorizare.

[anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat], etc.

[anonimizat] s-ar asigura doar prin creșterea costurilor cu forța de muncă suplimentară și în termene de timp mult mai largi.

[anonimizat], de la National Instruments, o [anonimizat], ce oferă o varietate de soluții pentru diferite probleme din activitate de automatizare.

National Instruments a contribuit cu echipamente de automatizare în multe proecte de talie mondială. [anonimizat]-ul mișcării.

De asemenea tehnologia NI este integrată în sistemele de producție și distribuție a [anonimizat].

[anonimizat], transporturi, producție, simulare sau electronică.

[anonimizat], cu posibilități nenumărate de lucru și cu un suport foarte bun atât din partea dezvoltatorului cât și din partea unor terțe companii care contribuie prin îmbogățirea bibliotecilor de funcții.

Nu este de neglijat nici faptul că, așa cum se întâmplă în cazul mediului de programare, destul de multe companii produc tehnologie compatibilă cu cea produsă de National Instruments. Acest lucru va fi observat în capitolul al II-lea unde vor fi prezentate și echipamente ale altor producători, echipamente care însă sunt compatibile și chiar agreate de cei de la National Instruments.

Consider că tema aleasă pentru această lucrare este una deosebit de interesantă, având în vedere capabilitățile extraordinare ale unui sistem creat de cei de la National Instruments.

Capitolul I

DELIMITĂRI CONCEPTUALE

Clasificarea sistemelor automate

În literatura de specialitate există numeroase criterii pentru clasificarea sistemelor automate, clasificare ce s-a îmbogățit odată cu trecerea timpului și dezvoltarea domeniului automatizărilor industriale.

Una dintre cele mai utile clasificări ale sistemelor automate de conducere a proceselor se poate face după rolul lor funcțional. Astfel se disting următoarele tipuri de sisteme:

Sisteme de supraveghere automată – sunt acele sisteme care în mod automat execută măsurări, înregistrări și uneori anumite prelucrări primare a valorilor parametrilor procesului, cu scopul de a asigura informarea operatorilor procesului tehnologic și de a păstra o bază de date cu istoricul procesului;

Sisteme de semnalizare automată – aceste sisteme efectuază permanent comparații între valorile măsurate în cadrul procesului și valorile limită între care acestea trebuie să se încadreze, urmând ca în cazul depășirii acestor valori să se execute o semnalizare optică sau vizuală prentru operatorii procesului. În funcție de domeniul în care sunt implementate acestor semnalizări li se pot acorda diferite priorități;

Sisteme de protecție automată – sunt sistemele care intervin automat și rapid în funcționarea procesului, putând opri parțial sau total funcționarea procesului atunci când sunt depășite valorile critice ale parametrilor de funcționare. Aceste sisteme sunt utilizate în tandem cu cele de semnalizare automată;

Sisteme de comadă automată – sunt sisteme ce intervin asupra procesului la momente de timp stabilite prin programe, pentru efectuarea diferitelor operații de conducere a procesului;

Sisteme de reglare automată – sunt acele sisteme care asigură o funcționare constantă a procesului prin ajustarea parametrilor de intrare în funcție de parametrii de ieșire și de eventualele perturbații asupra sistemului. Această ajustare se face prin citirea valorilor de ieșire, compararea lor cu valorile prescrise, calcularea abaterii de la normalitate și acționarea asupra sistemului în sensul obținerii rezultatelor dorite. Există două mari tipuri de structuri de reglare a proceselor, fiecare dintre acestea cu diferite implementări având avantaje și dezavantaje – structuri de reglare cu circuit deschis și structuri de reglare cu circuit închis;

Sisteme de conducere automată evoluate – sunt asemănătoare sistemelor de reglare automată, dar asigură în plus și realizarea unor indicatori calitativi și de optimizare a procesului;

În plus față de această clasificare destul de cuprinzătoare, sistemele automate se mai pot grupa în funcție de următoarele criterii:

dependența între mărimile de intrare și cele de ieșire;

sisteme automate liniare;

sisteme automate neliniare;

modul de variație a mărimilor sistemului;

sisteme automate continue;

sisteme automate discrete;

modul de variație a semnalelor de ieșire și de intrare;

sisteme de reglare automată;

sisteme cu program;

sisteme de urmărire;

numărul mărimilor de ieșire;

sisteme automate cu o singură ieșire;

sisteme automate cu două ieșiri;

sisteme automate multivariabilă;

numărul de bucle principale;

sisteme automate cu o singură buclă principală;

sisteme de reglare în cascadă;

tipul elementelor componente și semnalele de comunicație existente între acestea;

sisteme automate pneumatice;

sisteme automate hidraulice;

sisteme automate electronice;

sisteme automate mecanice;

sisteme automate mixte;

caracteristicile constructive ale dispozitivului de automatizare;

sisteme automate unificate;

sisteme automate specializate;

în funcție de viteza de răspuns a proceselor automatizate:

sisteme automate pentru procese rapide;

sisteme automate pentru procese lente;

în funcție de previzibilitatea evoluție în timp a sistemului:

sisteme deterministe;

sisteme stohastice;

Despre sistemele de monitorizare

Conform Dicționarului explicativ al limbii române, monitorizarea reprezintă acea tehnică de supraveghere cu ajutorul monitorului. În cazul nostru, monitorizarea presupune supravegherea unui sistem, prin urmărirea valorilor citite de la sistemele de achiziție a datelor. Ca și sarcină suplimentară pe care sistemele de monitorizare o pot îndeplini, se poate vorbi despre o semnalizare optică sau sonoră, în cazul în care valorile măsurate se situează în afara unor intervale stabilite de către operatorul uman. Astfel vom considera că sistemele de monitorizare reprezintă un hibrid între sistemele de supraveghere și cele de semnalizare.

Prin utilizarea acesor sisteme se asigură citirea automată a datelor de la echipamentele specializate de măsură și contorizare, stocarea datelor în baze de date, prelucrarea datelor și transformarea lor în informații, precum și afișarea informațiilor obținute sub formă de rapoarte.

Astfel, sistemele de monitorizare, trebuie să fie în măsură să îndeplinească următoarele funcții:

măsurarea permanentă a valorilor ce definesc procesul;

memorarea unui istoric de funcționare a procesului;

emiterea de semnale vizuale sau audio către operatorul uman, în vederea atenționării acestuia că trebuie întreprinse anumite activități.

Până la urmă rolul sistemelor de monitorizare este unul foarte simplu de dedus chiar din denumirea acestora: nevoia de a fi în permanență informat despre situația procesului tehnologic, în condițiile în care, în procesele tehnologice complexe numărul mărimilor de măsurat este foarte mare iar prezența operatorului uman este insuficientă. Printre scopurile urmărite de către sistemele de monitorizare se pot enumera:

contorizarea resurselor utilizate și reducerea costurilor cu parcurgerea procesului;

creșterea randamentului procesului;

afișarea centralizată a tuturor mărimilor importante în luarea deciziilor de către operatorul uman;

determinarea cu ușurință a problemelor apărute în sistem și chiar propunerea de acțiuni din partea operatorului uman;

unificarea sistemelor de monitorizare de nivel mai mic.

Sistemele de monitorizare oferă posibilitatea de a monitoriza și analiza producția, distribuția și consumul de resurse (energie) și de a identifica metode potențiale de reducere a costurilor.

Un astfel de sistem trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

să fie capabil să monitorizeze câteva sute sau mii de mărimi analogice electrice (curenți, tensiuni, factor de putere) și neelectrice (temperaturi, presiuni, viteze, debite); valorile analogice provin fie de la senzori sau traductoare, fie de la buclele de reglaj locale;

să poată urmări zeci sau sute de mărimi digitale (de exemplu starea comutatoarelor electrice);

frecvența de citire a canalelor de intrare să fie suficient de mare. Se consideră că performanțele minime pe care trebuie sa le asigure un sistem de monitorizare sunt citirea parametrilor energetici la interval de maxim o secundă și citirea parametrilor de stare ai procesului la maxim 5 secunde. Frecvența citirilor trebuie, bineînțeles, corelată cu parametrii dinamici ai procesului monitorizat și cu caracteristicile formei de energie utilizată;

să stocheze valorile mărimilor de intrare pe o perioadă destul de mare;

să emită semnale de alarmare operatorului în caz de avarie sau de depășire a unor limite prestabilite în proces, sau în cazul unui defect în cadrul sistemului de monitorizare;

să poată prelucra, pune sub o formă utilizabilă pentru operator și afișa mărimile monitorizate într-un mod cât mai avantajos, ușor de interpretat (tabele de valori, desene, grafice plane și tridimensionale, histograme etc.).

Pe lângă aceste cerințe generale se mai pot enumera altele cum ar fi:

să permită identificarea pierderilor din instalația monitorizată, avariilor sau consumatorilor paraziți;

să permită analiza consumului separat pe fiecare parte componentă a instalației monitorizate (secții, consumatori individuali importanți etc);

să asigure citirea electronică a datelor;

în anumite situații se impune asigurarea citirii simultane a tuturor punctelor de măsurare;

posibilitatea de afișare centralizată la dispecerat a valorilor măsurate;

asigurarea citirii tuturor consumurilor într-un singur sistem;

să respecte cerințele impuse unui sistem deschis, astfel încât să fie posibilă dezvoltarea sistemului și extinderea ulterioară.

Pentru automatizarea și optimizarea activităților de producție, s-a dovedit necesară, în majoritatea cazurilor, utilizarea unor sisteme de monitorizare globale, cu caracter distribuit, care să cuprindă întregul ansamblul al procesului supravegheat. Un astfel de sistem are inevitabil o structură ierarhică (mai multe sisteme de calcul, cu diferite funcții, cuplate în rețea) și un caracter distribuit (dispozitivele de măsură și de control sunt repartizate pe o suprafață considerabilă). Despre acestea se va discuta mai în detaliu în subcapitolul Sisteme industriale de control.

Evident monitorizarea procesului tehnologic presupune existența unor dispozitive care să permită măsurarea tuturor mărimilor procesului și transmiterea lor către un dispecerat. Astfel, apare nevoia constituirii unui nou sistem, cel de achiziție a datelor.

Măsurarea are ca principal scop obținerea unei mărimi fizice direct accesibile utilizatorului, care să fie dependentă, după o lege cunoscută, de mărimea fizică ce trebuie măsurată.

În prezent, sunt utilizate semnalele electrice ca suport al informației metrologice, ca urmare a numeroaselor avantaje pe care le prezintă. Semnalele electrice se obțin, fie direct de la un traductor sau senzor activ (spre exemplu un termocuplu), fie indirect în cazul traductoarelor pasive cum ar fi marca tensometrică. Prelucrarea semnalelor electrice astfel obținute, prin utilizarea electronicii, conferă măsurărilor calități deosebite precum:

Sensibilitate ridicată. Prin procedee electronice s-au ajuns la sensibilități imposibil de obținut pe alte căi;

Consum foarte scăzut. Grație utilizării amplificatoarelor instrumentale sau de izolație, cu impedanță foarte mare se pot măsura semnale foarte slabe ca putere, spre exemplu în domeniul biologiei și al medicinii. Prin utilizarea amplificatoarelor cu izolare, impedanța crește spre infinit, iar consumul de putere de la senzor devine practic nul, ceea ce conduce la o perturbare aproape nulă a mărimii de măsurat;

Viteză mare de măsurare. În multe domenii ale tehnicii, apar variații foarte rapide ale semnalelor de măsurat, pe care aparatele clasice nu le pot urmări datorită inerției. Electronica permite mii de măsurări pe secundă, deci poate fi folosită și în cazul regimurilor tranzitorii. În plus, electronica numerică se extinde vertiginos, o dată cu creșterea vitezei de lucru a componentelor numerice și a microprocesoarelor, datorită avantajelor de suplețe și inteligență pe care le oferă;

Transmiterea ușoară la distanță a informațiilor. Problema transmiterii la distanță a semnalelor metrologice se pune ori de câte ori mărimea de măsurat se află într-o instalație situată la distanță mare de locul unde trebuie prelucrată și utilizată informația metrologică. În multe cazuri, metodele electronice sunt singurele ce pot fi folosite în acest scop;

Fiabilitate mărită. Ca urmare a integrării pe scară din ce în ce mai mare, s-au obținut, într-un singur circuit integrat, toate componentele unui lanț de măsurare: senzor, amplificator, convertizor, filtru etc. sau chiar un sistem de achiziții de date conținând: amplificatoare, filtre, multiplexoare, circuite de eșantionare, convertizoare analog-numerice și numeric-analogice etc. Acest lucru conduce la un număr redus de conexiuni externe, deci la creșterea fiabilității măsurării;

Diversitatea posibilităților de rezolvare a problemelor de măsurare. Metodele electronice de măsurare pot utiliza fie măsurări directe, ca în măsurările electrice (mărimea de măsurat să fie convertită într-o mărime electrică măsurabilă direct), fie măsurări indirecte, când se măsoară o mărime total diferită de prima în locul acesteia (de exemplu, măsurarea unei tensiuni prin intermediul unei frecvențe, sau a unei succesiuni de impulsuri în locul defazajului etc.).

În plus, semnalele pot fi prelucrate pe numeroase căi, ceea ce pune la îndemâna utilizatorului o varietate mare de procedee electronice pentru măsurări.

Despre sistemele de control

Sisteme de control pot fi reprezentate schematic ca în Figura 1- Structura unui sistem de control, deosebindu-se următoarele elemente componente pricipale:

obiectul condus, asupra căruia se aplică mărimile de comandă;

obiectul conducător, sau dispozitivul de conducere;

sistemul de transmitere și aplicare a comenzilor;

sistemul de culegere și transmitere a informațiilor privind obiectul condus.

Figura 1- Structura unui sistem de control

Pe scurt, figura anterioară poate fi sintetizată în următoarea frază: obiectul conducător elaborează decizii sau comenzi care se aplică obiectului condus, prin intermediul elementelor de execuție ale sistemului de transmitere și aplicare a comenzilor, pe baza informațiilor obținute prin măsurare de către sistemul de culegere și trasmitere a informațiilor privind obiectul condus.

Atunci când facem referire la sistemele de control se poate face o delimitare a acestora în sisteme de comandă, sisteme de reglare automată și sisteme de protecție. Toate execută un anumit control asupra sistemului, în diferite forme. În continuare o să prezint succint fiecare dintre aceste sisteme.

Sistemele de comandă

Sisteme de comandă, sunt acele sisteme de control, care nu prezintă în structura lor, bucla de reacție, din Figura 1- Structura unui sistem de control. Acestea dau comenzi obiectului condus, fără a avea un feedback asupra modului de comportare a sistemului. Este de la sine înțeles că un astfel de sistem nu asigură performanțe foarte bune pentru sistemele complexe. Cu toate acestea sunt destul de des folosite în diferite domenii precum cel militar, tehnic, biologic, unde este necesară doar realizarea unei comenzi fără asigurarea unui reglaj automat.

Sisteme de reglare automată

Sisteme de reglare automată sunt acele sisteme de control care au ca scop anularea diferenței dintre mărimea condusă și mărimea impusă, diferență cunoscută și ca abatere sau eroare a sistemului.

Există două principii de realizare a reglării automate a unui sistem:

principiul acțiunii prin discordanță – presupune o abatere a sistemului de la normalitate, pentru ca apoi acesta să se corecteze;

principiul compensației – măsoară efectele perturbațiilor asupra sistemului și elaborează comenzi asupra sistemului care să anuleze efectul acestor perturbații.

Primul principiu are avantajul că poate compensa efectele oricăror perturbații, pe când cel de-al doilea nu poate anula decât efectul anumitor perturbații, cele de care s-a ținut cont la conceperea sistemului.

Există două tipuri de sisteme de reglare automată:

sisteme de reglare convenționale;

sisteme de reglare neconvenționale;

Sistemele de reglare convențională sunt acele sisteme de reglare automată cu o singură mărime de comandă la intrare și o singură mărime măsurată la ieșire, iar legea de reglare se exprimă doar prin eroarea sistemului, respectiv diferența dintre mărimea impusă și mărimea de reacție.

Figura 2 – Structura unui sistem de reglare convențional

Se observă în Figura 2 – Structura unui sistem de reglare convențional, următoarele elemente componente:

instalația tehnologică (IT) – reprezintă obiectul supus procesului de automatizare. YIT este mărimea de ieșire ce trebuie reglată, iar YEE este mărimea de execuție, sau una dintre mărimile de intrare aleasă ca și mărime de comandă a ieșirii;

elementul de execuție (EE) – realizează legătura dintre regulator și instalația tehnologică. Este elementul care ”pune în mișcare” instalația tehnologică;

traductorul (Tr) – culege mărimea de ieșire y(t) pe care o convertește într-o mărime de reacție r(t), de aceași natură cu mărimile din blocul regulator;

regulatorul (R) – elaborează decizii în conformitate cu o lege de reglare și pe baza comparației efectuate de către elementul de comparație. Comparația se face între o valoare prescrisă și mărimea de reacție. Scopul regulatorului este să anuleze eroarea sistemului;

dispozitiv de prescriere (DP) – este elementul care dă mărimea prescrisă. Acestă mărime trebuie să fie compatibilă cu mărimea de reacție r. Blocul poate fi realizat separat sau poate fi inclus în blocul regulator.

Practic sistemul din Figura 2 – Structura unui sistem de reglare convențional, realizează așa numita buclă de reglare.

Sistemele de reglare neconvențională pot fi considerate toate sistemele de reglare automată care nu fac parte din categoria celor convenționale.

Din această categorie fac parte:

sistemele de reglare în cascadă;

Figura 3 – Sistem de reglare în cascadă

sistemele de reglare combinată;

Figura 4 – Sistem de reglare combinată

sistemele de reglare convergentă;

Figura 5 – Sistem de reglare convergentă

sistemele de reglare paralelă;

Figura 6 – Sistem de reglare paralelă

sistemele de reglare cu corecție suplimentară în regim tranzitoriu;

Figura 7 – Sistem de reglare cu corecție suplimentară în regim tranzitoriu

sistemele de reglare cu corecție a regimului tranzitoriu;

sistemele de reglare cu structură variabilă;

Sisteme de protecție

Sunt asemănătoare sistemelor de comandă, cu deosebirea că scopul lor este acela de a asigura în mod automat o protecție a sistemului, prin blocarea anumitor comenzi sau oprirea totală a acestuia, în situația în care sunt depășite anumite valori limită care afectează stabilitatea sistemului.

Sisteme de achiziție de date

Orice sistem de control, și cu atât mai mult de monitorizare, are nevoie să culeagă date despre procesele ce se desfășoară la nivelul acestuia. Acest procedeu poartă denumirea de achiziție de date și se realizează cu ajutorul sistemelor de achiziție a datelor.

Rolul acestor sisteme este ca prin intermediul senzorilor, traductoarelor și a convertoarelor, să adune informații despre stadiul în care se află sistemul, și să realizeze centralizarea acestora pentru a fi puse la dispoziție, sau pentru a constitui baza comenzilor ce vor fi elaborate în vederea executării controlului sistemului.

Figura 8 – Sistem de măsurare și achiziție de date

Așa cum se poate observa și în Figura 8 – Sistem de măsurare și achiziție de date, un sistem de achiziție de date poate avea în compunerea sa următoarele elemente:

senzori, traductori, ce prelevează mărimile de măsurat;

convertoare analogic-digitale, convertoare digital-analogice, ce transformă semnalul analogic în semnal numeric și invers;

multiplexor, demultiplexor;

procesoare de calcul, cu rol de analiză și eventual elaborare decizii;

memorie;

dispozitivul de afișare a valorilor monitorizate;

dispozitivul de imprimare a rapoartelor.

Întrucât, așa cum am spus mai devreme, utilizarea semnalului electric constituie cea mai avantajoasă metodă de prelucrare a datelor culese din sistem, senzorii sau traductorii adună informație pe care o transmit mai departe sub formă de semnale electrice. Este nevoie ulterior de o conversie a semnalelor electrice de tip analogic în semnale electrice binare, pentru a facilita prelucrarea ușoară și eficientă a semnalelor. După prelucrare, informațiile sunt analizate, afișate, iar în cazul sistemelor de control, constituie baza unor decizii de control a sistemului. În acest sens, se realizează o conversie digital-analogică a comenzii către sistem, în vederea implementării acesteia de către elementele de execuție.

Sisteme industriale de control

Sisteme de control industrial (Industrial Control System – ICS), este un termen general, care definește mai multe tipuri de sisteme de control, inclusiv SCADA (Supervisory control and data acquisition – Monitorizare, control și achiziții de date), DCS (Distributed Control Systems – Sisteme cu control distribuit) și alte configurații de sisteme de control de dimensiuni mai reduse cum ar fi PLC (Programmable Logic Controllers – Automate cu logică programată). Aceste sisteme sunt folosite într-o gamă largă de domenii de activitate, printre care domeniile producției și transportului electricității, apei, gazelor și produselor petroliere, domeniile chimic, transporturi, farmaceutic, alimentației, domeniul fabricării echipamentelor de înaltă tehnologie (auto, aerospațial).

Sistemele SCADA sunt sisteme cu o foarte mare distribuție, folosite pentru a controla active dispersate în diferite locații geografice, uneori cu o împrăștiere peste suprafețe de mii de km2, și unde centralizarea achiziției datelor este un factor critic în operarea sistemului.

Figura 9 – Structura unui sistem SCADA

Un centru de control SCADA realizează monitorizarea și controlul centralizat prin rețele de comunicație la distanțe mari. Pe baza informațiilor colectate de la stațiile la distanță, sunt puse în aplicare în mod automat sau supervizat de un operator, comenzile necesare pentru controlul acestora.

Dispozitivele de câmp controlează local funcționarea dispozitivelor și senzorilor, acționează diverse elemente, colectează datele de la senzori și urmăresc eventuale condiții de alarmare.

În figura anterioară, Figura 9 – Structura unui sistem SCADA, se pot observa componentele unui sistem SCADA. Distanța mare între active este materializată prin două tipuri de comunicații la distanță, comunicațiile fir și comunicațiile pe unde radio. De asemenea, în figură apar unitățile controlate de la distanță (RTU – Remote terminal unit) și unitatea centrală de control (MTU – Main terminal unit).

Sistemele cu control distribuit (DCS) sunt sisteme organizate ierarhic, constituite dintr-un nivel de supervizare, ce controlează multiple sub-sisteme responsabile de controlul proceselor individualizate. Pentru a menține stabilitatea unui proces individualizat în limitele de toleranță stabilite se folosesc automate programabile (PLC) specifice. Un exemplu de sistem cu control distribuit poate fi observat în Figura 10 – Exemplu de structură de sistem distribuit pe 5 niveluri.

Figura 10 – Exemplu de structură de sistem distribuit pe 5 niveluri

Fiecare nivel realizează o categorie de sarcini specifice și totodată asigură specializarea nivelelor atât ca echipamente hardware cât și ca programe de aplicație.

Nivelul 0: Reprezintă nivelul de bază ce corespunde echipamentelor de achiziție și prelucrare primară a semnalelor (datelor) și elementele de execuție ce intervin direct în instalația tehnologică. Aceste echipamente asigură informațiile necesare funcționării celorlalte nivele și transmit comenzile elaborate direct către instalația tehnologică. Datorită faptului că aceste echipamente (traductoare și elemente de execuție) sunt plasate în instalația tehnologică, acestea trebuie alese astfel încât să îndeplinească următoarele cerințe:

– să aibă o fiabilitate ridicată și să fie adaptate condițiilor de lucru (umiditate, pericol de explozie, vibrații, praf, temperatură ridicată, câmpuri electromagnetice….)

– să fie dublate sau chiar triplate (eventual pe principii diferite de măsură) traductoarele din punctele importante de măsură ale procesului.

– elementele de execuție trebuie dotate și cu elemente de măsură independente pentru a ne asigura că o valoare a comenzii transmise a fost într-adevăr realizată.

Nivelul 1: Reprezintă nivelul de conducere directă a procesului și asigură funcțiuni de reglare automată a parametrilor tehnologici prin bucle de reglare în circuit închis sau deschis(comenzi secvențiale) pe baza sarcinilor primite de la nivelele superioare. Acesta este nivelul care trebuie să asigure conducerea în timp real al procesului. Din această cauză se preferă controlul unui număr mic de bucle de reglare cu o aceeași unitate centrală, astfel încât la apariția unei defecțiuni, funcțiile sale să poată fi preluate de către operator(se poate trece pe comandă manuală) sau de celelalte nivele superioare. Numărul mic de bucle de reglare se datorează și faptului că trebuie îndeplinite condițiile de timp real.

Nivelele 2 și 3: Prin aceste nivele se asigură procesului determinarea unor condiții optime de lucru, prezentând următoarele funcțiuni:

– conducerea optimă a procesului, în principiu bazată pe modele matematice ale instalațiilor în regim dinamic sau staționar.

– se asigură condiții de performanță optimă pentru instalație în funcție de restricțiile globale sau apărute pe parcursul funcționării.

– se determină mărimile prescrise ale buclelor de reglare și se transmit nivelului 1.

– se poate realiza conducerea adaptivă la nivel de bucle de reglare bazate pe estimarea valorii parametrilor procesului, precum și parametrii optimi ai legilor de reglare pentru regulatoare și transmiterea acestora către nivelul 1.

– coordonarea optimă a instalațiilor tehnologice și a secțiilor bazată pe planul de producție, materii prime și consumuri energetice.

– monitorizarea performanțelor instalațiilor, rapoarte, statistici privind starea utilajelor și a opririi lor.

– detectarea și localizarea defectelor în utilajele tehnologice, în echipamentele de automatizare, sau în transmisia și prelucrarea datelor. Detecția se poate realiza fie prin compararea valorilor măsurate cu niște limite date, fie prin simularea funcționării bazată pe modelul matematic al instalației și compararea cu valorile reale, eventual prin semnale test trimise către instalație și către echipamentele de automatizare și compararea răspunsului cu modelul cunoscut.

Nivelul 4: Acest nivel corespunde managementului tehnic al întreprinderii și realizează funcțiuni legate de gestiunea ansamblului de instalații ce prelucrează fluxul tehnologic al procesului.

Necesitatea introducerii sistemelor cu control distribuit (DCS) în mediul industrial este dată de complexitatea proceselor, de dispersia echipamentelor în frontul de lucru, de nevoia de a optimiza procesele de producție, de a minimiza costurile, de a reduce timpi de execuție a unor task-uri etc.

PLC-urile sunt dispozitive solid-state cu funcții de computer ce sunt utilizate în controlul proceselor și echipamentelor industriale. PLC-urile sunt componente ale sistemelor de control de tipul SCADA și DCS și sunt de obicei componentele principale la nivelul configurațiilor de sisteme de control de dimensiuni mici, care furnizează o conducere bună a proceselor discrete. Sunt de asemenea sisteme utilizate pe scară largă în aproape toate procesele industriale. Potrivit structurii prezentate în Figura 10 – Exemplu de structură de sistem distribuit pe 5 niveluri, PLC-urile se găsesc pe nivelul 1 și chiar, uneori, și pe nivelul 2.

Trebuie ținut cont de faptul că utilizarea SCADA presupune ținerea sub control a întârzierilor și pierderii de date datorită distanțelor mari la care trebuie realizată comunicația. În schimb în cazul DCS și PLC comunicația are o viteză și un grad de încredere sporit datorită faptului că acestea sunt înglobate într-un LAN.

În Figura 11 – Evoluția sistemelor industriale de control, se poate observa cum sistemele industriale de control au evoluat de la sistemele mecanice la cele cu control distribuit, trecând prin sisteme acționate pneumatic, sisteme cu electronică analogică, sisteme cu logică electronică, sisteme cu logică programabilă și sistemele de supervizare SCADA. Din această figură reiese de asemenea că tendința este de migrare către sistemele DAS (Digital Automation Systems).

Un sistem DAS este un sistem de control distribuit în care toate legăturile de comunicație sunt digitale. Diferențele importante dintre un sistem DAS și un sistem DCS tradițional sau chiar și un sistem DCS cu module digitale adăugate constau în ușurința în folosire, dimensiunea fizică și interoperabilitatea. Acest lucru a fost facilitat de apariția dispozitivelor de câmp total digitale. Dispozitive precum valve, motoare, analizoare, traductoare sunt de acum „inteligente” și au preluat funcționalitățile unităților de control distribuit din vechile sisteme.

Un dispozitiv inteligent este definit ca fiind orice dispozitiv cu microprocesor ce poate efectua și operații de alarmare privind eventuale probleme apărute, auto-calibrare, auto-testare etc.

Folosind aceste tipuri de dispozitive și facilitățile standardelor de comunicații digitale bidirecționale se poate ajunge la un nivel de mentenanță predictivă ce era imposibil de atins până acum.

Capitolul II

SISTEME MODULARE DE MONITORIZARE ȘI CONTROL

Sistemele embedded – sisteme încorporate sau sisteme dedicate

Sistemele embedded sunt sisteme încorporate în dispozitivele electronice concepute pentru a realiza o sarcină concretă, specificată. Exemple de astfel de sisteme pot fi regăsite în multe dintre dispozitivele cu care interacționăm zilnic: mașina de spălat automată, cuptorul cu microunde, calculatorul de bord al mașinilor, dispozitive medicale, camere foto, etc.

Compunerea acestora constă din circuite electronice concepute pentru rezolvarea unei anumite sarcini prin intermediul programelor dezvoltate special pentru aceste circuite și pentru realizarea scopului planificat, și din elemente mecanice de transformare a liniilor de cod în acțiuni ale sistemului.

Partea centrală (de calcul) a acestor sisteme se regăsește în microprocesoare (microcontrollere), echipate cu circuite de calcul și circuite de memorie ROM și/sau RAM și care pot fi programate cu diferite limbaje de programare, de la ASM la C. Aceste procesoare pot fi deja programate pentru a realiza o anumită sarcină, caz în care nu pot fi folosite în alte aplicații, sau programele implementate pot fi rescrise pentru a rezolva o gamă variată de sarcini, în funcție de nevoie.

Într-un astfel de sistem procesorul execută în permanență doar un singur program, spre deosebire de sistemele de uz genereal care au implementată facilitatea de multi-tasking.

În general unul dintre atuurile acestor sisteme este viteza superioară cu care execută instrucțiunile, și implicit cu care își rezolvă sarcinile, datorită faptului că ele au fost concepute pentru a rezolva eficient aceea sarcină specifică.

În ultimul timp au fost dezvoltate diferite platforme de învățare ce redau acest concept de sistem embedded: Arduino și Raspberry PI fiind cele mai elocvente și cele mai cunoscute.

Data loggere

Ca definiție generală, putem spune că un data logger este un echipament sau o parte a unui echipament ce înregistrează date în timp. Acest tip de sistem are ca unic scop efectuare de înregistrări a parametrilor de funcționare și a diferitelor valori extrase prin intermediul senzorilor sau traductoarelor. La baza acestor sisteme stă de asemenea un procesor digital.

Între noțiunile de „data logger” și „sistem de achiziție de date” (DAQ) se poate crea confuzie în exprimare, însă diferența dintre cele două este una esențială: un data logger este un sistem de achiziție de date, dar un sistem de achiziție de date nu este în mod obligatoriu un data logger.

Inițial data logger-ele au fost concepute ca și dispozitive de sine stătătoare, echipate cu sursă de alimentare (baterie) proprie și având posibilitatea stocării locale. Acestea au fost denumite și „înregistratoare”.

Odată cu dezvoltarea calculatoarelor personale dispozitivele de achiziție de date au fost asociate cu acestea, fiind utilizate pentru configurarea și controlul dispozitivului/plăcii de achiziție de date și pentru recepția, stocarea și analiza datelor achiziționate.

Diferența notabilă dintre cele două tipuri este dată de rata de eșantionare mult mai mică în cazul data logger-elor.

Având în vederea dezvoltarea fără precedent a domeniului, diferențele dintre un data logger și un PC cu plăci de achiziție de date au devenit nesemnificative. Uneori, data logger-ele sunt doar software-uri care înregistrează activitatea unui port de comunicație, iar termenul „data logger” poate fi utilizat ca însemnând „înregistrare date în timp”.

Un data logger modern este un dispozitiv, de multe ori autonom, controlat de un microprocesor care are memorie de dimensiuni mari și este capabil să achiziționeze, să memoreze și să analizeze mărimi electrice provenite de la o gamă largă de senzori. Data logger-ul poate să conțină și senzorii care convertesc mărimi fizice în mărimi electrice.

Capacitatea de a realiza înregistrarea informațiilor pentru perioade lungi de timp, ce pot depăși chiar și 24 de ore, reprezintă principalul avantaj al unui data logger. Diferența între diferite modele de data logger este făcută de diferite caracteristici tehnice ale acestora:

prezența sau absența convertoarelor analog-digitale;

rata de eșantionare;

numărul de canale;

posibilitatea de a filtra datele;

tipul interfețelor de comunicare;

posibilitatea de a transmite datele către un dispozitiv cu spațiu de stocare mai mare pe măsură ce datele sunt culese.

Din enumerarea anterioară se pot deduce și componentele hardware ale unui data logger:

Interfață pentru conectarea senzorilor sau traductoarelor;

Convertor analog – digital;

Procesor;

Ceas intern (RTC);

Memorie (nevolatilă);

Interfață pentru conectarea cu un PC;

Soft.

Un data logger este capabil să măsoare valorile mărimilor prin comparație cu o mărime de referință. Procesul de măsurare nu este continuu, ci poate fi acționat fie discret, la anumite momente de timp (mărimea intervalului sau perioada de eșantionare fiind de obicei reglabilă), fie la acțiunea unui factor declanșator cum ar fi depășirea unui prag sau acțiunea unui comutator.

Datorită memoriei interne limitate măsurătorile se fac pe o anumită perioadă de timp iar la încheierea acesteia datele stocate în data logger sunt descărcate într-un calculator.

Data logger-ul este echipat cu unul sau mai mulți senzori care convertesc una sau mai multe mărimi neelectrice în semnale electrice. Aceștia pot fi externi și atunci este nevoie de o interfață cu sistem de conexiune sau sunt incluși în data logger.

Achiziția efectivă a datelor este făcută de un convertor analog-digital (CAD). Acesta citește pe rând sau simultan toți senzorii și transmite rezultatele conversiilor la microprocesor care, pe baza unui program stocat în memoria internă, prelucrează datele și le stochează la rândul său într-o memorie de date de dimensiune mai mare (pentru a putea stoca câteva mii sau milioane de eșantioane).

Pe lângă valorile mărimilor de intrare se stochează și valori conexe cum ar fi ora, data, canalul de achiziție și o sumă de control care asigură integritatea datelor. Sistemul funcționează sincron cu un circuit electronic de ceas (în engleză Realtime Clock – RTC). Ceasul intern este în principiu un ceas de foarte mare precizie care funcționează corect indiferent de mediul înconjurător. Acest lucru este foarte important deoarece un data logger poate funcționa la temperaturi și umidități variate.

De cele mai multe ori, pentru a simplifica lucrurile, data logger-ul este echipat cu o interfață standard de legătură cu calculatorul USB sau serial (COM). Orice data logger este însoțit de un program furnizat de firma producătoare cu care se pot efectua diverse reglaje și se pot descărca datele achiziționate în calculator. Cele mai multe data loggere sunt programabile, adică perioada de eșantionare, durata unui proces de achiziție, mărimile achiziționate, etc. pot fi setate prin intermediul unui interfețe de configurare.

Dintre aplicațiile în care se folosesc cu precădere data loggere se pot enumera:

Stații meteo automate (măsoară presiunea atmosferică, umiditatea, punctul de condensare, temperatura aerului, viteza și direcția vântului, etc.);

Măsurători hidrografice automate;

Monitorizarea condițiilor de trafic (mașini/minut);

Monitorizarea consumului de energie electrică, apă sau gaze;

Înregistratoare de zbor („cutia neagră”).

Există variante numeroase de data loggere, pornind de la data loggere simple, economice, cu un singur canal și o funcție fixă, fără analiză sau afișare și ajungând la data loggere programabile, cu sute de canale, cu analiză și afișare.

Un data logger poate să fie un sistem înglobat (embedded) simplu sau poate să fie o instalație programabilă complexă de achiziție a datelor cu un sistem de prelucrare și un sistem de stocare de mari dimensiuni care de poate fi un hard disk sau un calculator.

Există de asemenea variante de tipul placă atașată unui calculator, însă în acest caz se pierde autonomia data logger-ului.

Calculatoare de proces

Calculatoarele de proces controleaza procese tehnologice sau diverse analize experimentale asistate de calculator, prelucrînd informații numerice sau analogice despre procesul studiat și furnizînd ieșiri numerice sau analogice cu rol de reglare a procesului. Comunicarea între calculator și procesul despre care se culeg informații și respectiv la care trebuie sa ajunga ieșirile generate de calculator există o interfață capabilă să convertească informații analogice în numerice și invers.

În Figura 12 – Structura unui sistem de conducere cu calculator de proces, se poate observa configurația generală a unui sistem de conducere cu calculator de proces.

Figura 12 – Structura unui sistem de conducere cu calculator de proces

Aceste sisteme de calcul functioneaza în timp real, adică timpul de raspuns al calculatorului este compatibil cu constantele de timp ale procesului gestionat. Se pot face lesne analogii cu un proces chimic, în care modificarea defavorabilă a unui parametru trebuie să fie rapid remarcată și remediată de calculatorul de proces sau cu sistemele de calcul aplicate în medicină, biochimie și fizică (de exemplu, acceleratoarele de particule sunt controlate și ele de calculatoare de proces).

Un calculator de proces exercită funcții de control și comandă/reglare asupra procesului pe care îl conduce, în sensul supravegherii lui și a prelucrării datelor de proces culese, respectiv al schimbării stării acestuia în caz că prin prelucrarea informațiilor culese se constată că acest lucru este necesar.

Programmable Logic Controller – PLC

Înainte de apariția automatelor programabile, automatizarea proceselor se efectua prin intermediul releelor electromagnetice. Acestea reprezentau logica cablată, și presupuneau o densitate foarte mare de cabluri. Orice modificare necesară în funcționarea procesului presupunea reconfigurarea legăturilor fizice între elemente.

Primul automat programabil dezvoltat dintr-un calculator obișnuit a apărut în jurul anului 1970, iar odată cu trecerea timpului automatul programabil, AP sau PLC, a suferit modificări substanțiale care au mărit performanțele prin reducerea numărului de componente, creșterea fiabilității și reducerea importantă a consumului de energie electrică. Un model de automat programabil poate fi observat în Figura 13 – Vedere asupra unui PLC.

Figura 13 – Vedere asupra unui PLC

PLC are mai multe porturi de intrare si ieșire, fiind bazat pe arhitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer). Programarea acestora se poate face folosind logica ladder, utilizând simboluri pentru diferite contacte și relee așa cum se poate observa în Figura 14 – Exemplu de diagramă ladder, sau folosind un limbaj de programare de genul C. Mai întâi programul este creat pe un PC apoi acesta este descărcat în memoria PLC-ului.

Figura 14 – Exemplu de diagramă ladder

Lucrul cu automate programabile poate avea avantaje sau dezavantaje și depinde doar de proiectantul sistemului automatizat dacă este oportună sau nu utilizarea unui PLC.

Printre avantajele lucrului cu automatele programabile se numără următoarele:

flexibilitate: în trecut era nevoie pentru fiecare dispozitiv care trebuia controlat de un automat care sa-l conducă. Prin intermediul automatelor programabile este posibilă conducerea concomitentă a mai multor dispozitive folosind un singur automat programabil;

consumul este foarte mult redus deoarece automatul programabil consumă mult mai puțin decât releele din panoul de automatizare convențional;

implementarea schimbărilor și corecția erorilor: prin intermediul unei conduceri realizată în logică cablată era nevoie de timp în cazul unei schimbări sau în corecția unei erori. Prin utilizarea automatelor programabile aceste schimbări sau corecții pot fi efectuate foarte ușor în program;

posibilități de testare: programul poate fi rulat și evaluat înainte de a fi instalat pe automat pentru a realiza conducerea dispozitivului.

viteza de operare: viteza de operare este dependentă de timpul de scanare al intrărilor, timp care în prezent este de domeniul milisecundelor;

modul de programare: prin introducerea diagramelor ladder respectiv a metodei booleeene de programare a fost facilitat accesul la mediul de programare și pentru cei care nu au cunoștințe deosebite în domeniul programării;

documentare: este posibilă o foarte bună documentare a programelor prin inserarea de comentarii în spațiile alocate acestora facilitând astfel continuarea și depanarea acestora de către alți programatori;

securitatea: mărită datorita modului de lucru cu procesul.

Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile se pot menționa:

aplicații „fixe”: unele aplicații nu au nevoie de automat programabil datorită gradului foarte mic de complexitate neexistand astfel necesitatea achiziționării unui automat programabil relativ sofisticat;

probleme de mediu: în unele medii există temperaturi ridicate sau alte condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel ca acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;

funcționare „fixă”: dacă nu apar schimbări în cadrul procesului de multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare.

Sistemele CompactRIO

Descriere, capabilități

Sistemele CompactRIO sunt sisteme integrate, robuste și cu o funcționalitate foarte bună, capabile să lucreze atât în mod independent cât și în rețea. Acestea grupează în același device un procesor în timp real pentru procesare și semnalizări, și un FPGA programabil de utilizator, pentru a beneficia de viteze sporite pentru exercitarea controlului. De asemenea elimină necesitatea unor alte subsisteme, asigurând conexiune directă la senzori, camere, ecrane și motoare, și beneficiază de avantajele unui sistem de programare și rulare în timp real. Sunt dezvoltate de către National Instruments și sunt controlate cu ajutorul aplicației LabView (LabView Real Time), aparținând de asemenea aceluiași dezvoltator, sau într-un mod mai flexibil, prin intermediul aplicațiilor Windows Embedded Standard 7. Sunt echipate cu memorie non-volatilă și cu memorie DRAM pentru înregistrări și pentru operare, iar pentru conectarea diferitelor periferice pot fi prevăzute cu porturi USB, Ethernet sau seriale. Unul dintre atuurile acestor sisteme este existența unui circuit FPGA care customizează intențiile utilizatorului prin utilizarea diferitelor module de intrare/ieșire.

Din gama CompactRIO fac parte multe sisteme care se diferențiază în principal prin performanțe. Generațiile actuale de sisteme au ajuns la un nivel foarte înalt al performanțelor, cu procesoare ce ating viteze de 1,99 GHz, memorie DRAM 2 Gb, memorie de stocare de 16 Gb și foarte multe porturi petru conectica perifericelor. Dintre acestea voi aborda sistemul CompactRIO 9074, unul de generație mai veche, întrucât acesta va reprezenta piesa centrală în lucrarea practică.

NI cRIO-9074 (Figura 15 – Sistem CompactRIO 9074) este un sistem integrat, ce aduce laolaltă un controller industrial în timp real și un șasiu FPGA reconfigurabil (Field Programmable Gate Array – Tablou de porți programabile pe câmpuri) pentru controlul mașinilor industriale și aplicațiile de monitorizare.

Figura 15 – Sistem CompactRIO 9074

Printre caracteristicile acestui echipament enumăr:

un procesor industrial de timp real cu o viteză de lucru de 400 Mhz;

un șasiu cu 8 sloturi libere;

un chip FPGA Spartan-2M reconfigurabil;

128 Mb de memorie DRAM;

256 Mb de memorie de stocare non-volatilă;

2 port-uri Ethernet 10/100BASE-TX;

port serial RS232;

alimentare în curent continuu în intervalul 19-30 V.

Circuitul FPGA de pe șasiu controlează fiecare modul I/O și transmite datele la controller printr-o magistrală locală PCI.

Caracteristcile FPGA sunt următoarele:

46080 de celule logice;

40 de multiplicatori;

720 Kb RAM.

Cele două porturi Ethernet oferă posibilitatea comunicării în rețea în diferite moduri – conexiune Ethernet cu un PC sau un sistem de calcul industrial, conexiune cu un alt cRIO sau un alt echipament bazat pe conexiune Ehternet în scopul de a mări numărul de module de extensie.

Echipamentul are posibilitatea sincronizării cu un server de timp SNTP, și de asemenea o baterie internă de back-up pentru a menține operarea ceasului de timp real când sursa de alimentare externă este decuplată.

Prin utilizarea funcțiilor elementare de intrare/ieșire specifice mediului LabVIEW se asigură acces direct la circuitele de intrare/ieșire ale fiecărui modul. O gamă variată de module este disponibilă, cu diferite tipuri de conectică, de la conectori cu șurub, la conectori BNC și D-Sub, și cu elemente de adaptare a semnalelor cu care se lucrează la cele de tip industrial sau la cele cu gamă de tensiuni extinsă. Astfel se poate realiza direct conexiunea între module și senzori sau actuatori.

Există module de intrări sau ieșiri analogice cu semnale de tensiune, de curent, multifuncționale, pentru termocuple, pentru accelerometre, diferite module digitale de intrare/ieșire sau de comunicație, module pentru acționarea motoarelor, module wireless, module pentru stocare de informați, module pentru realizarea sincornizării și asigurarea timpului, precum și module create de terțe părți pentru satisfacerea nevoilor de producție specifice, cum ar fi module video, module întrerupător, module display etc.

În continuare o să prezint succint o parte dintre modulele de intrare/ieșire cu o răspândire mai largă, și care se vor regăsi și în lucrarea practică.

Module de intrare

Dintre modulele de intrare ale dispozitivului CompactRIO 9074 voi descrie următoarele module:

NI 9211 – modul de intrare termocuple;

NI 9225 – modul de intrare analogic;

NI 9227 – modul de intrare analogic;

NI 9207 – modul de intrare analogic;

NI 9234 – modul de intrare frecvențe audio;

NI 9237 – modul de intrare analogic.

NI 9211 (Figura 16 – Modul de intrare NI 9211) – Este un modul de intrare cu patru canale pentru conectarea senzorilor de temperatură sau termocuplelor. Poate fi utilizat în sistemele CompactRIO sau CompactDAQ de la National Instruments.

Conexiunile la acest modul se realizează printr-un accesoriu cu 10 conectori numerotați de la 0 la 9, primii opt fiind destinați pentru cela 4 canale, un conector comun și un conector de împământare.

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

4 canale pentru termocuple;

1 canal intern de autozeroizare;

1 canal intern de compensare la joncțiune rece;

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

timp de conversie de 70 ms pentru fiecare canal;

timpul total de conversie de 420 ms pentru toate canalele inclusiv cele două canale auxiliare;

intervalul de tensiuni măsurate – ±80 mV;

putere consumată în modul activ – max. 170 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 4 mW;

poate lucra cu termocuple de tipurile J, K, T, E, N, B, R, S;

Figura 16 – Modul de intrare NI 9211

NI 9225 (Figura 17 – Modul de intrare NI 9225)– Este un modul de intrări analogice cu o gamă a măsurătorilor de 300 Vrms, pentru aplicațiile de măsurare a tensiunilor înalte, cum ar fi monitorizarea calității alimentării cu energie electrică, verificarea motoarelor, verificarea, măsurătorile de putere. Cele 3 canale disponibile asigură, în mod simultan, o rată de transfer de 50 kS/s pe fiecare canal.

Figura 17 – Modul de intrare NI 9225

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

3 canale analogice de intrare;

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

putere consumată în modul activ – max. 495 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

NI 9227 (Figura 18 – Modul de intrare NI 9227) – Este un modul de intrări analogice ce permite măsurarea simultană pe fiecare dintre cele 4 canale disponbile, a curenților nominali de până la 5 Arms sau vîrfurilor de curent de până la 14 A. Utilizat în comun cu modulul NI 9225, se poate realiza măsurarea puterilor și a consumului de energie, precum și în diferite aplicații de testare a dispozitivelor electronice. Cu o rată de transfer pe fiecare canal de 50 kS/s, se pot efectua măsurători de putere și curent, dar se pot studia și factorii de calitate ca frecvența, armonicele sau zgomotul.

Figura 18 – Modul de intrare NI 9227

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

4 canale analogice de intrare;

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

putere consumată în modul activ – max. 730 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 50 µW;

NI 9207 (Figura 19 – Modul de intrare NI 9207) – Este un modul pentru intrări analogice de curent și de tensiune. Are 8 canale de intrare pentru curenți de ±21,5 mA și 8 canale de intrare pentru tensiuni de ±10 V. În acest modul se combină cele mai utilizate module de intrare, cele de curent și de tensiune, în scopul reducerii numărului de module necesare, având în vedere că mai puține module înseamnă mai multe sloturi libere pentru alte module necesare măsurătorilor de alte tipuri și, în același timp, reduce costurile totale și dimensiunea sistemului de monitorizare. Modulul are un conector D-sub cu 37 de pini.

Figura 19 – Modul de intrare NI 9207

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

16 canale analogice de intrare (8 de curent, 8 de tensiune);

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

putere consumată în modul activ – max. 295 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

NI 9234 (Figura 20 – Modul de intrare NI 9234) – Este un modul de intrare ce permite măsuri de înaltă fidelitate a frecvențelor audio de la senzori IEPE (Integrated electronic piezoelectronic) și non-IEPE. Poate fi utilizat în sistemele CompactRIO sau CompactDAQ de la National Instruments.

Figura 20 – Modul de intrare NI 9234

Conexiunile la acest modul se realizează printr-unul dintre cei patru conectori de tipul BNC.

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

4 canale analogice de intrare;

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

putere consumată în modul activ – max. 900 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

NI 9237 (Figura 21 – Modul de intrare NI 9237) – Este un modul de intrări analogice cu patru canale la o rată de 50 kS/s/canal, ce asigură toate condițiile necesare alimentării și efectuării de măsurători pentru până la patru senzori punte.

Figura 21 – Modul de intrare NI 9237

Specificațiile acestui modul sunt următoarele:

4 canale analogice de intrare;

convertor delta-sigma de la analogic la digital cu o rezoluție de 24 biți;

putere consumată în modul activ – max. 740 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

Module de ieșire

Dintre modulele de ieșire ale dispozitivului CompactRIO 9074 voi descrie următoarele module:

NI 9263 – modul de ieșiri analogice;

NI 9265 – modul de ieșiri analogice;

NI 9481 – modul de ieșiri digitale;

NI 9501 – modul driver motoare pas cu pas;

NI 9263 (Figura 22 – Modul de ieșire NI 9263) – Este un modul de ieșiri analogice de înaltă performanță ce generează semnale cu o fidelitate superioară.

Figura 22 – Modul de ieșire NI 9263

Specificațiile modulului sunt următoarele:

4 canale analogice de ieșire;

tipul semnalului: tensiune;

rezoluția convertorului digital-analogic este de 16 biți;

rata de transfer: 100 kS/s/canal;

tensiunea de ieșire nominală: ±10 V;

putere consumată în modul activ – max. 625 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

NI 9265 (Figura 23 – Modul de ieșire NI 9265) – Este un modul de ieșiri analogice de înaltă performanță ce generează semnale cu o fidelitate superioară.

Specificațiile modulului sunt următoarele:

4 canale analogice de ieșire;

Tipul semnalului: curent;

Rezoluția convertorului digital-analogic este de 16 biți;

Rata de transfer: 100 kS/s/canal;

Curentul de ieșire: 0-20 mA;

putere consumată în modul activ – max. 230 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 25 µW;

Figura 23 – Modul de ieșire NI 9265

NI 9481 (Figura 24 – Modul de ieșire NI 9481) – Este un modul de ieșiri digitale de tipul SPST (Single-pole single throw). Fiecare dintre cele 4 canale asigură accesul la un releu electromecanic pentru comutarea semnalelor cu valori de până la 30 VDC (2 A), 60 VDC (1 A), 250 VAC (2 A). Fiecare canal are un LED pentru indicarea stării actuale a canalului. Acest modul ajută la conectarea unei game variate de dispozitive industriale de tipul motoarelor, actuatoarelor și dispozitivelor de curent continuu.

Figura 24 – Modul de ieșire NI 9481

Specificațiile modulului sunt următoarele:

4 canale digitale de ieșire;

putere consumată în modul activ – max. 580 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 5 mW;

NI 9501 (Figura 25 -Modul de ieșire NI 9501) – Este un modul driver pentru motoare pas cu pas.

Figura 25 -Modul de ieșire NI 9501

Specificațiile modulului sunt următoarele:

Tensiunea de alimentare: +9 – +30 VDC;

Tipul de motoare pas cu pas suportate: bipolare;

putere consumată în modul activ – max. 500 mW;

putere consumată în modul de așteptare – max. 2.5 mW;

Modul bidirecțional

NI 9403 (Figura 26 -Modul bidirecțional digital I/O NI 9403) – Este un modul bidirecțional cu 32 de canale digitale atât de intrare cât și de ieșire. Este permisă configurarea direcției de transfer a informației pentru fiecare canal în parte. Fiecare canal este compatibil cu logica TTL 5V. Modulul asigură o protecție la supravoltaj pentru valori de ±30 V și poate asigura un curent de 2 mA pe fiecare canal.

Figura 26 -Modul bidirecțional digital I/O NI 9403

Specificațiile modulului sunt următoarele:

putere consumată în modul activ – max. 1 W;

putere consumată în modul de așteptare – max. 2.5 µW;

Modul de achiziție imagini

MoviMed AF-1501 și AF-1502 sunt două module ce conferă sistemului CompactRIO posibilitatea de a face achiziție de imagini. Aceste module realizează achiziția de imagini monocrome și suportă standardele video NTSC/PAL și SECAM. Diferența dintre cele două este numărul de canale disponibile: 1 în cazul AF-1501 și 2 în cazul AF-1502. Cele două module pot fi observate în Figura 27 – Module de achiziție de imagini AF-1501 și AF-1502:

Figura 27 – Module de achiziție de imagini AF-1501 și AF-1502

Specificațiile modulului sunt următoarele:

256 nivele de gri (8 biți);

16 nivele de gri (4 biți);

Impendanță – 75 Ohm.

Module de comunicație în rețea

SEA 9741 (Figura 28 – Modul de comunicație în rețea SEA 9741) este un modul de comunicație ce permite accesul în rețele mobile moderne de tipul 2G și 3G. Modulul operează ca și un modem asigurând accesul la internet prin intermediul rețelelor mobile.

Specificațiile cele mai importante ale acestui modul sunt:

standarde folosite: GPRS/EDGE (2G) și UMTS/HSPA (3G);

viteză de download – 14.4 Mbps;

viteza de upload – 5.76 Mbps;

sistem GPS integrat pentru raportarea poziției și a datelor despre timp, cu o rată de împrospătare de 4 Hz.

Figura 28 – Modul de comunicație în rețea SEA 9741

NI 9795 (Figura 29 – Modul de comunicație în rețea WSN NI 9795) este un modul de comunicație ce asigură integrarea senzorilor în sistemul CompactRio de la distanță prin intermediul unei conexiuni wireless.

Figura 29 – Modul de comunicație în rețea WSN NI 9795

Modulul funcționează în banda de 2.4 GHz, conform standardului de comunicații radio IEEE 802.15.4 și are o rază de acțiune de până la 200 m. Aceste permite comunicarea cu până la 36 de noduri WSN (Wireless Sensor Network).

Modul de stocare a informației

NI 9802 (Figura 30 – Modul de stocare a informației NI 9802) este un modul ce permite stocarea informațiilor pe 2 carduri de memorie de tipul SD cu o capacitate de până la 2 Gb fiecare. Viteza de scriere/citire este de până la 2 Mb/s. Cardurile de memorie trebuie formatate FAT-16 ceea ce restricționează capacitatea de stocare pe un card la 2 Mb.

Figura 30 – Modul de stocare a informației NI 9802

Avantajele FPGA

FPGA (Field-programmable gate arrays) sunt circuite integrate constituite din foarte multe unități logice cu proprietatea că pot fi reprogramate de către utilizator.

Fiecare dintre aceste unități logice este înconjurată de o multitudine de interconexiuni programabile. Acestea poartă denumirea de matrice de conexiuni programabile. Această matrice de conexiuni este înconjurată pe chip-ul FPGA de blocurile de intrare-ieșire (Figura 31 – Structura unui FPGA).

Figura 31 – Structura unui FPGA

Chip-ul FPGA din compunerea cRIO 9074 este de tipul Spartan 3 – 2M, din familia Spartan 3.

Figura 32 – Arhitectura familiei de FPGA Spartan 3

Așa cum se poate vedea în Figura 32 – Arhitectura familiei de FPGA Spartan 3, chip-urile din această familie au următoarea structură contructivă:

blocurile logice programabile, CLB (Configurable logic blocks) – conțin tabelele de adresare a memoriei RAM (RAM LUT), care realizează structura logică proiectată. Aceste blocuri logice pot fi programate pentru a executa anumite funcții sau pentru a memora informație. Poate fi realizată a gamă foarte variată de funcții logice;

blocurile de intrare/ieșire, IOB (Input/output blocks) – controlează fluxul de informație între pinii de intrare/ieșire și logica internă a chip-ului. care realizează interfața între semnalele interne și exteriorul circuitului (prin pinii circuitului);

clocul RAM – asigură stocarea datelor sub forma unor blocuri dual-port de 18-Kbit;

clocurile de multiplicare – acceptă ca intrări 2 numere binare de 18 biți pe care le înmulțește între ele;

blocul Digital clock manager, DCM (managerul de tact digital) – se ocupă de toate operațiile executate cu semnale de tact.

FPGAurile au avantajul performanței, în raport cu microprocesoarele, deoarece circuitele pot fi adaptate ușor la aplicație. Microprocesoarele realizează  funcțiile speciale în software, în condițiile operării în mai multe cicluri.

Putem trage concluzia că un chip FPGA are o putere destul de mare de calcul și de stocare, însă acest lucru nu este suficient, fiind nevoie și de existența unui procesor adițional pentru a asigura o interfațare bună cu sistemul proiectat și pentru a putea beneficia de resursele puse la dispoziție de un sistem de operare atașat.

Având în vedere acestea, în ultima perioadă s-a trecut la realizarea de chip-uri în care un microprocesor este împerecheat cu FPGA și apoi mai departe la conectica de intrare/ieșire. În acest fel se beneficiază și de avantajele FPGA precum și de avantajele microprocesorului.

Figura 33 – Schema platformei CompactRIO

Punerea la lucru a acestor circuite se face prin transformarea fișierelor create în aplicațiile NI LabView, în secvențe de biți ce stabilesc interconexiunile ce se realizează la nivelul dispozitivului.

Mediul de lucru LabView

LabView este un mediu grafic de programare dezvoltat de National Instruments pentru utilizarea cu sisteme proprii de măsurare și control. Cu ajutorul acestui mediu de programare se poate interfața rapid și eficient cu partea de hardware pentru achiziție și control, se pot analiza date și se pot proiecta sisteme distribuite.

Acest mediu de programare dispune de o mulțime de unelte care facilitează dezvoltarea de aplicații chiar și de către începători. La fel ca orice limbaj de programare, permite utilizarea variabilelor și a buclelor și dispune de o bogată bibliotecă ce implementează diferite proceduri.

În mediul de programare grafic LabView, programarea se face pe baza unor instrumente virtuale (VI – Virtual Instruments) ce constau dintr-o interfață cu utilizatorul (Front panel, panou frontal) și dintr-o schemă logică bloc (Block diagram, diagramă bloc).

Panoul frontal este cel prin intermediul căruia se introduc sau se extrag date în/din mediul de programare. Entitățile de bază în panoul frontal sunt controalele, cele care asigură intervenția utilizatorului prin introducere de date, și indicatoarele, cele care comunică utilizatorului datele rezultate. Acestea pot fi de diferite tipuri cum ar fi tipul numeric, tipul boolean, tipul șir de caractere, tipul vector sau matrice, etc. și se pot materializa în comutatoare, butoane, potențiometre, grafice, tabele, cadrane etc.

În diagrama bloc se stabilesc conexiunile și legile de funcționare pentru controale și indicatoare. Aceasta poate fi considerată codul sursă al instrumentului virtual creat. Aici se pot crea structuri de decizie și bucle de funcționare, se introduc operatori matematici și funcții logice. Fluxul de date se stabilește prin intermediul firelor (wires).

Capitolul III

AUTOMATIZĂRI ÎN LOCUINȚA INTELIGENTĂ

Generalități

Despre automatizarea locuințelor nu se poate spune că este un domeniu de noutate. Totuși introducerea dispozitivelor care cresc confortul locatarilor a dus la un anumit grad de automatizare a locuinței, și aici putem face referire la interfoane, la telecomenzi, la diferite aparate electrocasnice.

Însă în ultimul timp se pune accent pe realizarea unor automatizări mai eco-friendly ale locuințelor, prin care să se evite risipa resurselor naturale utilizate în viața de zi cu zi. De asemenea având în vedere progresul tehnologic actual, se poate ajunge la utilizarea vocii, amprentelor sau a irisului pentru controlul echipamentelor și dispozitivelor.

O locuință automatizată poate presupune următoarele aspecte:

controlul accesului în locuință și diferite încăperi;

controlul iluminatului interior și perimetral, în funcție de prezență, intensitate luminoasă naturală sau necesitățile proprii, fie prin utilizarea surselor de iluminare, fie prin utilizarea obturatoarelor;

controlul climatizării în funcție de temperaturile interioară și exterioară, sau în funcție de preferințe, și prin asigurarea unor fluxuri de aer care să nu deranjeze;

protecție la emanații de gaze sau deversări de apă accidentale;

protecție la scurtcircuite sau supratensiune;

monitorizare video și asigurarea unor facilități prin recunoaștere de imagini;

monitorizarea și centralizarea consumului de resurse și efectuarea de comparații pe diferite intervale de timp;

utilizarea comenzilor vocale și de recunoaștere facială/amprentă;

posibilitatea asigurării monitorizării și controlului de la distanță, prin intermediul device-urilor mobile;

detecția efracției și raportarea la dispecerat;

posibilitatea luării unor decizii inteligente, pe măsură ce sistemul se acomodează cu proprietarul, și începe să-i învețe programul și dorințele;

În Figura 34 – Subsisteme de automatizare a locuinței sunt reprezentate subsistemele principale care realizează un anumit grad de automatizare al unei locuințe. Împărțirea acestora reprezintă de fapt o grupare de procese care aparțin unui anumit domeniu. O posibilă clasificare a acestor subsisteme este următoarea:

realizarea automatizărilor în domeniul asigurării iluminatului;

realizarea automatizărilor în domeniul asigurării climatului interior;

realizarea automatizărilor în domeniul asigurării accesului în incinte;

realizarea automatizărilor în domeniul securității locuinței și asigurării controlului de la distanță;

asigurarea monitorizării resurselor utilizate în locuință.

Figura 34 – Subsisteme de automatizare a locuinței

În cele ce urmează toate aceste subsisteme vor fi detaliate.

Controlul iluminatului

În ceea ce privește controlul iluminatului există diferite scenarii pentru realizarea unor automatizări:

camerele sunt iluminate diferit în funcție de timpul din zi, datorită poziționării deficitare a acestora față de soare – în acest caz se va dori asigurarea unei iluminării ambientale, conform preferințelor, din surse artificiale pentru a compensa lipsa luminii naturale;

iluminare graduală a încăperilor, în funcție de anumite activități desfășurate: iluminat pentru citit, iluminat pentru lucru la calculator, iluminat pentru vizionat emisiuni sau filme la televizor, etc.;

programarea asigurării iluminatului la anumite ore din zi: de exemplu aprinderea luminii la ora 06.00 pentru trezire, oprirea luminii la ora 22.00 pentru odihnă;

iluminarea încăperilor când în acestea se află persoane, în funcție de diverși algoritmi;

închiderea sau deschiderea automată a storurilor pentru a permite sau nu accesul luminii naturale.

Având în vedere acestea se poate face o listă cu materiale necesare realizării acestor automatizări, așa cum reiese și din Figura 35 – Exemplu de schemă de automatizare pentru iluminat:

senzori de intensitate luminoasă, care;

senzori de prezență;

senzori de mișcare;

modul de intrare de curent pentru CompactRIO;

modul de intrare de tensiune pentru CompactRIO;

motor pas cu pas;

module digital de ieșire pentru CompactRIO.

Figura 35 – Exemplu de schemă de automatizare pentru iluminat

Figura 36 – Preluare date de la senzori

În Figura 36 – Preluare date de la senzori, am materializat partea de achiziție de date de la diferiți senzori montați în locuință. Așa cum am specificat anterior acești senzori pot fi de prezență, de mișcare sau de intensitate luminoasă. Informația colectată de la acești senzori este transmisă modului de intrare de curent și tensiune NI 9207.

În cazul în care semnalul senzorilor utilizați este un semnal tensiune, conexiunea acestora la modul se va executa pe pinii AIx- și AIx+, unde x reprezintă numărul canalului de intrare în tensiune, și poate lua valori de la 0 la 7.

Pentru senzorii ce utilizează semnalul în curent se va utiliza un pin AIx, cu x putând lua valori de la 8 la 15, și unul dintre pinii Vsup.

Toți senzorii conectați trebuie să se încadreze în domeniile de lucru ale modului, și anume ±21,5 mA pentru curent și de ±10 V pentru tensiune.

Figura 37 – Transmiterea comenzilor de iluminare

În ceea ce privește partea de comenzi, acestea sunt asigurate prin intermediul modului digital de intrare/ieșire NI 4903 așa cum este arătat în Figura 37 – Transmiterea comenzilor de iluminare. Trebuie avut în vedere faptul că majoritatea lămpilor sunt alimentate la o tensiune de 220 V c.a., iar nivelele de ieșire la acest modul se situează la 5 V c.c. trebuie utilizate relee electromecanice care să asigure contactul pentru aprinderea lămpii dorite.

Conectarea releelor la acest modul se va face pe unul dintre pinii DIOx, cu x putând lua valori de la 0 la 31, și pe unul dintre cei patru pini COM, care asigură un potențial de referință.

Problema închiderii sau deschiderii storurilor pentru obstrucționarea sau permiterea trecerii luminii prin fereastră, poate fi rezolvată prin echipamente care să asigure rotația acestora. Există două variante aici, motoare de curent continuu sau motoare pas cu pas. Prima variantă, presupune o schemă mai complexă fără însă a asigura un reglaj personalizat decât prin introducerea unor senzori suplimentari.

Figura 38 – Transmiterea comenzilor către motoare pas cu pas

Cea de-a doua variantă este și varianta adoptată în această lucrare, aceasta asigurând un reglaj fin, în trepte, în funcție de informația primită de la senzorul de intensitate luminoasă. Astfel storurile vor fi deschise mai mult sau mai puțin în funcție de lumina exterioară și preferințele locatarului (Figura 38 – Transmiterea comenzilor către motoare pas cu pas).

Controlul temperaturii

În cazul asigurării unui climat interior specific, se pot crea o serie de diferite automatizări pentru sporirea confortului locatarilor. Aceste automatizări pot consta în:

asigurarea unei temperaturi minime în locuință atunci când se simte lipsa îndelungată a locatarilor;

dirijarea agentului termic cu precădere în camerele în care se simte prezența locatarilor;

asigurarea unor temperaturi preferențiale pe camere;

asigurarea controlului de la distanță a sistemului de încălzire centrală;

posibilitatea realizării unor programe zilnice de încălzire, în funcție de programul locatarilor.

Figura 39 – Preluarea informației despre temperaturi

În primul rând, pentru realizarea automatizărilor în acest domeniu este nevoie de senzori care să măsoare temperaturile interioare și poate chiar și exterioară, pentru ca în funcție de valorile măsurate sistemul să fie capabil să ia anumite decizii. Termocuplele sunt dispozitivele ce realizează această funcție, acestea fiind de fapt senzori ce măsoară temperatura pe baza efectului Seebeck.

Pentru conectarea unor senzori de temperatură la un sistem CompactRIO avem nevoie de un modul de intrare special pentru termocuple, și anume modulul NI 9211 (Figura 39 – Preluarea informației despre temperaturi). Acesta oferă posibilitatea conectării a patru senzori de temperatură simultan, conectarea făcându-se foarte simplu la pinii TCx+ și TCx-, unde x reprezintă numărul canalului și poate lua valori de la 0 la 3.

Se pot introduce în schema de automatizare și senzori de umiditate care să determine nivelul de umiditate din încăperi și să comande sisteme de climatizare cu facilitatea de evacuare a umidității. Preluarea acestor date se face prin intermediul aceluiași modul de intrări de curent și tensiune NI 9207, conform Figura 40 – Preluarea informațiilor despre umiditate.

Figura 40 – Preluarea informațiilor despre umiditate

Mai departe, datele primite de la senzorii de temperatură și de umiditate vor fi prelucrate, și pe baza unui algoritm realizat în LabView, se vor comanda diferite dispozitive din locuință, așa cum am arătat în Figura 41 – Transmitere comenzi pentru sisteme control temperatură.

Figura 41 – Transmitere comenzi pentru sisteme control temperatură

Pentru cazul de față, am considerat utilă, folosirea a patru senzori de temperatură care preiau temperatura mediului exterior, și temperatura din trei încăperi distincte, și a patru senzori de umiditate, unul care măsoară umiditatea exterioară și trei care măsoară umiditatea în aceleași trei încăperi. Pe baza acestor valori, se vor comanda, în funcție de nevoie, sistemul de încălzire centrală, radiatoare electrice pentru încălzirea doar a anumitor încăperi, evitând astfel consumul inutil de energie, sau sistemele de aer condiționat din încăperi.

Pornirea radiatoarelor sau a sistemelor de aer condiționat, se poate face la depășirea unui prag de temperatură impus, sau preprogramat la anumite momente din zi, sau, în situația în care este detectată prezența într-o anumită încăpere și valoarea măsurată de senzorul de temperatură din aceea încăpere se situează în afara intervalului dorit.

Se poate observa că variantele de automatizare pot fi multe, acestea putând să devină foarte complexe, în funcție de numărul de variabile luat în calcul.

Cu ajutorul unor electrovalve, se poate asigura și dirijarea cu precădere a agentului termic din sistemul de încălzire centrală, doar în încăperile în care se simte prezența omului. În acest caz, vor intra din nou în rol senzorii de prezență, de la partea de control a iluminatului, iar comanda electrovalvelor se va realiza în același mod, cum se realizează comanda lămpilor de iluminare, respectiv cu ajutorul modului digital de intrare/ieșire NI 9403.

Automatizări în domeniul controlului accesului

În ceea ce privește controlul accesului în incinte, automatizările pot consta în:

sisteme de supraveghere video cu recunoaștere facială;

sisteme de control acces prin recunoaștere vocală;

sisteme de control acces pe bază de cartele, cipuri sau coduri;

integrarea sistemului de control acces într-o aplicație pentru telefon sau PC;

asigurarea accesului pe zone de interes pentru persoane străine;

detecția efracției;

yale inteligente ce permit blocarea ușilor la ieșirea din încăperi, permit accesul pe bază de date biometrice sau pe bază de coduri.

Figura 42 – Preluare date control acces

În Figura 42 – Preluare date control acces, am schematizat 3 modalități de control acces în diferite incinte.

În prima variantă, se poate realiza controlul accesului pe baza unor device-uri iButton, constituite dintr-un chip ce se activează doar în prezența unui dispozitiv de citire/scriere, în cazul nostru fiind vorba despre acel Blue dot receptor.

Cea de-a doua variantă presupune integrarea unei tastaruri pentru formarea unui cod de acces, acestă variantă necesitând însă și existența unor componente suplimentare, gen microcontrollere pentru citirea codurilor de la tastatură.

Ultima variantă este cea în care se folosește o telecomandă de acces, acestă soluție putând fi folosită în special în cazul porților de acces pentru mașini.

În toate cele trei cazuri modulul de intrare folosit este același, modulul digital de intrări și ieșiri NI 9403.

Ca și variantă suplimentară, se poate folosi un modul de achiziție de imagini AF 1501 sau AF 1502 (Figura 43 – Achiziție de imagini). Imaginile obținute cu ajutorul acestui modul, pot fi prelucrate folosind bibliotecile din LabView, și se poate asigura accesul pe baza recunoașterii de imagini.

Figura 43 – Achiziție de imagini

În ceea ce privește detecția efracției se pot monta senzori de efracție în diferite puncte de acces în locuință (de obicei ferestre și uși), care să activeze sistemul de alarmare în cazul forțării intrării în locuință. Pentru integrarea senzorilor de efracție se poate folosi modulul de intrare de tensiune și curent NI 9207, așa cum este reprezentat în Figura 44 – Achizițe de date de la senzorii de efracție.

Figura 44 – Achizițe de date de la senzorii de efracție

Partea de comenzi pentru asigurarea controlului accesului în încăperi se va efectua cu ajutorul modului digital I/O NI 9403, care va comanda o yală inteligentă, sau sistemul de deschidere a porților de acces (Figura 45 – Comanda sistemelor de acces).

Figura 45 – Comanda sistemelor de acces

Se poate lua în calcul și situația în care autentificarea este nereușită după un anumit număr de încercări, în acest considerându-se efracție, și asigurându-se în mod automat pornirea sistemului de alarmare și anunțarea dispeceratului.

Suplimentar, așa cum voi prezenta mai departe în acest capitol, se poate asigura transmiterea unor mesaje de efracție pe telefonul mobil, cu ajutorul unui modul de comunicație 2G sau 3G.

Automatizări în domeniul securității locuinței

Acest domeniu este strâns legat de domeniul anterior în care am discutat despre controlul accesului, însă am hotărât să îl tratez separat, întrucât presupune mai mult decât un cotrol al accesului în încăperi.

Automatizarea se poate realiza pe două direcții.

Mai întâi poate fi vorba despre asigurarea securității locuinței în cazul unor accidente ce nu pot fi controlate. Se pot proiecta o serie de automatizări precum:

detecția gazelor naturale și oprirea automată a acestora de la sursa principală;

întreruperea alimentării cu energie electrică în cazul detecției scurgerilor de gaze, cutremurelor sau inundaților;

întreruperea alimentării cu apă în caz de inundații;

pornirea automată a aspersoarelor în cazul detecției unui incendiu.

Achiziția datelor în acest caz se va conform Figura 46 – Achiziție date senzori, prin intermediul modului de intrări analogice de tensiune și curent NI 9207, în același mod în care a fost folosit și în cazurile anterioare.

Figura 46 – Achiziție date senzori

Comenzile pentru automatizare vor fi date prin intermediul modulului digital de I/O NI 9403, conform Figura 47 – Transmitere comenzi pentru securitatea locuinței.

Se poate comanda vana de pe conducta de alimentare cu gaz și panoul de alimentare cu energie electrică atunci când se activează senzorii de fum, de gaz, de seism sau cel de avarie la conductele de apă. Acționarea vanelor în cele două situații se face cu ajutorul unor electrovalve, dispozitive acționate prin intermediul unui electromagnet.

De asemenea se poate comanda vana de alimentare cu apă atunci când se activează senzorii de seism și de avarie conductă alimentare cu apă.

În cazul activării senzorului de fum se vor comanda aspersoarele de incendiu în zona de acțiune a senzorului de fum.

Figura 47 – Transmitere comenzi pentru securitatea locuinței

Tot pe această direcție se poate discuta despre asigurarea unei independențe în alimentarea cu energie electrică. Astfel se poate realiza un sistem care să permită alimentarea consumatorilor atât de la rețeaua publică de energie electrică, cât și de la sisteme de producție a energiei electrice solare, atunci când aceasta este disponibilă. Pentru o independență și mai mare a locuinței, se poate integra în sistem și un grup electrogen pe combustibili fosili, care să se situeze în tampon cu rețeaua publică de energie electrică.

Având în vedere acestea, cu ajutorul CompactRio s-ar putea realiza următoarele automatizări (Figura 48 – Sistem de alimentare cu energie electrică):

asigurarea cu prioritate a alimentării cu energie electrică din surse proprii (panouri solare montate pe acoperiș, turbină eoliană);

realizarea orientării automate a panourilor solare pe direcția de radiație maximă;

asigurarea încărcării unui set de acumulatori care să asigure o anumită putere și să intre în funcțiune în situația în care rețeaua publică și panourile solare devin indisponibile;

intrarea automată în funcțiune a grupului electrogen, în anumite situații bine precizate.

Figura 48 – Sistem de alimentare cu energie electrică

Cea de-a doua direcție ce merită abordată este cea a controlului de la distanță a anumitor echipamente (Figura 49 – Sistem de control la distanță). Aici gama de automatizări ce se poate proiecta presupune:

posibilitatea urmăririi camerelor de supraveghere de pe telefonul mobil;

posibilitatea acționării asupra anumitor echipamente de pe telefonul mobil;

primirea de mesaje sau rapoarte referitoare la diferite situații în care se află locuința.

Comanda de la distanță de pe telefonul mobil se poate efectua prin intermediul modului 2G/3G SEA 9741. Se pot programa numere de contact la care să se transmită în mod automat mesaje de avertizare în diferite cazuri cum ar fi efracție, incendiu, defecțiuni.

Prin intermediul conexiunii 3G se pot urmări camerele de supraveghere atașate la modulul de achiziție de imagini, sau se pot accesa fișierele de raportare salvate pe modulul de stocare date NI 9802.

În plus, modulul dispune și de un modul GPS pentru raportarea locației, dar foarte util în special pentru sincronizarea în rețea a timpului.

Accesul la sistemul CompactRIO se face prin intermediul conexiunii Ethernet între modul și portul Ethernet de pe șasiul CompactRio.

Figura 49 – Sistem de control la distanță

Monitorizarea consumului de resurse într-o anumită locație

Într-o locuință personală, una dintre responsabilitățile noastre este de a ne asigura că nu se realizează risipă de resurse. Acest lucru se poate face prin monitorizarea consumurilor, pe intervale de timp bine stabilite, pentru ca mai apoi aceste date să fie centralizate și inserate în rapoarte. Pe baza acestor rapoarte se pot realiza comparații, se pot realiza șabloane de consum normal de resurse, iar când consumul se situează în afara șablonului, locatarul va fi avertizat.

Pot fi monitorizate cu ușurință consumul de apă, consumul de energie electrică și consumul de gaze naturale asa cum se poate observa în Figura 50 – Sistem monitorizare consumuri.

În cazul măsurării consumului de energie electrică vor mai intra în schemă și transformatoare de măsură de curent, care să ajusteze nivelele semnalelor la intrare cu gama de lucru a modului de intrări analogice NI 9207.

Figura 50 – Sistem monitorizare consumuri

Toate informațiile culese de la diferiți senzori plasați în locuință, pot fi stocate pe medii de stocare externă, așa cum se poate observa în Figura 51 – Sistem de stocare date.

Figura 51 – Sistem de stocare date

Prezentare în LabView

O materializare grafică în aplicația LabView, a unei părți sistemele automate prezentate în acest capitol poate fi observată în următoarele trei figuri. Trebuie menționat faptul că s-au efectuat analogii între controalele și indicatoarele utilizate în mod real și ceea ce este disponibil în aplicație. Activarea canalelor s-a reprezentat prin comutatoare manuale, potențiometre sau câmpuri de numere întregi, iar comenzile primite s-au reprezentat prin LED-uri, scală de măsură și fișiere de tip tabelar.

Mai întâi, în Figura 52 – Schema bloc a sistemului de acces, am reprezentat 5 tipuri de acces: accesul prin recunoaștere de imagini, accesul prin telecomandă, accesul prin comenzi de pe telefon, accesul prin iButton și accesul prin coduri de acces. Se poate observa în cazul solicitării accesului în casă că după trei încercări eșuate de autentificare se va activa sistemul de alarmare și în același timp se vor transmite informații către proprietar prin intermediul unei conexiuni GPRS sau 3G. Având în vedere diversitatea de posibilități de acces, este nevoie de utilizarea unor funcții logice de tipul OR.

Figura 52 – Schema bloc a sistemului de acces

În ceea ce privește schema bloc a sistemului de automatizare pentru creșterea confortului și asigurarea securității locuinței, în Figura 54 – Schema bloc a automatizărilor specifice unei camere de locuit s-au reprezentat o parte dintre echipamentele și legăturile specifice unei singure camere.

S-a ținut cont mai întâi de preferințele în materie de iluminat interior. Pentru aceasta s-au creat un comutator care precizează tipul de iluminat preferat la un anumit moment, un senzor de prezență și un comutator de activare sau dezactivare a acestui senzor, precum și un senzor de intensitate luminoasă pe baza căruia storurile să fie deschise sau închise mai mult sau mai puțin. S-a făcut uz de funcții logice de tipul AND, OR și NOT pentru a permite aprinderea unui LED, a două LED-uri sau a celortrei LED-uri, în funcție de poziția comutatorului de preferință prezentat în Figura 53 – Comutator preferințe iluminare.

Figura 53 – Comutator preferințe iluminare

Figura 54 – Schema bloc a automatizărilor specifice unei camere de locuit

Pentru asigurarea confortului termic s-au considerat utile 4 comutatoare cu rol de stabilire a temperaturii interioare și exterioare, respectiv de stabilire a sursei de încălzire și un comutator general pentru casă, și un senzor pentru determinarea umidității din cameră. Pentru stabilirea confortului termic se va acționa în funcție de situație: asupra unei electrovalve la vana de încălzire centrală, asupra unui radiator electric sau asupra unui sistem de climatizare.

Figura 55 – Comutatoare preferințe confort termic

Mai departe s-au materializat și câte un senzor de efracție, de fum, de seism și de gaze care să acționeze în scopul pornirii sistemului de alarmare, respectiv pentru oprirea alimentării cu gaze și energie electrică, și în caz de nevoie pentru pornirea aspersoarelor de incendiu.

Figura 56 – Sistem de monitorizare

În Figura 56 – Sistem de monitorizare s-a realizat un sistem de monitorizare a consumului de apă, gaze și energie electrică. În cazul consumului de energie electrică, pe lângă consumul total s-a luat în calcul și necesitatea stabilirii consumului separat pe anumite echipamente. Schema propune realizarea monitorizării continue a consumurilor cu consemnarea zilnică a acestora într-un fișier de tip Excel.

CONCLUZII

Scopul acestei lucrări a fost acela de a prezenta un sistem de monitorizare și control folosind CompactRIO.

S-a început mai întîi prin prezentarea în primul capitol a problemelor generale despre sistemele automate. S-a făcut referire la diferite criterii de clasificare a sistemelor automate, pentru ca mai apoi să se detalieze pe rând cele două tipuri de sisteme din titlul lucrării, sistemul de monitorizare și sistemul de control. La finalul capitolului I adus în discuție principalele sisteme industriale de control și chiar de monitorizare: sistemele SCADA, sistemele cu control distribuit și automatele programabile.

În cel de-al doilea capitol s-a intrat mult mai adânc în problematica prezentei lucrării, aducând în discuție sistemul CompactRIO cu modulele disponibile și avantajele unui FPGA. În prealabil s-au prezentat pe rând și alte tipuri de sisteme modulare de monitorizare și control, care pot efectua diferite sarcini.

Ultimul capitol, reprezintă partea aplicativă a prezentei lucrări de licență și contribuția proprie la această lucrare. Am considerat că un mod sugestiv de a demonstra capabilitățile sistemului CompactRIO este acela de a prezenta modul practic de utilizare al diferitelor module, în cadrul unor scheme bloc generale ce sintetizează sistemele de automatizare ale unei locuințe. La finalul capitolului am ilustrat și modalitatea de programare a unor sisteme de monitorizare și control prin intermediul mediului de programare LabView.

Cred că am reușit să abordez în prezenta lucrare tot ceea ce era necesar pentru a demonstra la nivel de concepte, capabilitățile sistemelor embedded CompactRIO. Aceste sisteme pot fi personalizate prin multitudinea de module ce pot fi atașate, ceea ce am prezentat eu în lucrare fiind doar o mică parte din posibilitățile nenumărate ale sistemului CompactRIO. Există de asemenea terți producători care comercializează module compatibile și agreate de cei de la National Instruments.

Aceste sisteme pot fi conectate între ele într-o rețea, și astfel pot înlocui sistemele clasice de monitorizare și control.

Realizarea unui sistem de monitorizare și control cu ajutorul CompactRIO presupune în primul rând cunoașterea posibilităților de lucru a echipamentului și a modulelor atașabile, iar în al doilea rând o foarte bună cunoaștere a mediului de lucru LabView, aceasta fiind de altfel și partea cea mai dificilă. Dacă în primul caz totul constă în conectarea fizică a echipamentelor, la partea de programare trebuie înțelese mecanismele de lucru ale limbajului și bibliotecile necesare punerii la lucru a modulelor.

Sistemul de monitorizare și control prezentat în această lucrare poate și urmează să fie implementat practic cu echipamentele CompactRIO disponibile.

BIBLIOGRAFIE

Matei Vînătoru, Conducerea automată a proceselor industriale, vol. 1, Ed. Universitaria, Craiova, 2001

Ciontu Marian, Sisteme de monitorizare, Craiova

Catedra de automatică, Disciplinele IRA și Sisteme Automate – Note curs rezumat partea 1, Universitatea din Craiova – Facultatea de automatică, Calculatoare și Electronică, Craiova, 2009

Keith Stouffer, Joe Falco, Karen Kent, Guide to Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) and Industrial Control Systems Security – Recommendations of the National Institute of Standards and Technology, National Institute of Standards and Technology, 2006

Constantin Cercel, Contribuții la implementarea sistemelor avansate de conducere și monitorizare a proceselor industriale – Teză de doctorat, București, 2013

Helen Beecroft, Jim Cahill, Fundamentals of Distributed Control Systems/Digital Automation Systems(extras din Fundamentals of Industrial Control, 2nd Edition, Copyright 2005, ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society)

www.shiva.pub.ro/PDF/SCI/Modul_4_Structuri_de_sisteme_de_conducere.pdf

Bratu Cristian, Microprocesoare și automate programabile – Note de curs, Universitatea din Craiova

Xilinx Spartan-3 FPGA Family Data sheet – DS099, 27 Iulie 2013

National Instruments FPGA learning fundamentals

Specificațiile producătorului pe site-ul web www.ni.com