Stand de automatizare didactic și experimental a l procesului de dozare lichid prin reglarea temperaturii și menținerea nivelului Absolvent George… [609371]
Universitatea Politehnica București
Facultatea de Automatică și Calculatoare
Departamentul de Automatică și Ingineria Sistemelor
LUCRARE DE LICENȚĂ
Stand de automatizare didactic și experimental a l
procesului de dozare lichid prin reglarea
temperaturii și menținerea nivelului
Absolvent: [anonimizat] 2018
I CUPRINS
LISTĂ DE FIGURI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… III
LISTĂ DE TABELE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… V
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 6
CAPITOLUL I ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 9
Sisteme de reglare automată ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 9
1.1 Noțiuni introductive ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 9
1.2 Proiectarea sistemelor de reglare automată ………………………….. ………………………….. 10
CAPITOLUL II ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 12
Automate programabile ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 12
2.1 Introducere în automate programabile ………………………….. ………………………….. ……. 12
2.2 Schneider M221 PLC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 14
2.2.1 Conexiune PLC -PC ………………………….. ………………………….. ………………………….. 14
2.3 Mediul de programare SoMachine Basic ………………………….. ………………………….. …. 15
2.4 Interfața om -mașină EasyBuilder Pro ………………………….. ………………………….. ……… 17
CAPITOLUL III ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 20
Descriere platformă și funcționarea acesteia ………………………….. ………………………….. …………. 20
3.1 Arhitectura de principiu ………………………….. ………………………….. ………………………….. 20
3.2 Componentele hardware principale ale platformei de lucru ………………………….. ….. 24
3.3 Noțiuni generale echipamente electrice utilizate ………………………….. ……………………. 25
3.3.1 Alcătuirea și rolul pornirii de acționare ………………………….. ………………………….. .. 25
3.3.2 Motoarele de curent alternativ ………………………….. ………………………….. …………….. 25
3.3.3 Convertizoare de frecvență ………………………….. ………………………….. …………………. 27
3.3.4 Relee ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 27
3.3.5 Senzorii, elemente de feedback ………………………….. ………………………….. ……………. 27
3.4 Descrierea elemntelor de execuție ale platformei de lucru ………………………….. …….. 29
3.4.1 Pompă de apă ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 29
3.4.2 Ansamblul motor -bandă t ransportoare ………………………….. ………………………….. .. 31
3.4.3 Convertizoarele ATV12 ………………………….. ………………………….. ………………………. 32
3.4.4 Electroventilul EV.101 ………………………….. ………………………….. ………………………… 34
3.4.5 Electroventilul EV .102 ………………………….. ………………………….. ………………………… 35
3.4.6 Rezistența pentru încălzire R.101 și se nzorul PT100 ………………………….. …………. 35
3.4.7 Starea elementelor de acționare pentru funcțiile procesului ………………………….. 37
II 3.5 Descrierea taductoarelor platformei de lucru ………………………….. ……………………….. 37
3.5.1 Senzori capacitivi de proximitate ………………………….. ………………………….. …………. 37
3.5.2 Senzor fotoelectric pentru detectarea prezenței ………………………….. ………………… 38
3.6 Alte elemente ale platformei ………………………….. ………………………….. ……………………. 38
CAPITOLUL IV ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 43
Descriere proces -scenarii de funcționare, specificații, cerințe ………………………….. …………….. 43
CAPITOLUL V ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 45
Implementarea software a soluției de automatizare ………………………….. ………………………….. . 45
5.1 Program automat ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 45
5.1.1 Citire și scalare senzori ………………………….. ………………………….. ……………………….. 45
5.1.2 Controlul temperaturii – regulator bipozițional ………………………….. …………………… 46
5.2 Interfața grafică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 48
CAPITOLUL VI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 52
Analiză funcționare , rezultate grafice obținute, concluzii și perspective de cercetare ………. 52
6.1 Analiză funcționare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 52
6.2 Analiză rezultate grafice ………………………….. ………………………….. ………………………….. 53
6.3 Concluzii și posibile perspective de cercetare ………………………….. ………………………… 55
ANEXA A – Schema electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 56
ANEXA B – Codul programului ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 61
ANEXA C – Date tehnice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 72
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 77
LISTĂ DE FIGURI
III
Figura 1.1 –Schema unui proces ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 9
Figura 1.2 –Schemă sistem buclă deschisă ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 9
Figura 1.3 –Schemă sistem buclă închisă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 9
Figura 1.4 –Organigramă proiectare sistem de reglare ………………………….. ………………………….. …………….. 10
Figura 2.1 –Schemă internă a unui automat programabil ………………………….. ………………………….. …………. 12
Figura 2.2 –Ciclu scanare program automat ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 13
Figura 2.3 –Schneider TM221ME16T ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 14
Figura 2.4 –Configurație Ethernet M221 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 15
Figura 2.5 –Secțiuni SoMachine Basic V1.6 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 16
Figura 2.6 –Arhitectură SCADA ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 17
Figura 2.7 –Setare comunicație aplicație interfață -PLC ………………………….. ………………………….. …………….. 17
Figura 2.8 –Secțiuni i nterfață EasyBuilder Pro ………………………….. ………………………….. …………………………. 18
Figura 2.9 –Exemplu scriere Macro ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 19
Figura 3.1 – Schema de principiu a instalației ………………………….. ………………………….. ………………………….. 20
Figura 3.2 – Instalație implementare fizică – vedere dinspre rezervoare ………………………….. ……………….. 22
Figura 3 .3 – Instalație implementare fizică – vedere dinspre banda transportoare ………………………….. … 23
Figura 3.4 – Componentele motorului de curent alternativ ………………………….. ………………………….. …….. 26
Figura 3 .5 –Schema senzorului capacitiv ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 28
Figura 3.6 –Schema senzorului fotoelectric ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 28
Figura 3.7 – Pompa de apă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 29
Figura 3 .8 – Ansamblu valve manuale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 30
Figura 3 .9 –Convertizor pompă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 30
Figura 3 .10 –Motor bandă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 31
Figura 3 .11 – Bandă transportoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 32
Figura 3 .12 – Convertizoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 33
Figura 3 .13 – Comunicație Modbus Master -Slave ………………………….. ………………………….. ………………….. 33
Figura 3 .14 –Configurație Serial Line ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 34
Figura 3.15 –Electroventilul EV.101 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 34
Figura 3.16 – Electroventilul EV.102 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 35
Figura 3 .17 –Rezistența R.101 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 36
Figura 3.18 –Senzor de temperatură B.114 ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 36
Figura 3 .19 –Senzori nivel B.101 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 37
Figura 3 .20 – Senzori nivel B.102 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 37
Figura 3 .21 –Senzor de prezență B.113 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 38
Figura 3.22 –Siguranțe și disjunctoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 38
Figura 3 .23 – Disjunctorul QE.4 dimensionare ………………………….. ………………………….. ……………………….. 39
Figura 3 .24 –Modul relee ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 40
Figura 3.25 –Sursă de tensiune ………………………….. ………………………….. ……………. 40
Figura 3 .26 –Conexiuni clemă X.4 ………………………….. ………………………….. ………….. 41
Figura 3.27 – Conexiuni clemă X.5 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 42
Figura 3.28 – Modul butoane ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 42
Figura 5 .1 – Achiziție valoare temperatură ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 45
Figura 5.2 –Taguri intrări PLC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 45
Figura 5.3 –Sistem de reglare bipozițional ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 46
LISTĂ DE FIGURI
IV
Figura 5.4 –Comandă pentru bipozițional ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 47
Figura 5.5 –Răspunsul sistemului la intrare treaptă ………………………….. ………………………….. ……………….. 47
Figura 5.6 –Interfața grafică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 48
Figura 5.7 –Pop-up comandă manuală ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 49
Figura 5.8 –Fereastră istoric alarme ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 50
Figura 5.9 –Fereastră grafic temperatură ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 50
Figura 6.1 –Grafic stabilizare temperatură la 45 °C ………………………….. ………………………….. …………………. 52
Figura 6.2 –Grafic stabilizare după perturbație ………………………….. ………………………….. ……………………… 53
Figura 6.3 –Grafic stabilizare 40 °C după adăugare lichid rece ………………………….. ………………………….. ….. 54
V LISTĂ DE TABELE
Tabel 3.1 –Caracteristici tehnice ale pompei de apă ………………………….. ………………………….. ………………. 29
Tabel 3.2 –Caracteristici tehnice ale motorului benzii ………………………….. ………………………….. …………….. 31
Tabel 3 .3 – Stare alemente de acționare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 37
Tabel 3.4 – Comandă relee ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 39
Tabel 3.5 – Conexiuni clemă X.5 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 41
Tabel 5.1 – Animații culori elemte de execuție ………………………….. ………………………….. ………………………. 49
Tabel 5.2 – Animații culori elemte de feedback ………………………….. ………………………….. ……………………… 49
Stand de automatizare didactic și experimental
Introducere
6
Introducere
În cele ce urmează, lucrarea propune realizarea unei analize asupra
soluțiilor ce vizează automatizarea unui stand experimental ,însă pentru acest lucru
este necesar un limbaj de plecare comun.
Astfel, exprimăm faptul că automatica și automatizarea ca două noțiuni
strâns legate , asigură condițiile pentru desfășurarea unor procese fără preze nța
operatorului uman, folosind î n acest sens mijloace create de operatorul uman.
Putem spune că există o creștere a importanței pe care o ocupă
automatizările în evoluția tehnologică, ele extinzându -se și fiind implementate chiar
și în mediul cazni c, în uzul cotidian.
Păstrând însă cadrul domeniului industrial și accentuând liniile exprimate
mai sus, constatăm că s-a atins u n anumit nivel de automatizare încât putem gândi
spre autonomie. Așa au apă rut sisteme le autonome, sistemele adaptive, siteme ce
încearcă să se adapteze co ntinuu la contextul în care evoluează, compensâ nd
efectele unor interacțiuni cu mediul . În acest context compex, s -a pus problema
utiliză rii unor metodologii inteligente , astfel încâ t nivelul de autonomi e al unui
sistem de cond ucere să fie câ t mai ridicat.
De fapt, scopul pe care îl urmă rim este ca sistemele pe care le construim să
aibă o anumită comportare, o comportare impusă, ș i de aici neces itatea ca în timp
să dobândească capacitatea să se reconfigureze . Când dezvoltă m asemenea
sisteme , ne gandim la dezvoltarea unor arhitecturi cu grad ridicat de autonomie.
Autonomia este asigurată prin nivelul de inteligență pe care il deține acel sistem, iar
în mod natural acest lucru se reflectă în capacitatea pe care o au elementele
interconectate ce compun sistemul.
Astazi am ajuns în punctul î n care orice sistem complex de automatizare se
află î ntr-un cadru de interconectare a tuturor elemen telor de conducere a
procesului : elemente sensibile, de execuție și interfețe om -mașină . Deci putem
vorbi despre sisteme inginerești ce sunt permanent monitorizate î n timpul
funcționării, coordonate și controlate de sisteme complexe de calcul și comunicații.
Elementele discutate până acum pun în evidență în principal gradul de
autonomie pe care îl au sistemele automatizate, însă acestea își aduc aportul și în
termeni de creștere a productivității și siguranța în operarea producției.
Dezvoltarea industrială în contextul actual, aduce împreună atât ingineri
automatiști cât și inigineri tehnologi, ce caută noi soluții pentru optimizarea
proceselor din producție și amplificarea gradului de siguranță la nivelul operării cu
echipamentele.
Stand de automatizare didactic și experimental
Introducere
7
Această lucrare prezintă modalități de abordare pentru rezolvare a unei
probleme de automatizare ce include componentă software, mediile de comunicație
și arhitectura hardware aleasă. Dezvoltarea și alegerea temei a fost inspirată de
experiența acumulată în ultimii doi ani de facultate, atât în mediul universitar, cât și
lucrând în mediul industrial.
Instalația prezentată în lucrarea de față are ca scop formarea profesional ă
și practicarea metodelor de automatizare ș i de comunicații în desfășurarea
proceselor tehnologice.
Sistemul ce a rezultat este destinat să răspund ă la cât mai multe aplicații
din domeniul industrial. Un asemenea sistem face posibilă formarea și
perfecționarea profesională din domeniu l automatizărilor , realizarea îmbinării
componentelor hardware și software ale instalației reprezentând scopul didactic al
proiectării .
Modul în care s-a proiectat platforma asigură câteva posibilități de reglare
automată, la care pot fi aduse și alte scenarii prin adăugarea de componente
hardware ce le -ar putea face posibile . Mai mult decat atât, această arhitectură
permite și monitorizarea parametril or proceselor ce au loc .
Un astfel de sistem, trebuie în primul rând să respecte normele și
standardele din domeniu. De asemenea, este necesar să asigure un suport tehnic
minimal în modul de lucru cu instalația.
Standul didactic și experimental în configurația actuală poate fi folosit pentru
Reglarea temperaturii lichidului din proces
Dozarea lichidului în recipiente până la umplerea acestora
Menținerea nivelului lichidului în rezervoare
Dezvoltarea instalației experimentale s -a realizat în două mari etape :
– proiectarea sistemului global
– realizarea practică
Realizarea practică are la rândul ei doi pași în următoarea ordine :
– implementarea hardware a ansamblul ui prin :
• dimensionare
• instalarea componentelor electronice
• instalarea componentelor mecanic e
– implementarea aplicației software pentru instalație :
• aplicația de comandă, control și monitorizare
• interfața cu utilizatorul
Debutul lucrării este constituit de o scurtă prezentare a conceptului de
sistem de reglare automată. Sunt prezentate structurile ce pot fi abordate din
această perspectivă în soluțiile de automatizare și este prezentat algoritmul de
proiectare al unui sistem de reglare automat.
În capitolul doi am pus în evidență carcateristicile de funcționare ale
automatelor programabile și am p rezentat particularitățile automatului folosit în
Stand de automatizare didactic și experimental
Introducere
8
cadrul lucrării (Schneider M221). De asemenea, am încercat familiarizarea cu mediul
de programare al interfeței grafice (EasyBuilder Pro) și al programului de control din
PLC (SoMachine Basic).
Capitolul t rei descrie detaliat componentele hardware ale platformei de lucru
și funcționarea acesteia. În prima parte a acestui capitol sunt prezentate elementele
de execuție, iar în cea de a doua elementele sensibile.
Capitolul patru aduce în prim -plan scenariile de funcționare ale platformei
după care trebuie implementată aplicația de comandă și control. Tot aici sunt
menționate și cazurile de incapacitate ale instalației, în care funcționarea unor
elemente trebuie oprită imediat.
În capitolul cinci se evidențiaz ă componenta software și modul în care
aceasta a fost implementată. Este explicat modul de citire și scalare al valorilor
provenite de la senzori, algoritmul de implementare al regulatorului bipozițional
pentru temperatură și fiecare element disponibil pe interfața grafică.
Rezultatele modului de funcționare al întregului ansamblu prin îmbinarea
hardware -ului cu software -ul va fi subiectul constituit de capitolul șase. Tot aici sunt
analizate graficele cu evoluția mărimii de reglare. În ultima secțiune a a cestui
capitol vor fi prezentate concluziile și posibilele perspective de cercetare în vederea
îmbunătățirii platformei.
9 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL I
Proces
Proces
C
Proces
C
Traductor
CAPITOLUL I
Sisteme de reglare automată
1.1 Noțiuni introductive
Reglarea automată se poate realiza având în centru mai multe componente
interconectate, ce formează un sistem, asigurând în același timp un comportament
dorit al acestuia. Pentru a realiza controlul și analiza sistemului avem nevoie de o
relație cauză -efect între componente . Reprezentarea unui astfel de sistem prin
blocuri este realizată în figura următoare:
Această relație cauză -efect este reprezentată chiar de relația intrare – ieșire.
În interiorul procesului se realizează o prelucrare a semnalului de intrare și apoi este
obținut semanlul de ieșire. O valoare dorită a ieșirii poate rezulta doar dacă înainte a
procesului este pus un regulator. O astfel de configurație fără feedback -ul ieșirii
întors la intrare, poartă numele de sistem în buclă deschisă.
Pentru a se putea obține un grad mai mare de autonomie, în schema
anterioară, a fost introdus un feedback. Acest lucru se traduce prin masurarea ieșirii
cu un traductor și implicarea acesteia în referința primită de regulator. Din referinșa
setată este s căzută valoarea măsurată, iar rezultatul adică eroarea intră în
compensator determinând valoarea comenzii către proces. Acest tip de sistem
poartă numele de sistem în buclă închisă.
Intrare u
Ieșire y
Figura 1.1 Schema unui proces
Referință u
Ieșire y r
Figura 1.2 Schem ă sistem buclă deschisă
Referință u
Ieșire y r
+
–
e
Figura 1.3 Schema sistem buclă închisă
10 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL I
Sistemele de reglare trebuie sa ofere o flexibilitate cât mai mare soluțiilor de
automatizare, dar în același timp trebuie să fie robuste, să urmărească referința și
să rejecteze perturbațiile. În acest sens s -au creat mai multe structuri de reglare
automată , complexitatea sistemelor fiind una din ce în ce mai mare. Dintre aceste
structuri voi aminti:
– structura de reglare cu un grad de libertat e (prezentată în figura 1.3)
– structura de reglare cu două grade de libertate
– structura de reglare cu trei grade de libertate
– structura de reglare în cascadă (mai multe puncte de măsură)
– structura de reglare cu model intern
1.2 Proiectarea sistemelor de regla re automată
Identificarea variabilelor controlate
Definire cerin țe performanță
Obținere model
proces(actuator și senzor)
Alegere regulator și acordare parametrii Stabilirea configura ției sistemului și
identificarea actuatorilor
Finalizare proiectare Rezultatele
sunt conform
cerin țelor Stabilire obiective
Figura 1.4 Organigramă proiectare sistem de reglare
11 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL I
În organigrama precedentă este descris procesul de proiectare al unui
sistem de reglare automată. Obiectivele principale sunt constituite de obținerea unei
configurații robuste pentru sistemul de automatizare și respectarea cerințelor de
performanță prin identificarea corectă a parametrilor esențiali în reglare.
Pentru început este necesară stabilirea obiectivelor de reglare în funcție de
ce mărimi fizice avem nevoie să controlăm. Apoi se trece la analiza exactității pe
care trebuie să o aibă rezultatele obținute (cerințe de performanță). De aici rezultă
implicit nevoia de a determina timpul senorilor și al actuatorilor având în vedere
marimea controlată și procesul. Acestea trebuie alese astfel încât să ajusteze cât
mai optim și eficient performanțele procesului. Pentru a putea acorda parametrii
regulatorului ales este nevoie de modele matematice atât pentru elemtele de
execuție cât și pentru cele de feedback. În cazul în care cerințele de performanță
impuse nu sunt îndeplinite la finalul acestor pași, se reia procesul, alegându -se alte
elemente de execuție sau alte traductoare mai performante astfel încât soluția să
atingă obiectivele reglării.
12 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
CAPITOLUL II
Automate Programabile
2.1 Introducere în automate programabile
În ceea ce privește aplicațiile de comandă, e voluția tehnologică a atras după
sine înlocuirea circuitelor logice cablate , cu dispozitive electronice programabile
numite automate programabile. Acestea au o structură și o fucționalitate specifică ,
luând decizii pe baza unui program și oferind comenzi către ieșiri. Deci principiul pe
care se bazează activitatea unui asemenea dispozitiv este de verificare a stării
intrărilor și în funcție de acestea, comandă ieșirile . Rezultatele obținute sunt cele
dorite în funcție de programul introdus de utlizator. Intrările și ieșirile pot fi semnale
analogice (tensiune sau cu rent conform standardelor) și semnale digitale (sau
discrete : 0 sau 1, on sau off).
Componentele unui automat programabil sunt în principiu circuite de
recepționare a datelor de intrare, memorie și unitate centrală de procesare. Acesta
dispune și de ceasuri interne, numărătoare, regiștrii.
Modulele de intrare conțin unul sau mai multe circuite de intrare. Acestea
există fizic, sunt conectate cu echipamente externe și recepționează semnale de la
comutatoare, senzori și alte dispozitive. Semnalele citite pot fi de două tipuri,
digitale sau analogice. De regulă, circuitele de intrare sunt implementate cu relee
sau tranzisto ri.
În general, modulele de intrare sunt circuite ce primesc semnale direct de la
senzori, limitatoare și alte dispozitive. Aceste echipamente există fizic și sunt
construite cu relee sau tranzistori. Modulele de ieșire respectă aceleași caracteristici,
dar transmit semnale către echipamente le externe , elementele de execușie cu care
sunt conectate.
Figura 2.1 Schema internă a unui automat programabil
13 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
Elementele ce compun unitatea centrală sunt procesorul, diferite memorii și
unitatea de calcul aritmetic. Capacitățile acestor elemete influențează performanțe le
generale și costul automatelor programabile. Instrucțiunile din programul
automatului sunt executate de procesor folosind o memorie RAM, iar programul
propriu -zis este înmagazinat într -o memorie de tip Flash.
Regiștrii asociați atât intrărilor fizice c ât și ieșirilor memorează valoarea
semnalului sau comenzii, în formă binară. Pentru cele digitale este nevoie doar de
un bit din registru, pe când pentru cele analo gice sunt necesari mai mulți biț i pentru
memorarea valorilor numerice.
Regiștri interni sunt de fapt niște biți ce simulează releele pe care le -au
înlocuit. Dintre aceștia există unii care sunt deschiși doar o dată la prnire pentru a
inișializa datele memorate de către PLC.
Counter -ele și timer -ele sunt simulate doar la nivel software. Primele pot
număra impulsuri atât crescător cât și descrescător, iar cele din urmă contorizează
trecerea timpului, putând să fie setate de la milisecunde la minute.
Funcționarea a utomatelor programabile se face prin scanarea permanentă a
programului urmând 3 paș i importanți :
Citirea intrărilor constă în verificarea stării intrărilor și
actualizarea regiștrilor asociați lor prin preluarea în formă binară
a valorilor citite
Executarea programului de control se realizează prin efectuarea
logicii implementate în fucție de intrarile citite și scrierea în
regiștrii de ieșire a valorilor obținute
Actualizarea ieșirilor are la bază pasul anterior, utilizând valorile
binare din regiștrii de ieșire pentru a seta starea ieșirilor fizice.
Figura 2.2 Ciclu scanare program automat
14 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
Timpul de răspuns al unui automat reprezină durata ăn care s -au executat
acești trei pași, adică un ciclu. Acesta depinde de cele mai multe ori de performanța
procesorului PLC -ului, de numărul de intrari, de numărul de ieși ri și complexitatea
programului implementat de utilizator.
2.2 Schneider TM221 ME16T PLC
Acest automat programabil din gama Schneider are 8 intrari discrete,
respectiv 8 ieșiri discrete. Timpul de execuție pentru trecere a unui bit din 0 în 1 sau
invers este în medie de 35 µs. Comunicația între PC și automat se poate realiza prin
Modbus TCP sau Ethernet/IP. Acesta dispune și de un slot mico -usb prin care se
realizează u pdate -ul de firmware.
În imagine putem vedea 2 module adiționale folosite, unul cu 16 intrari
digitale, iar celălalt cu 16 ieșiri digitale.
De asemenea, se pot observa led -urile ce indică parametrii de funcționare și
cele ce indică ieșirile și intrările active.
2.2.1 Conexiune PLC -PC
Conexiunea între PLC și PC pentru download -ul programului implementat și
pentru realizarea configurației se face prin Ethernet. Acest lucru se realizea ză
aducând în același range adresele IP ale celor două dispozitive.
Figura 2.3 Schneider TM221ME16T
Comunicație
Modbus
Comunicație
Ethernet Power
Run
Error
SD card Intrari
Serial
Line Ieșiri
15 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
Necesitatea acestei conexiuni nu constă doar în descărcarea programului, ci
și în conectarea automatului cu aplicația ce va fi realizată pentru interfața grafică.
Mai mult decât atât, prin vizulizare online a ceea ce se execută în program în timpul
funcționării instalației, putem face debugging logicii din program.
Configurația pentru acest tip de comunicație este prezentat în figura
următoare.
2.3 Mediul de programare SoMachine Basic
SoMachine Basic este aplicația realizată de compania Schneider pentru
programarea PLC -urilor produse de ei. În acest program se pot realiza operații
precum :
– configurarea modulelor hardware și a tipurilor de comunicație;
– dezvoltarea codului și modificarea acestui a;
– vizualizarea comportamentului componentelor sistemului î n timpul
funcționării
Interfața acestui mediu de programare are 5 secțiuni majore pe care le voi
descrie pe scurt în conti nuare :
– Secțiunea Proprietăți are ca scop asocierea în linii generale a datelor
proiectantului și ale programului
– Secțiunea Configurare este locul unde se realizează configurarea
modulelor hardware și a tipurilor de comunicație folosite
Figura 2.4 Configurație Ethernet M221
16 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
– Secțiunea Programare constituie spațiul de deszvoltare al programului ce
va fi În cărcat în automatul programabil
– Secțiunea Afișare are rolul de a configura legătura cu un echipament de
afișare tot din gama Schneider și realizarea unei interfețe sumare
– Secțiunea Punere în funțiune este cea care conectează calculatorul la
automatul programabil și apoi se pot realiza operații precum descărcarea
programului în automat sau încărcarea acestuia din automat. De
asemenea această secțiun e dispune și de un simulator foarte util pentru
verificarea programului în lipsa unui automat programabil.
Structura task -urilor este una arborescentă, foarte ușor de construit și
modificat. De asemenea, lângă task -uri avem o serie de instrumente (tools) care ne
ajută în identificarea ușoar ă a elementelor în program (animation table) și la
configurarea elemente lor software utilizate (PID, Timer, Counter, Drive Objects etc.)
Printre a vanatajele a cestui mediu de programare se numără :
– limbaje de programare ce pot fi folosite sunt multiple( Ladder, Structured
Text, Grafcet)
– aplicaț ia poate fi construită modular prin împărțirea în rutine, subrutine, ce
pot fi reutilizate în cadrul programului
– dispune de un set larg de instrucțiuni deja definite pentru utilizare
– pot fi facute modificări în timp ce programul rulează
Figura 2.5 Secțiuni SoMachin Basic V1.6
Instrucțiuni
programare Bară Secțiuni
Împărțire
task-uri
17 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
2.4 Interfața om -mașină EasyBuilder Pro
Aplicația E asyBuilder Pro realizată de Weintek, este un mediu ce permite
dezvoltarea de interfețe de monitorizare și control, fiind ușor și intuitiv de folosit.
Am ales această aplicație întrucât este una free și compatibilă cu o gamă largă de
automate programabile p rin diferite tipuri de comunicație.
În cazul soluției de automatizare propuse am utilizat următoarea
configurație pentru comunicația cu automatul programabil.
Figura 2.6 Arhitectură SCADA
Figura 2.7 Setare comunicație aplicație interfață -PLC
18 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
EasyBuilder Pro oferă programatorului posibilitatea de a crea sisteme solide
în domeniul automatizărilor, punându -i la dispoziție acestuia diverse funcționalități
și flexibilitate în alegerile necesare implementării:
– construirea unor aplicații complexe ce prezintă exact planul fizic al
procesului din câmp
– autentificarea utilizatorilor centralizați în sistem
– monitorizarea completă prin realizarea unui sistem de alarme
– conectarea la aplicație de la distanță, vizualizarea și modificarea acesteia
Orice obiect importat în aplicație vine din biblioteca destinată obiectelor, iar
aici soft -ul dă posibilitatea utilizatorului s ă își adauge obiect e create de el, pe lângă
cele deja predefinite. Legătura dintre adresele din programul PLC -ului și cele
utilizate în înterfață este făcută de tag -uri care se pot defini în biblioteca de adrese.
Figura 2.8 Secțiuni interfață EasyBuilder Pro
Tab-uri ferestre
Biblioteci Instrumente
Configurare
Online m ode
19 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL II
Pe lângă toate acestea în meniul Tools, programul dispune și de posibilitatea
scrierii unor macro -uri prin care să se realizeze diferite operații sau animații pentru
interfață. Acestea su nt script -uri în Visual Basic ce resepectă sintaxa structured text.
Figura 2.9 Exemplu scriere Macro
Posibilitate
execuție
periodică Perioadă de
timp între
execuții
20 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
CAPITOLUL III
Descriere platformă și
funcționarea acesteia
3.1 Arhitectura de principiu
Ansamblul instalației de lucru pune împreună o buclă de reglare în circuit
închis, alaturi de un sistem logic de menținere a nivelului prin recirculare, la care se
adaugă un sistem de dozare și umplere a recipientelor. Deci utilizâ nd un automat
programabil, pot fi realizate individual sau simultan urmatoarele operații :
● reglare temperatură;
● menținere nivel ;
● dozare lichid în recipiente ;
Toate aceste operații sunt realizate cu ajutorul senzorilor digitali sau analogici
și al elementelor de execuție comandate electric.
În figura 3 .1 este prezentat schematic ansambul instalației de automatizare
didactic și experimental, urmat de explicații pentru fiecare dintre componentele
prezente în schemă .
Figura 3.1 Schema de principiu a instalației
21 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
– LS- .102.2 – constituie controlul nivelului indicat și poziționat minim în
rezervorul B.102;
– LS+ .102.3 – constituie controlul nivelului indicat și poziționat maxim în
rezervorul B.102;
– LS- .101.2 – reprezintă controlul nivelului minim din rezervorul B.101;
– LS+ .101.3 – reprezintă controlul nivelul maxim din rezervorul B.101;
– TIC.104 – indică temperatura controlată în rezervorul B101, acest
punct de masură aflându -se pe conducta dintre cele două rezervoare;
– SP.101 – indică prezența recipientelor pe banda transportoatre în locul
în care este poziționat, respectiv sub EV.101 ;
– E.101 – constituie elementul de încalzire al lichidului(rezistența R.101);
– EV.101 – este electrov alvă pentru dozare ;
– EV.102 – reprezintă v alvă pentru recircularea lichidului;
– V.103 ,V104 ,V105 – reprezintă valve manuale.
– B.101 – reprezintă rezervorul poziționat jos, în partea inferioară a
instalației ;
– B.102 – reprezintă rezervorul poziționat mai sus din care se realizează
dozarea, în partea superioară a instalației ;
– P.101 – este pompa centrifugă;
– Motor Banda – este motorul ce pune în mișcare banda transportoare;
Soluția propusă face posibil lucrul cu următo arele funcții pentru utlizarea
operațiilor de care dispune instalația :
• un punct de control a l temperaturii unui siste m cu un semnal analogic
în 0-10V;
• controlul permanent al nivelului cu cinci semnal e digitale
standard (patru pentru senzori și unul pentru EV .102) și un semnal analogic pentru
pompa, cu scopul de a mari sau micșora debitul de lichid pe conductă ;
• controlul permanent al dozării printr -un semnal digital pentru EV.101 ;
22 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Figura 3.2 Instalaț ie implementare fizică – vedere dinspre rezervoare
B.101 B.102
P.101 Motor Bandă TIC.104 EV.102
R.101
23 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Figura 3.3 Instalaț ie implementare fizică – vedere dinspre banda transportoare
24 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.2 Componentele hardware principale ale platformei de luc ru
Am distribuit componentele principale ale instalației astfel:
– Elemente de execuție
– Traductoare
– Alte componente : comandă și siguranță
Elemente de execuție :
• pompă centrifugă P.101
• motor bandă
• un convertizor de frecvență U.11 pentru pompă (Ieșire digitală Q0.1)
• un convertizor de frecvență U.12 pentru band ă (Ieșire digitală Q0.0)
• o electrovalvă EV.101 pentu dozare din rezervor ul superior B.102 (Ieșire
digitală Q0.2)
• o electrovalvă EV .102 pentru curgere a lichidului din bazin ul superior B.102
în cel inferior B.101 (Ieșire digitală Q0.3)
• element de încălzire R.101 aflat în rezervorul B.101 (Ieșire digitală Q0.4)
Traductoare:
• senzor de temperatură PT100 – B.114( Intrare analogică AI0.0)
• 2 senzori S.1, S.2 capacitivi de proximitate care comută când nivelul de
lichid din rezervorul B.101 atinge anumite valori minime sau maxime( Intrare
digitală S.1 I0.0 , S.2 I0.1)
• 2 senzori S.3, S.4 capacitivi de proximitate care comută când nivelul de
lichid din rez ervorul B.102 atinge anumite valori minime sau maxime( Intrare
digitală S.3 I0.2 , S.4 I0.3)
• un sensor de prezență fotoelectric – B.113( I ntrare digitală I 0.7 )
Alte componente:
• PLC Schneider M221 TM221ME16T
• module cu terminale Input /Output
• terminal pentru semnale analogice
• convertor de semnal: PT100 în tensiune
• modul relee (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8)
• cadru profile metalice de montare
• rezervoare pentru lichd 2 buc B.101,B.102 (dime nsiuni) max 16 litri
• valve manuale (V.103, V.104, V.105)
• sistem de conducte cu conexiuni
• siguranțe Schneider (F.1, F.2, F.3)
• disjunctoare Schneider (QE.4, QE.5)
• sursă de tensiune Weidmuller 230V / 24V dc
3.3 Noțiuni generale echipamente electrice utilizate
Proiectul a fost realizat încercând să utilizez un număr de componente
necesar cât mai mic, astfel încât să respecte cerințele și specificațiile impuse încă
de la proiectare în ceea ce privește controlul instalației și monitorizarea datelor
achiziționate.
25 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.3.1 Alcătuirea și rolul pornirii de acționare
Pentru a realiza pornirea oricărei instalații de automatizare este necesară o
grupare a elementelor de protecție și a celor de comandă. Aceste elemente puse în
comun trebuie să asigure funcția de secționare și pe cea de protecție .
În termeni de secționare , se impune ca pentru a putea intervenii asupra
uneltelor și echipamentelor electrice din istalație, să existe anumite mijloace de
izolare electrică a circuitelor de alimentare în raport cu rețeaua electrică generală
de alimentare. În cele mai multe cazuri această funcție este asigurată prin
intermediul unei uși de siguranță și a întrerupatoarelor secționatoare.
Protecția trebuie asigurată față de orice element de origine electrică sau
mecanică deoarece în prezența oricăruia se pot produce incidente. Aceste incidente
ce pot duce nu numai la provocarea de răni umane, ci și la defecțiuni costisitoare
ale instalației, pot fi evitate prin protecția în mod obligatoriu a pornirii la scurt –
circuit și la suprasarcină.
Aceste protecții sunt asigurate prin elemente precum siguranțe de scurt-
circuit și suprasarcină , disjunctoare de scurt-circuit și suprasarcină, relee de
protecție . În continuare voi realiza prezentarea generală a unor elemente de
protecție ce sunt utilizate în implementarea sol uției de automatizare.
Disjunctorul este constituit dintr -un detector de curent ce provoacă
deschiderea contactelor circuitului în momentul în care sesizează că intensitatea
curentului depășește o valoare de reglaj. Această detecție a supra -intensităț ii este
reaizată de relee sau declanșatoare magneto -termice.
Siguranțele reprezintă elemente de comutație ce au rolul de a deschide
circuitul atunci când curentul ce terece prin el depășește un prag dat . Sunt utilizate
la protecția surselor de tensiune , la p rotecț ia elementelor de execuție cum ar fi
motoarelor , rezistențele pentru încălzire sau la diverse alte circuite electrice. Printre
parametrii nominali ce merită menționați sunt :
• Capacitate de rupere
• Curent nominal
• Caracteristica de protectie
3.3.2 Motoarele de curent alternativ
Funcționarea motoarelor de curent alternativ are la bază principiul câmpului
magnetic învârtitor. Aceste motoare sunt de două tipuri: motor de curent alternativ
sincron și motor de curent alternativ asincron. Pentru această lucrare este de
interes cel de al doilea tip menționat.
26 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Elementele din care este alcătuit un motor asincron trifazat:
a. Statorul este cel care produce câmpul rotativ si este reprezentat
de o carcasă cilindrică fixată ș i un circuit magnetic în interior
b. Rotorul poate fi de două feluri și anume rotor bobină ș i rotor în
scrut-crcuit
c. Ventilaț ie
Campul rotativ produs de stator creează o variație a fluxului prin spiră și
induce un curent mare. Deci o rotație a spirei la viteză redusă față de câmpul
învârtitor induce în această spiră mereu un curent.
Un alt element tehnic important pentru orice motor, nu doar pentru cele de
curent alternativ, este placa de identificare pe care se află caracteristicile motorului :
1. Numarul de fabricație
2. Puterea motorului
3. Numărul de rotații pe minut
4. Tipul motorului
5. Indicele d e protecț ie
6. Tensiunea de alimentare
7. Intensitățile în funcț ie de tensiunea de alimentare
8. Frecvența
9. Factorul de putere
Figura 3.4 Componentele motorului de curent alternativ
27 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.3.3 Convertizoare de frecvență
Convertizoarele sunt echipamente de acționare a motoarelor electrice, cu
ajutorul cărora este controlată și comandată variația turației motoarelor de curent
alternativ. Acest control se realizează prin reglarea frecvenței, în sistemele în care
acest lucru este necesar și în stransă legătură cu anumiți parametrii ai sistemului.
Circuitul de comandă și control al convertizorului este construit din trei
nivele : primul nivel redresor , al doilea nivel intermediar pentru filtrarea tensiunii,
iar cel din urmă , un nivel de transformare al curentului continuu în alternativ, cu
tensiune alternativă la diferite frecvențe.
Convertizoarele de frecvență au foarte multe avantaje printre care amintim:
• Controlere PID
• Cartele pentru I/O(Input/Output)
• Interfețe de comunicație (cu protocoale precum Ethernet/IP, Modbus,
Profibus)
• Economisesc energie
• Evită supratensiuni
• Mentenanță redusă
3.3.4 Relee
Elementele de comandă care se regăsesc cel mai des sunt releele. În
instalațiile de automatizare, releele sunt conectete la modulele de ieșiri ale
automatelor programabile, iar închiderea sau deschiderea unui circuit are la bază
comanda dată de un releu. Deci, prin contactele sale, releul face posibil schimbul
unei cantități mari de energie . Din punct de vedere constructiv, acesta are o
carcasă cu rolul de izolare și fixare pe panoul de comandă .
3.3.5 Senzorii, elemente de feedback
Importanța senzorilor în sist emele de automatizare este deosebită întrucât
ei reprezintă modul în care sistemul vede ceea ce se întâmplă la fiecare moment în
proces. Aceștia transformă mărimea primită în semnal electric și transmit către
unitatea centrală datele necesare luării decizi ilor în ciclul automat. Cei mai întâlniți
senzori sunt cei care sesizează prezența unui obiect în raza lor de acțiune sau
mișcarea unui ansamblu mecanic, fluid. Alegerea tipului de senzori folosiți într -un
proces este un pas sensibil și important , reprezen tând unul dintre factorii de bază ai
unei soluții de automatizare reușite. Se poate apela la specialiști în acest domeniu
pentru unele cazuri . În cele ce urmează voi descrie două tipuri de senzori ce au fost
utilizați pentru această platformă :
28 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
a) Senzori capacitivi de proximitate
Din punct de vedere constructiv, senzorii capacitivi dispun de un electrod în
formă de placă cilindric ă. Între a cesta și pamânt rezultă un câmp capacitiv. În mod
normal de funcționare, fără a apărea un obiect în raza de acțiu ne, câmpul format se
menține stabil. Când obiectul se apropie de senzorul capcitiv, se produce o separare
a sarcinilor pozitive și negative ale acestuia . În acest mod are loc atracția sarcinilor
negative ale obiectului de către sarcinile pozitive ale electrodului. Acest proces duce
la creșterea nivelului electrostatic al electrodului.
b) Senzori fotoelectrici
Acest tip de senzori interceptează lumina reflectată prin intermediul unui
receptor, iar prin intermediul emitorului, transmite semnalul luminos. Interpretarea
semnalului luminos receptat este făcută de celula fotoelectrică . De asemenea, la
nivelul senzorului este transformat semnalul luminos în semnal electric. În această
lucrare am utili zat un senzor fotoelectric cu reflexie -difuză, emițătorul și receptorul
aflându -se în componența aceluiași senzor. Semnalul emis se reflectă la nivelul
suprafeței de detecție și este receptat, indicând prezența obiectului.
Figura 3.5 Schema senzorului capacitiv
Figura 3.6 Schema senzorului fotoelectric
29 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.4 Descrierea elementelor de execuție ale platformei de luc ru
3.4.1 Pomp a de apă
Pompa centrifugă P101 este cea care furnizează lichid din rezervorul
B.101prin intermediul unui sistem de conducte, fiind implicată în controlul tuturor
proceselor din sistem. Acest echpament nu trebuie să funcționeze fără lichid,
deoarece în lipsa amorsării se poate defecta .
Pompa de apă este produsă de Calpeda. Motorul acesteia este trifazat,
putându -se observa din datele de pe plăcuță că pornirea se poate face și triunghi –
stea.
Putere 0.33 kW
Turație nominală 2900 rot/min
Debit min./max. 0.38 / 2.4 𝑚3/h
Curent 1.9/1.1A
P.101
Figura 3.7 Pompa de apă
Tabelul 3.1 Caracteristici tehnice ale pompei de apă
30 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
În figura de mai sus putem observa dispunerea valvelor manuale pe
sistemul de conducte în jurul pompei P.101. Acestea ( V.104 și V.105) au rolul de a
izola pompa din sitem în cazul în care este necesară demontarea ei pentru reparație
sau chiar înlocuirea , fără a pierde lichid. De asemenea, prin deschiderea lui V.104 și
V.105 simultan, se realizează scoaterea fluidului din sistem.
Controlul pompei se realizează cu un convertizor de frecvență U.11.
Figura 3.8 Ansamblu valve manuale
P.101 Motor Bandă Valve manuale
U.11
Comunicație
Modbus Reprezintă frecvența
transmisă la pompa
centrifugă
Figura 3.9 Convertizor pompă
Figura 3.9 Convertizor pompă
31 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
În anexa cu date tehnice poate fi regăsită documentația convertizorului de
frecvență ATV12H037 M2 din gama Schneider .
Cu ieșirea digitală Q0.1 care ajunge la releul K4, este comandată pornirea și
oprirea convertizorului care transmite referința la pompă(ca în imaginea de mai
sus). Referința este trimisă din PLC către convertizor prin protocolul Modbus pe
seriala RS485.
3.4.2 Ansamblul motor -bandă transportoare
Banda transportoare este cea care este implicată în procesul de dozare și
realizează deplasarea recipientelor atât înainte de umplere cât și după aceea.
Funcționarea ei este în strânsă legătură cu motorul ce o pune în mișcare . Acest
motor poate funționa în permanență , fără a avea în mod obișnuit vreo posibilitate
externă de defectare.
Motorul este produs de Cbnalmo, este trifazat cu tensiunea de alimentare
400V, putându -se observa din datele tehnice de pe plăcuță următoarele :
Putere 0.18 kW
Turație nominală 1400 rot/min
Curent 0.59 A
Figura 3.10 Motor bandă
Tabelul 3.2 Caracteristici tehnice ale motorului benzii
32 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
După cum se poate observa în cele două figuri anterioare, transmisia de la
motor către bandă se realizează printr -un sistem cu pinioane și lanț . Asemenea
controlului pompei și acest motor are asociat un convertizor de frecvență (U.12)
ATV12H018M2 din gama Schneider. Principiul de funcționare este același cu cel
descris la pompă, de data aceasta însă pornirea convertizorului se face cu ieșirea
digitală Q0.0 conectată la releul K3.
În anexa cu date tehnice poate fi regăsită docume ntația convertizorului de
frecvență ATV12H018M2 din gama Schneider .
3.4.3 Convertizoarele ATV12
Cele două convertizoare folosite din gama Schneider au fost alese în
conformitate cu dimensionarea datelor tehnice ale motorului, respectiv pompei.
După cum se poa te observa în figura următoare, acestea sunt alimentate la
230V, dispun de patru intrări digitale, o intrare analogică și o ieșire analogică. Mai
mult decât atât au și o interfață pentru a comunica cu automatul programabil prin
protocolul Modbus.
U.11 a fo st ales cu o putere de 0.18kW pentru controlul motorului benzii, iar
U.12 a fost ales cu o putere de 0.37kW pentru controlul pompei.
Figura 3.11 Bandă transportoare
33 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
În figura 3.13 este reprezentat modul în care se realizează comunicația
master -slave între PLC și convertizoare, dar și modul în care se configurează pinii
unui conector RJ45 pentru transmiterea semnalelor corect .
O astfel de comunicație în care se pleacă cu magistrala Modbus din PLC și se
trece dintr -un slave în altul (Daisy -chain) necesită totodată și o configurație
specială atât în ceea ce privește seriala PLC -ului, cât și parametrizarea
convertizorului. Convertizorul trebuie parametrizat cu Modbus ca tip de primire a
referinței, la aceeași parametrii de transfer ca ai liniei seriale din PLC, conform
figurii următoare. De asemenea, PLC -ul are nevoie de adresele de slave ale
convertizoarelor pentru a ști cui se adresează și în ce regiștrii scrie.
Figura 3.12 Convertizoare
U.11
U.12
Comunicație
Modbus Alimentare
230V
Intrări
digitale
Figura 3.13 Comunicație Modbus Master -Slave
34 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.4.4 Electroventilul EV.101
Acționarea electoventilului EV.101 este realizată de unitatea de procesare,
acesta fiind deschis și închis prin intermediul ieșirii digitale Q0.2, conectată la releul
K1. Rolul său este acela de a doza lichid în recipiente atunci când acestea ajung sub
el, lucru semnalizat de senzorul de prezenț ă poziționat în proximitate.
Echipamentul de control al evectroventilului se compune din :
1) solenoid
2) supapă sferică din alamă
Solenoidul este din gama Parker alimentat la 230V, cu o putere de 8W, iar Figura 3.14 Configurație Serial Line
Adresele
convertizoarelor
Figura 3.15 Electroventilul EV.101
Solenoid
Supapă sferică din
alamă EV.101
Senzor prezență Recipient
35 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
datele lui tehnice se regasesc în totalitate în anexă. Acesta deschide supapa din
momentul în care recipientul a ajuns sub robinet și până când se produce umplerea
recipientului.
3.4.5 Electroventilul EV.102
Acționarea electoventilului EV.102 este realizată de unitatea de procesare la
fel ca la EV.101, acesta fiind deschis și închis prin intermediul ieșirii digitale Q0.3,
conectată la releul K2. Rolul său este acela de a recircula l ichidul lasându -l la
deschidere, să ajungă din rezervorul superior B.102, înapoi în rezervorul inferior
B.101, prin cădere/curgere liberă. Aici fluidul este din nou încălzit sau doar
recirculat, după caz .
După cum se poate observa și în imaginea de mai sus, caracteristicile sunt
inscripționate pe carcasa solenoidului, EV.102 având aceeași componență și același
mod de funcționare cele descrise la EV.101.
3.4.6 Rezistența pentru încălzire R.101 și senzorul de temperatură PT100
Lichidul din rezervorul B .101 este încălzit cu ajutorul elementului termic
R.101, iar mai apoi este redistribuit în sistem de pompa P .101. Senzorul PT100
situat în punctul TIC 104 pe schema de funcționare , ia temperatura din conductele
de lichid și o transmite continuu către automatul programabil.
Sistemul este proiectat să mențină o temperatură constantă în sistem
pentru a realiza dozarea fl uidului la temperatura dorită. Datorită puterii ridicate a
elementului de încălzire – 2400W și a volumului relativ rdus – 15Litri al recipientului
de încălzire B.101 , vom avea inerție termică ceea ce implică creșterea temperaturii
Figura 3.16 Electroventilul EV.102
B.102
Sens de curgere
spre stânga în
B.101 EV.102 Soleno id
Supapă sferică din
alamă
36 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
lichidului și după oprirea lui R.101
Elementul termic R.101 este controlat (pornit/oprit) cu o ieșire digitală Q0.4
conectată la releul K5. este controlat de un releu intern.
Instrucțiuni de siguranță pentru folosirea elemetului de încălzire prevăzute
și în program
Temperatura maximă să nu depășească 60 °C.
Rezistența R.101 pentru încălzire nu se folosește dacă nu este
scufundată com plet în lichid.
Tensiunea de alimentare a rezistenței R.101 este de 230 VAC, iar perioada
de trecere de la o stare la alta determină caldura primită de lichid. În ceea ce
privește sistemul de reglare, vom folosi un rgulator bipozițional. Posibilele
pertur bații ce pot apărea provin din fluide reci precum gheață și lichid rece din
recipientul superior sau din pierderi de lichid prin deschiderea valvei manuale de
golire.
B.101
R.101
Senzor temperatură
PT100 (B.114) R.101
Figura 3.17 Rezistența R.101
Figura 3.18 Senzor de temperatură B.114
37 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
3.4.7 Starea elementelor de acționare pentru funcțiile procesului
3.5 Descrierea traductoarelor platformei de luc ru
3.5.1 Senzori capacitivi de proximitate
În sistem există patru senzori capacitivi care au rolul de a indica nivelul din
cele două rezervoare. Aceștia sunt montați p e un profil lateral rezervoarelor B.101
și B.102, conform poziției pe care o indică . Alimentarea lor se face la o tensiune de
24V DC și transmit un semnal la PLC când au loc modificări de nivel(maxim/ minim ).
Componentă Menținerea
nivelului Sistem de
dozare Sistemul de
control al
temperaturii
Pomp ă P.101 Element
controlabil Pornită/ Oprită ON
Element de
încălzire R.101 ON/OFF ON/OFF ON/OFF
Electrovalvă
EV.101 Deschisă/
Închisă Deschisă Închisă
Electrovalvă
EV.102 Deschisă/
Închisă Deschisă/
Închisă Deschisă
Valvă manuală
V.103 Închisă Închisă Închisă
Valvă manuală
V.104 Închisă Închisa Închisă
Valvă manuală
V.105 Închisă Închisă Închisă
Motor Bandă Pornit Element
controlabil Pornit
Tabelul 3.3 Stare elemente de acționare
B.101
B.102
S.1
S.2
S.3
S.4
Figura 3.19 Senzori nivel B.101 Figura 3.20 Senzori nivel B.102
38 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Aceste switch -uri capacitive de proximitate (S.1, S.2, S.3, S.4) pot fi
reglate manual în mod mecanic , mărind sau micșorând distanța față de peretele
rezervorului, rotindu -le ca pe un șurub .
Semnal ul de 24 V dat de fiecare dintre senzori este conectat la terminalul
de intrari digitale ale automatului ( I0.0 – I0.3). Fișa tehnică a senzorilor este
atașată în anexă.
Nivelul minim din rezervorul B .101 este indicat de senzorul S.1. La
dezactiv area acestuia, R.101 trebuie să se oprească fiindcă nu va mai fi scufundat
în lichid.
3.5.2 Senzor fotoelectric pentru detectarea prezenței
Acest senzor are rolul de a detecta recipiente la apariția acestora pe bandă.
Semnalul de 24V transmis de el este recepționat de automatul programabil pe
intrarea digitală I0.7. Implicarea lui efectivă este doar în procesul de dozare, fiind
cel care determină oprirea conveiorului sa u nu. Datele tehnice ale acestuia sunt
atașate în anexa specifică.
3.6 Alte elemente ale platformei
Figura 3.21 Senzor prezență B.113 Senzor prezență
Banda transportoare
Figura 3.22 Siguranțe și disjunctoare
39 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Siguranțele sunt din gama Schneider, fișele lor tehnice aflându -se în
anexă.
F.1 și F.3 sunt pentru alimentarea cu curent alternativ , prima este pusă pe
alimentarea generală, pentru un curent de până la 6 A, iar a doua pentru rezistența
de încălzire cu un curent de 4A.
F.2 este utilizată pentru alimentarea circuitului de comandă cu 24V curent
continuu, din sursa automatului. Intensitățile suportate de aceasta sunt de până la
3A.
Cele două disjunctoare QE.4 și QE.5 au rol de protecție al convertizoarelor
și sunt alese conform dimensionării din specificațiile tehnice, chiar la recomandarea
acestora.
Modulul de relee prezentat în figura următoare comandă alături de ieșirile
digitale elementele de execuție astfel :
Ieșiri
digitale Comandă Fir Releu Descriere
Q0.0 ON/OFF
Bandă 3 K3 Start
convertizor
bandă
Q0.1 ON/OFF
Pompă 4 K4 Start
convertizor
pompă
Q0.2 ON/OFF
EV.101 1 K1 Ventil dozare
Q0.3 ON/OFF
EV.102 2 K2 Ventil bypas
bazine
Q0.4 Rezistență
încălzire 5 K5 Start
încălzire
Figura 3.23 Disjunctorul QE.4 dimensionare
Tabelul 3.4 Comandă relee
40 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Modulul de relee este alimentat la 24V DC și dispune de o cuplă cu pini,
fiecare dintre aceștia fiind echivalentul câte unui fir, așa cum descrie tabelul 3.4.
Sursa de tensiune este responsabilă de alimentarea circuitului de
comandă și a senzorilor. Aceasta este alimentată la 230V AC și oferă la ieșire 24V
DC. Conform fișei tehnice atașate, la 24V are un curent de 3A și o putere de 72W.
Clemele au și ele un rol important în origanizarea conectorilor și a
circuitelor electrice în ansamblu. În realizarea platformei didactico -experimentale au
fost folosite două zone de cleme X.4 și X.5. Prima dintre ele (X.4) este destinată
alimentării elementelor de execuție făcând parte din schema de forță . A doua (X.5)
este destinată alimentării senzorilor și captării semnalelor acestora prin distribuția
catre PLC.
Alimentare
modul
Cuplă
Relee
Figura 3.24 Modul relee
Figura 3.25 Sursa de tensiune Output de
24V DC
Alimentare la
230V AC
41 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Pentru clema X.5 este necesar un tabel care să pună în evidență legătura
dintre conexiuni cu etichete și semnalele de intrare în automatul programabil.
Intrări
digitale Senzor Etichetă clemă
I0.0 S.1 1453
I0.1 S.2 1452
I0.2 S.3 1451
I0.3 S.4 1450
I0.4 Semnalizare lampă
start 1455
I0.5 Semnalizare lampă
stop 1456
I0.6 Stop Urgență 2401
I0.7 B.113 1454
Pe lângă această parte de semnale, clema X.5 are o zonă cu alimentare la
24V, marcată cu +1 și eticheta 0220. De asemenea, are o zonă de unde
echipamentele își pot lua minusul marcată cu -1 și eticheta 0221. Firele în întreg
circuitul respectă culorile standard și anume : roșu +24V, albastru null-ul și verde cu
galben ground -ul(GND).
Figura 3.26 Conexiuni clema X.4
Tabelul 3.5 Conexiuni clemă X.5
42 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL III
Modulul de butoane are funcție dublă, prima fiind cea de comandă
Start/Stop a instalației, iar a doua de semnalizare a modului de funcțtionare prin
aprinderea unor lămpi în interiorul butoanelor. Interacțiunea operatorului uman cu
acest modul este esențială pentru funcționarea instalației, fără apăsarea butonului
Start, aceasta nu pornește. Butoanele de Start și Stop sunt contacte normal
deschise, ce ajung la intrările digitale I0.4 și I0.5. Semnalizarea prin aprinderea
lămpilor se realizează cu ieșirile digitale Q0.5 (lampa verde) și Q0.6 (lampa roșie)
ce trec prin clemele cu etichetele 2402, respectiv 2403.
Butonul ciupercă poate fi acționat în orice moment de operatorul uman ,
apăsarea sa conducând la oprirea tuturor elementelor de execuție și implicit la
oprirea funcționării inst alației didactico -experimentale
Figura 3.27 Conexiuni clema X.5
Figura 3.28 Modul butoane Start Stop
Stop
urgență Zonă
alimentare
24V DC Zonă minus Semnale
43 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL IV
CAPITOLUL IV
Descriere proces – scenarii de
funcționare, specificații, cerințe
Așa cum am menționat încă de la începu, am ales această temă întrucâ t
este una de interes în mediul industrial, având o stransă legatură cu domeniul de
lucru al unui inginer de s istem (sinteză și implementare).
Instalaț ia didactico -experimentală are ca scop dozarea unui lichid la o
anumită temperatură setată de către opreatorul uman, î n recipiente ce sunt
transportate pe u n conveior. Acest proces urmează a fi detaliat în următoarele
specificații a le scenariului de funcț ionare:
Pentru a putea fi realizată dozarea , trebuie să fie apăsat butonul de start al
instalației, conveiorul să meargă , temperatura lichidului din rezervorul B .102 să fie
în intervalul +/ -5°C față de cea setată, iar cel puț in senz orul de minim din
rezervorul B .102 să fie activ. În momentul în care senzorul de prezență, montat în
zona de dozare pe bandă se activează (înseamnă ca a detectat u n recipient în
poziție de dozare), electrovalva EV .101 se d eschide pentru un timp definit și umple
recipientul, după care se închide până la detectarea un ui nou recipient. De
asemenea, în timpul dozării conveiorul se opreș te, iar la finalul timpului definit
pentru dozare își reia miș carea. Recipientul ump lut ajunge la capătul benzii pe o
masuță de depozitare de unde este preluat de operatorul uman.
Secvența de încălzire a apei trebuie rulată de fiecare dată când e apăsat
butonul de start al instalației ș i atunci câ nd temperatura li chidului scade sub limita
de -2°C față de cea setată . Această secv ență constă în recircularea lichidului între
cele două rezervoare B .101 ș i B.102 prin deschiderea electroventilului EV .102 ș i
pornirea pompei P .101.
Dacă senzorul de maxim(S .4) din B .102 este activ ș i senzorul de
maxim(S .2) din B.101 nu este activ , atun ci se deschide EV .102, iar la o perioadă
de 30 de secunde de la activarea senzorului de minim(S .1) din B .101, pornește
rezistența de încălzire și pompa P .101, ce duce lichidul încălzit înapoi î n B.102, până
când se atinge setpoint -ul dorit. Apoi elementele de acț ionare implicate sunt
dezactivate. Temperat ura lichidului este monitorizată permanent și afișată prin
intermediul traductorului de temperatură PT100 mon tat pe conducta dintre cele
două rezervoare.
Dacă senzorul de minim(S .1) din B .101 este activ, se nzorul de minim(S .3)
din B.102 este activ ș i senzorul de maxim(S .4) din B .102 se gasește inactiv, atunci
porneș te pompa P .101 până la activarea senzorului S .4, se deschide electroventilul
pentru bypas EV .102 și pornește rezistența de încă lzire.
44 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL IV
În orice moment î n care senzorul de maxim(S .4) din B .102 rămâne activ
mai mult de 45 de secunde sau senzorul de minim(S .1) din B .101 se dezactivează ,
pompa P .101 se oprește întrucât fucționarea ei î n continuare ar putea duce la
revărsarea lichidului din B .102, respectiv la dezamorsarea pompei în lipsa lichidului
și defectarea ei. Acest caz este semnalat printr -o alarmă afișată pe aplicația
panoului operator.
De asemenea, în orice moment î n care senzorul de maxim(S .2) din B .101 se
activează pentru mai mult de un minut sau senzorul de minim(S .3) din B .102 se
dezactivează,porneș te pompa P .101 ș i EV.102 se închide întrucât poate conduce la
revărsarea lichidului din B .101, respectiv la defectarea solenoidului
electrovalvei(lipsă trecere lichid prin aceasta). Și aici se activează o alarmă de
înștiințare a operatorului.
Dacă senzorul de maxim(S .2) din B .101 e activ ș i doar senzorul de
minim(S .3) din B .102 e activ, atunci doar pompa P .101 porneș te pentru a umple
recipientul din care se realizează dozarea(B .102) până la activarea senzorului de
maxim(S .4). În cazul î n care temperatura nu se încadrează î n intervalul setat,
atunci pornește și rezistența pentru încălzire și eventual secvenț a de recirculare.
Dacă ambii senzori de maxim(S .4,S.2) sunt activi in ambele
rezervoare(B .101,B .102) atunci se pornește direct secvenț a de recirculare: întâ i se
deschide EV .102, după care se porneș te pompa P .101 la turație mică astfel încât
debitele de evacuare și de încărcare să fie aproximativ egale, iar dacă temperatura
nu este cea d orită se și încălzeș te lichidul prin pornirea rezistenț ei. Astfel , la apariția
unui recipient, instalația este pregătită pentru dozare.
Dacă senzorul de minim(S .3) este activ î n B.102 ș i senzorul de minim(S .1)
din B,101 este inactiv și dupa 45 de secunde de la deschiderea lui EV.102, rămâ ne
tot inactiv , atunci se afișează pe consola aplicaț iei un mesaj de avertizare prin care
i se spune operatorului uman să î ncarce rezervorul B .101 până la activarea
senzorului de maxim(S .2) al acestui rezervor,iar EV.102 se închide automat.
Dacă nicunul dintre senzori nu este activ atunci se va afișa pe interfața
grafică o alarmă de informare a operatorului uman pentru alimentarea cu lichid a
vasului B .101 până la activarea senzorului de maxim(S .2) din acest rezervor.
Tot acest set de reguli constituie automatizarea procesului și realizarea celor
3 operții : menținere nivel, reglare temperatură, dozare în recipiente. A ceste
scenarii sunt prevă zute în implementarea programului din automatul programabil
ales ( Schneider TM221 ME16T ) și pot fi vizualizate detaliat în anexă program, în
limbajul Ladder.
Secvențele de mai sus sunt rulate în modul automat, arhitectura permițând
și selectarea unui mod manual în care toate regulile sunt dezactivate, iar operatorul
uman poate acționa individual fiecare element de execuție în parte din interfața
grafică.
45 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
CAPITOLUL V
Implementarea s oftware a soluției
de automatizare
5.1 Program automat
5.1.1 Citire a și scalare a senzori lor
Pentru soluția de automatizare am folosit așa cum am prezentat în capitolele
anterioare un automat din gama Schneider cu mai multe module de intrări/ieșiri
(analogice și digitale), iar aplicația folosită pentru a scrie programul este SoMachin e
Basic. Aceasta este produsă tot de către Schneider, punând la dispoziția
programatorului posibilitatea scrierii unui cod pentru PLC -uri în limbaj Ladder.
Modul de funcționare automat implică monitorizarea continuă a temperaturii
fluidului , acest lucru realizându -se prin achiziționarea de date de la senzorul de
temperatură, flosind instrucțiunea de atribuire.
Convertorul senzorului de temperatură oferă date pe 16 biți prin intrarea
analogică folosită , valorile fiind cuprinse între 3276 și 65536 . Funcționarea sa se
realizează în standardul 4 -20 mA, iar pentru a putea folosi informațiile transmise de
acesta într -un mod facil voi asocia lui 3276 valoarea de 0°C și lui 65536 pe cea de
100°C.
De asemenea, pentru setarea temperaturii la valoarea dorită(setpoint)
efectuez conversia inversă introducând temperatura în grade.
Toți ceilalți senzori sunt digitali, iar citirea lor se face simplu, atribuind
valoarea 0 sau 1 unui bit.
Figura 5.1 Achiziție valoare temperatură
Figura 5.2 Tagu ri intrări PLC
46 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
5.1.2 Controlul temperaturii – regulator bipozițional
În fiecare zi ne întâlnim cu diver se situații în care avem nevoie de încălzirea
unei incinte sau a unui fluid în diferite condiții. Modalitățile prin care putem realiza
acest lucru sunt mult iple și diferă în funcție de limitările instalației, de costurile
implicate și de precizia cu care se obține, iar mai apoi se păstrează temperatura.
În prezent există soluții bazate pe gaze și electrice care sunt destul de
eficiente dar și costisitoare în multe cazuri .
Pentru a seta valoarea de referință am utilizat variabila %MW0 în care este
luat setpoint -ul. Aceasta este comparată cu cea citită de la senzor și conform
algoritmului bipozițional de reglare decide pornirea elementului de execuție R.101
sau nu.
Întrucât avem de a face cu un sistem în care conversia energiei se produce
lent, sistemul de reglare va avea constante de timp mari . Aceste constante pot fi de
ordinul minutelor sau chiar orelor, în funcție de caz. I nstalațiile tehnologice pe care
se dorește realizarea acestui tip de reglare au timp mort însemnat. Neavând o
izolare completă față de mediul exterior, sistemele sunt supuse perturbațiilor prin
schimbul de caldură și masă cu acesta.
Pentru reglarea temperaturii este folosit în general regulatorul bipozițional cu
histerezis, conform structurii din figura următoare , ce prelucrează prin citirea ieșirii
și cunoașterea referinței eroarea sistemului ε = m. Această relație pune în
evidență diferența dintre valoarea setată drept referință și valoarea mărimii
măsurate m.
Figura 5.3 Sistem de reglare bipozițional
47 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
Mărimea de comandă a regulatorului poate lua următoarele valori conform
figurii (Lupu, C. (2013). Curs Sisteme de Conducere a Proceselor Industriale) :
Observăm din imagine că e roarea este mai mică cu cât δ este m ai mic, însă
un δ foarte mic va duce l a comutații rapide între 0 și Uo , ceea ce implică o uzură
foarte mare a elementului de execuție (îi reduce timpul de viață ). Alegerea lui δ se
face ținând cont de timpul mort al sistemului. Nu putem alege un regulator fără
histerezis ( m , e=0) întrucât releul asociat elementului de execuție va fi foarte
solicitat comutând în permanență și se va defecta .
În cazul instalației de față, acordarea regulatorului a fost facută experimental,
excitând sistemul cu comenzi de tip treaptă și analizând rezultatele obținute.
Fiind vorba de un proces cu inerție mare, t emperatura reală va depăși limitele
impuse δ și δ, variațiile temperaturii realizându -se cu întarziere la comutare
(durată egală cu timpul mort) .
Codul utilizat pentru implementarea regulatorului este atașat integral în
cadrul anexei B, alături de variabilele și adresele aferente.
Figura 5.4 Comandă pentru bipozițional
Figura 5.5 Răspuns sistem la intrare treaptă
Referință
Răspuns
48 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
5.2 Interfața grafică
Așa cum am prezentat în cel de -al doilea capitol, interfața grafică este
realizată în aplicația EasyBuilder Pro de la Weintek . Aceasta a fost construită într -un
mod accesibil pentru interacțiunea cu utilizatorul, fiind asemanătoare cu mediile de
programare orientată obiect. În cadrul ferestrei principale sunt prezentate toate
elemtele componente ale instalației și se poate vizualiza în timp real cu ajutorul
animațiilor, pasul la care se află procesul.
Se poate observa că interfața dispune de mai mult display -uri, putând fi
selectate din butoanele ce se află în colțul din stânga al ecranului principal. Acestea
sunt utilzate pentru :
a vizualiza evoluția în timp, pe grafic, a temperaturii lichidului din
instalație.
a lua la cunoștință despre alarmele sau avertismentele ce apar în timp
real sau au apărut într -un istoric al alarmelor
a se autentifica personalul autorizat în vederea configurării unor
parametrii de importanță în funcționarea platformei
De asemenea, există la dispoziția operatorului, un buton prin care poate trece
instalația în modul manual, acționând fiecare element în p arte prin apăsarea directă
și deschiderea unor pop -up-uri. Acest lucru este evidențiat în figura următoare :
Figura 5.6 Interfața grafică
49 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
Animațiile sunt realizate în cadrul aplicției cu scripturi scrise în Visual Basic,
ce pot fi văzute în anexa B. Codul culorilor pe care îl propun prin acestea este:
Cele două rezervoare își schumbă starea în funcție de nivelul lichidului din
ele. Au trei poziții: minim – galben , mediu – albastru , maxim – roșu. Între ele sunt
conexiuni, ce reprezintă sensul fluidului în mișcare.
Element
execuție Funcționare Dsponibil Avarie
Motor
Bandă verde gri roșu
P.101 verde gri roșu
EV.101 verde gri roșu
EV.102 verde gri roșu
R.101 roșu albastru –
Element
feedback Activ Inactiv
Senzori
nivel roșu verde
Senzor
prezență verde Invizibil
Figura 5.7 Pop -up comand ă manuală
Tabel 5.1 Animații culori elemente execuție
Tabel 5.2 Animații culori elemente feedback
50 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
Display -ul cu alarme și avertismente di spune de o listă cu data și ora la care
s-au produs evenimetele respective, acestea putând fi lăsate active sau resetate
prin acknowledge.
Graficul din display -ul Grafic Temperatură este configurat pentru acest
proiect, axa temperaturii fiind gradată 0 -100°C, iar axa timpului până la 600 de
secunde. Această alegere a timpului a fost făcută deoarece procesul de reglare al
temperaturii este unu l lent. Pe grafic se pot observa două linii importante, cea
albastră – referința, iar cea roșie – ieșirea sistemului, adică temperatura măsurată.
Pe langă vizualizarea în timp real a ceea ce se întămplă cu temperatura lichidului,
graficul dispune de butoan e cu care se poate derula înainte sau înapoi în timp și cu
care se poate face stop/ resume în anumite locuri de interes analizând în detaliu
evoluția.
Figura 5.8 Fereastră istoric alarme
Figura 5.9 Fereastră Grafic Temperatură
51 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL V
În colțul din stânga sus se poate seta va loarea dorită pentr u temperatura
lichidului (Setpoint -ul), iar lângă acesta se află valoarea din proces la momentul
respectiv a marimii controlate. Monitorizarea pe grafic se efectuază intuitiv, valorile
numerice ale fiecarui parametru păstrând aceleași culori cu cele două l inii.
Legătura dintre variabilele folosite în interfața grafică și programul din PLC
este facută prin intermediul adreselor tag -urilor care sunt aceleași sau sunt atribuite
prin macro -uri unor variabile locale. Aceste tag -uri împreună cu adresele lor se a flă
anexate alături de codul programului.
52 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL VI
CAPITOLUL VI
Analiză funcționare, rezultate grafice obținute, concluzii și perspective
de cercetare
6.1 Analiză f uncționare
Funcționarea sistemului este una simplă controlată și îndrumată de
program alături de interfața grafică. Pentru început se umple cu apă rezervorul în
care se realizează încălzirea. Apoi se pornește instalația din siguranțe, iar la
apăsarea butonului verde( de start), aceasta începe să funcționeze du pă parametrii
memorați de PLC. În paralel, pe calculatorul conectat la automatul programabil, se
lansează aplicația cu interfața grafică prin care se realizează monitorizarea
procesului și controlul acestuia. De a ici se pot acționa toate elementele și se poate
modifica temperatura dorită. După parcurgerea acestor pași ne aflăm în punctul în
care sistemul este complet funcțional.
Deci avem o platformă robustă care rulează conform parametrilor impuși
după punerea în funcțiune. Regulatorul ce a fost determinat exprimental are
comportamentul dorit chiar dacă procesul este unul lent. Recircularea și menținerea
nivelului de lichid se face corect, conform secvențelor de funcționare propuse, iar
dozarea în recipientele tra nsportate pe bandă respectă cerințele impuse.
Revenind la încălzirea lichidului, timpii obținuți sunt buni, o creștere cu
+10°C a unei cantitați de 15 litri de lichid efectuându -se în 9 minute. Timpul
depinde foartre mult de temperatura dorită și de canti tatea de lichid aflată în
recirculare în sistem. Întrucât lichidul este în permanență recirculat și monitorizat
din punct de vedere al temperaturii, menținerea în jurul referinței se face foarte
precis după atingerea acesteia, cu cel mult +/ -1°C eroare sta ționară.
Figura 6.1 Grafic stabilizare temperatură 45 °C
53 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL VI
Observăm cele menționate mai sus în graficul de la figura 6.1, iar în plus
putem evidenția un timp mort de 12 secunde, specific procesului de încălzire. După
8 minute raspunsul sitemului se stabilizează și referința este urmărită.
Racirea se realizează foarte lent fiind utilizată doar recircularea în acest
caz și scăderea temperaturii prin schimbul cu mediul înconjurător. Pentru o racire
mai rapidă aplicația indică operatorului uman adăugare a de lichid rece în rezervorul
B.101. Dacă nu este suficient, atunci se golește instalația deschizând valva
manuală, și se introduce o nouă cantitate de lichid.
Dacă adă ugăm fluid la o temperatură scăzută față de cea a celui din
sistem, în timp ce acesta urmărește referința, observăm că reacționează repede la
perturbație și o rejectează, confirmând îndeplinirea obiectivelor reglării.
Toate aceste lucruri vor fi detaliate și exemplificate în secțiunea
următo are.
6.2 Analiză rezultate grafic e
Am analizat în timpul funcționării instalației timpii caracteristici pentru mai
multe temperaturi setate. Astfel am înregistrat câteva grafice elocvente pentru
exemplificare, ce au fost realizate în timp real.
În figura 6.2 observăm cum ieșirea începe să crească după 45 de secunde
(o diviziune pe grafic reprezintă 15 secunde) de la aplicarea unei trepte de 45 °C (la
momentul 2:52:45). Aceasta crește lent, iar după 90 de secunde atinge referința (la
2:55). Apoi oscilează puțin cu eroare staționară de 1 °C. La ora 2:59 s -a introdus o
perturbație (s -au adăugat 2 litri de lichid la temperatura de ~20°C). Este evidentă
scăderea temperaturii cu ~4°C, însă sistemul reușește în 2 minute să rejecteze
Figura 6.2 Grafic stabil izare după perturbație Perturbație
54 Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL VI
perturbația și să readucă temperatura la referința impusă. Mai mult decât atât este
de menționat că în momentul realizării acestui grafic, temperatura ambientală era
de aproxim ativ 28 °C, ceea ce a favorizat scăderea temperaturii lichidului și a
influențat creșterea timpului tranzitoriu.
Analizând graficul, respectiv răspunsul sistemului la intrarea treaptă ,
putem construi funcția de transfer a instalației tehnologice, care după forma
graficului va fi de ordinul I :
𝐻𝐼𝑇(𝑠)=𝐾𝐼𝑇∗𝑒−𝜎∗𝑠
1+𝑇𝐼𝑇∗𝑠
Identificarea amplificării K și a constantei de timp T se face direct din
grafic, obținând următoarele valori :
𝐾𝐼𝑇=Y
U=46−40
220 −0=6
220=0.027 (°C/V)
𝜎=45 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑒
𝑡𝑡=100 5−45=960 𝑠𝑒𝑐.
𝑇𝐼𝑇=𝑡𝑡
3=960
3=320 𝑠𝑒𝑐.
𝐻𝐼𝑇(𝑠)=0.027 ∗𝑒−45∗𝑠
1+320 ∗𝑠
Figura următoare prezintă procesul invers, și anume setarea referinței la o
temperatură(40 °C) cu 15 °C mai redusă decât cea a lichidului din sistem (inițial
55°C). Este evidentă scăderea lentă a ieșirii cu numai 2 °C în decurs de 4 minute,
doar recirculând lichidul. La momentul 1:36 se adaugă un volum de 2 litrii de lichid
la 25°C care prin recirculare are efectul scontat, reușind ca în următoarele 2 minute
să atingă refer ința prin scăderea temperaturii cu 13 °C.
Figura 6.3 Grafic stabilizare 40 °C după adăugare lichid rece
Stand de automatizare didactic și experimental
CAPITOLUL VI
55
6.3 Concluzii și posibile perspective de cercetare
Putem concluziona că am ajuns în punctul în care toate ramurile societății
tind să se automatizeze mai mult sau mai puțin. Deci este esențial ca în pregătirea
de inginer să existe un pachet bogat de cunoștințe și o dorință permanentă de a fi la
curent cu toate n outățile din domeniu.
Tot bagajul teoretic acumulat în timpul studiului trebuie pus în practică, iar
din acest punct de vedere consider instalația didactică și experimentală un excelent
liant. Aceasta are rolul de a pune în aplicare și de a fixa cunoștințe le teoretice prin
aplicații practice, toate la nivelul laboratorului.
Pentru a proiecta o asemenea platformă, d e-a lungul acestor luni , am
aprofundat noțiuni atat despre echipamentele fizice : echipamente electrice ,
automate Schneider c ât și echipamente software : SoMachine Basic, EasyBuilder
Pro. Implementarea fizică a avut în centru viziunea mea despre cum ar trebui să
arate p latforma și procurarea materialelor conform standardelor, pentru a o
construi.
Dezvoltarea unui astfel de sistem de automatizare presupune urmărirea mai
multor pași. Am plecat de la analiza cerințelor construite pentru proiectare și am
stabilit o serie de obiective pe care să le fi atins la sfârșitul implementării soluției de
automatizare.
De asemenea, în vedera obținerii unor perf ormanțe, am intrat în profunzimea
legilor de reglare prin metode le de acor dare experimentală a regulatarelor .
În final am ajuns ca prin performanțele obținute să ating toate obiectivele
propuse la început, în momentul de sinteză al sistemului de automatiza re.
Se pot realiza perspective de cercetare pentru îmbunătățiri pe toate planurile,
atât la nivel de proces, cât și la nivel de control.
În ceea ce privește funcționarea platformei, pot fi adăugați mai mulți senzori.
Spre exemplu în fiecare rezervor, pe l ângă senzorii de nivel deja existenți, poate fi
pus un senzor cu ultrasunete care să dea exact nivelul, pe o intrare analogică a
PLC-ului. Pentru a atinge mai repede referința dorită se pot adăuga mai multe
elemente de execuție, în diferite puncte, pentru încălzirea lichidului. Pe bandă poate
fi montat un cântar care să indice greutatea recipientelor la dozare și astfel aceasta
să fie făcută în fucție de greutatea setată. Între rezervoare, pe sistemul de conducte
unde se află și pompa, poate fi montat un de bitmetru care să monitorizeze debitul și
eventual să se facă reglarea acestuia. Mai mult, tot în sistemul de conducte poate fi
adăugat un vas de expansiune în care să se realizeze reglarea presiunii.
La nivelul programului, prin utilizarea unora dintre el ementele de siguranță,
se pot adăuga diverse alarme și confirmări de la elementele de execuție, de
exemplu confirmarea prezenței tensiunii de 220V pe element sau confirmarea
prezenței tensiunii de 24V. Prin utilizarea unora dintre componentele menționate l a
îmbunătățirile de mai sus, se poate implementa în program un regulator PI pentru
pompă, ai cărui parametrii să poată fi configurați/schimbați din interfața grafică.
Toate aceste îmbunătățiri ar duce la creșterea numărului de procese realizate
în cadrul p latformei și a calității acestora.
56 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA A – Schema electrică
ANEXA A – Schema electrică
57 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA A – Schema electrică
58 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA A – Schema electrică
59 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA A – Schema electrică
60 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA A – Schema electrică
61 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
ANEXA B – Codul programului
LADDER
Master Task
1 – Banda
Master Task
Rung0 – START BANDA/INSTALATIE
Variables used:
%I0.4 Buton_Start
%M50 SEMNALIZARE_VERDE
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%M122 Start/Stop Banda_Buton
Rung1 – STOP INSTALATIE
Variables used:
%I0.5 Buton_Stop
%M50 SEMNALIZARE_VERDE
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%M122 Start/Stop Banda_Buton
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
18/55
62 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung2 – START/STOP BANDA -POMPA
Variables used:
%M21 T.DN pompa pornire
%M22 T.DN OPRIRE POMPA
%M45 BANDA_ON/OFF
%M46 POMPA_ON_OFF
%M122 Start/Stop Banda_Buton
%M123 Stop Banda pentru Dozare
Rung3 – DISPLAY BANDA
Comment: Display banda functionare
Variables used:
%M2
%M7
%M124
STOP URGENTA
Disp_banda
Start Convertizor Banda
Rung4
Variables used:
%M0
%M3
%M122
%M123
%M124
Start/Stop Banda_Buton
Stop Banda pentru Dozare
Start Convertizor Banda
%MC_POWER_ATV0
Rung5 – START CONVERTIZOR BANDA
Variables used:
%M122 Start/Stop Banda_Buton
%M123 Stop Banda pentru Dozare
%M124 Start Convertizor Banda
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
19/55
63 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung6
Variables used:
%M1
%M3
%M124
%MC_MOVEVEL_ATV0
%S6 SB_TB1S
Rung7 – REFERINTA BANDA
Comment: Setare Referinta Banda in %MW100
Legend:
1 %MC_MOVEVEL_ATV0.VEL := %MW100
Variables used:
%M122
%MC_MOVEVEL_ATV0.VEL
%MW100 REFERINTA_BANDA
Rung8 – RESET CONVERTIZOR BANDA
Variables used:
%M4
%M5
%MC_RESET_ATV0
Start Convertizor Banda
Time base of 1 s generated by
an internal clock
Start/Stop Banda_Buton
reset ATV banda
done reset ATV banda
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
20/55
64 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
2 – Pompa
Master Task
Rung0 – DISPLAY POMPA
Comment: Display Pompa functionare
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M6 Disp_pompa
%M125 START CONVERTIZOR POMPA
Rung1 – POWER CONVERTIZOR POMPA
Variables used:
%M0
%M46 POMPA_ON_OFF
%M125 START CONVERTIZOR POMPA
%MC_POWER_ATV1
Rung2 – VELOCITY CONVERTIZOR POMPA
Variables used:
%M1
%M125
%MC_MOVEVEL_ATV1
%S6 SB_TB1S
START CONVERTIZOR POMPA
Time base of 1 s generated by an
internal clock
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
21/55
65 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung3 – SETARE REFERINTA POMPA
Comment: Setare Referinta Pompa in %MW110
Legend:
1 %MC_MOVEVEL_ATV1.VEL := %MW110
Variables used:
%M125 START CONVERTIZOR POMPA %MC_MOVEVEL_ATV1.VEL
%MW110 REFERINTA_POMPA
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
3 – Dozare
Master Task
Rung0 – TIMP PENTRU DOZARE EV101
Comment: TIMP DOZARE EV101
Variables used:
%I0.7 Senzor Prezenta
%M20 T.DN pt Ev101
%M72 CONDITIE DOZARE
%M123 Stop Banda pentru Dozare
%TM0 Timp dozare
Rung1 – DISPLAY SENZOR PREZENTA
Comment: Display SENZOR PREZENTA
Variables used:
%I0.7 Senzor Prezenta
%M8 Disp_senzor prezenta
Rung2 – CMD EV101
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
23/55
66 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung3 – DISPLAY EV101
Comment: Display EV101
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M9 Disp_EV101
%M47 EV101_ON/OFF
Rung4 – OPRIRE BANDA PENTRU DOZARE
Variables used:
%I0.7
%M20
%M122
%M123
%TM2
Senzor Prezenta
T.DN pt Ev101
Start/Stop Banda_Buton
Stop Banda pentru Dozare
Timp oprire banda pentru pozitionare
pahar
67 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
6 – Actionari
Master Task
Rung0 – Pompa
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M39 MANUAL_MOD
%M40 CMD_POMPA
%M46 POMPA_ON_OFF
%Q0.1 ON/OFF CONVERTIZOR POMPA
Rung1 – Banda
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M39 MANUAL_MOD
%M41 CMD_BANDA
%M45 BANDA_ON/OFF
%Q0.0 ON/OFF Convertizor Banda
Rung2 – EV101
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M39 MANUAL_MOD
%M42 CMD_EV101
%M47 EV101_ON/OFF
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%Q0.2 ON/OFF EV101
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
35/55
68 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung3 – EV102
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M39 MANUAL_MOD
%M43 CMD_EV102
%M48 EV102_ON/OFF
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%Q0.3 EV102 BYPAS
Rung4 – REZISTENTA INCALZIRE
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M39 MANUAL_MOD
%M44 CMD_REZISTENTA
%M49 REZISTENTA_ON/OFF
%Q0.4 REZISTENTA INCALZIRE
Rung5 – STOP URGENTA
Variables used:
%I0.6 STOP_URGENTA_IN
%M2 STOP URGENTA
Rung6 – LAMPA VERDE
Variables used:
%M50 SEMNALIZARE_VERDE
%Q0.5 LAMPA_VERDE
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
36/55
69 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung7 – LAMPA ROSIE
Variables used:
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%Q0.6 LAMPA_ROSIE
Rung8 – ALARMA STOP URGENTA
Variables used:
%M2 STOP URGENTA
%M16 ALARMA_STOP_URGENTA
%M50 SEMNALIZARE_VERDE
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%M122 Start/Stop Banda_Buton
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
37/55
70 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
8 – INCALZIRE BIPOZITIONAL
Master Task
Rung0 – Valoare HISTEREZIS
Variables used:
%MW4 VAL_HIST
Rung1 – Histerezis_HIGH
Legend:
1 %MW2 := %MW0 + %MW4
Variables used:
%MW0
%MW2
%MW4
SETPOINT_TEMP
HIGH_HISTEREZIS
VAL_HIST
Rung2 – Histerezis_LOW
Legend:
1 %MW3 := %MW0 – %MW4
Variables used:
%MW0
%MW3
%MW4
SETPOINT_TEMP
LOW_HISTEREZIS
VAL_HIST
Rung3 – CONDITIE ON REZISTENTA
Variables used:
%M49
REZISTENTA_ON/OFF
%M51
SEMNALIZARE_ROSU
%M100
B101_MINIM
%MW0
SETPOINT_TEMP
%MW1
TEMPERATURA_PV
%MW3
LOW_HISTEREZIS
Project Name: New project
06/25/2018 – 06:00 AM
41/55
71 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA B – Codul programului
Rung4 – CONDITIE OFF REZISTENTA
Variables used:
%M49 REZISTENTA_ON/OFF
%M51 SEMNALIZARE_ROSU
%M100 B101_MINIM
%MW0 SETPOINT_TEMP
%MW1 TEMPERATURA_PV
Rung5 – TEMPERATURA >= HISTEREZIS LOW
Variables used:
%M70 Cond_LOW
%MW1 TEMPERATURA_PV
%MW3 LOW_HISTEREZIS
Rung6 – TEMPERATURA <= HISTEREZIS HIGH
Variables used:
%M71 Cond_HIGH
%MW1 TEMPERATURA_PV
%MW2 HIGH_HISTEREZIS
Rung7 – Conditie dozare
Variables
used:
%M70 Cond_LOW
%M71 Cond_HIGH
%M72 CONDITIE DOZARE
72 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA C – Date Tehnice
ANEXA C – Date Tehnice
Controller
Reference TM221ME16T/G
Description TM221ME16T (screw), TM221ME16TG
(spring)
8 digital inputs, 8 source
transistor outputs (0.5A), 2
analog inputs, 1 serial line
port, 1 Ethernet port, 24 Vdc
power supply controller with
removable terminal blocks.
Power supplied to the IO bus 5V: 520 mA / 24V: 492 mA
Module
Reference TM3AI4/G
Description TM3AI4 (screw), TM3AI4G (spring)
Expansion module with 4 analog
inputs (+ – 10 V, 0-10V, 0-20 mA,
4-20mA), 12 bits, removable
terminal blocks.
Consumption on the IO bus 5V: 40 mA / 24V: 0 mA
73 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA C – Date Tehnice
Electrovalve
Siguranțe
74 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA C – Date Tehnice
Disjunctoare
Convertizoare
75 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA C – Date Tehnice
Sursă de tensiune
Senzor fotoelectric
76 Stand de automatizare didactic și experimental
ANEXA C – Date Tehnice
Senzori capacitivi
77 Stand de automatizare didactic și experimental
BIBLIOGRAFIE
BIBLIOGRAFIE
Dumitrache, I. (2005). Ingineria Reglării Automate. București: Editura Politehnica Press.
Dumitrașcu, A. (2013). Curs Rețele Industriale de Calculatoare.
Lupu, C. (2013). Curs Sisteme Integrate de Conducere.
Pătrașcu, M., & Voinescu, M. (2011). Ingineria Reglării Automate – Îndrumar de laborator. București:
Politehnica Press.
Anton F. 2012. Curs Automate Programabile și Microprogramare.
Sacal ă,I.(2016). Curs Acționări
Schneider.(2017). www.schneider -electric.ro
Manual Logic Controller – Modicon M 221_TM221ME16T (2017) preluat de pe www.schneider –
electric.ro
Schneider -ATV12 -Modbus -Comm -Manual (2016) preluat de pe www.schneider -electric.ro
http://www.ele ctromatic.ro/ro/senzori/item/32 -senzorideproximitatecapacitivi
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Stand de automatizare didactic și experimental a l procesului de dozare lichid prin reglarea temperaturii și menținerea nivelului Absolvent George… [609371] (ID: 609371)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.