Tehnici De Proiectare A Sistemelor [616352]

TEHNICI DE PROIECTARE A SISTEMELOR
PE PLATFORME MECATRO NICE (I)

Dorin SC ÂNTEIE

TECHNICAL DESIGN SYSTEMS ON MECHATRONIC
PLATFORMS (I)

This paper is intended to issue a brief overview of methods used to
design structured logic functions /adjustment and control strategy. Idea as a
whole system approach, involving the design and optimization rather than a
sequence of incremental steps. Optimizing functional fluidic systems involves
building a mathematical model, analysis of physical phenomena associat ed.
Other approaches in research aimed mechatronic systems design techniques
that parts of the system are real; some are virtual so that the test pro-cedures
and data validation can be performed as in reality. The user is thus familiar with the operation and structure of an industrial system, programming language functioning using technology and specific real industrial environment, without risk of damaging the plant (to make the process as simulated in the laboratory).

Cuvinte cheie: microcontroler, s inergie, Programmable Logic
Controller (PLC), sensorică, Control Prototyping (PC), Hardware-In -the-Loop
(HIL), Software -In-the-Loop (SIL)
Keywords: microcontroller, synergy, Programmable Logic Controller
(PLC), Sensors, Control Prototyping (PC), Hardware-In -the-Loop (HIL),
software -in-the-Loop (SIL)

1. Introducere

În prezent reglarea automată a sistemelor implică în mod
pregnant o abordare integrală a problematicii tehnologice. Mecatronica
atrage din ce în ce mai mult atenția. Termenul este tot mai des folosi t
503

într-o gamă tot mai largă de produse și aplicații inginerești și se referă
la îmbinarea sinergetică dintre ingineria de precizie, controlul electronic
și gândirea integratoare în procesul de proiectare al produselor și proceselor de fabricație. Este un s ubiect cu caracter interdisciplinar ce
se bazează pe discipline de bază inginerești dar în același timp include
discipline neasociate în mod direct cu disciplinele de bază.
Conceptul de bază în această definiție este ideea de abordare
a sistemului ca întreg. Acest lucru implică proiectarea și optimizarea
sistemului ca un întreg și nu ca o secvență incrementală de pași. În
cadrul proiectării produselor mecatronice este esențială munca în
echipă. Specialiști din domeniul mecanic, electric, control și știința
calculatoarelor trebuie să coopereze în cadrul unei echipe în toate
fazele de proiectare pentru a converge la o soluție integrată. Este
evident că orice definiție a mecatronicii am alege, într -o accepțiune
modernă, aceasta implică procesarea informației ca și ax central.
2. Automate programabile

Arhitectura generală a unui automat programabil este
desfășurată în jurul unei magistrale de date la care sunt conectate
circuitele de intrare ieșire, unitatea centrală și memoria sistemului.
Variabilele de int rare sunt realizate sub forma diverselor
elemente de comandă și măsurare incluse în sistemele operaționale și
auxiliare: limitatoare de poziție, mărimi mecanice de la traductoare de
deplasare incrementale sau absolute sau chiar de la sisteme de măsurare analogică după o conversie analog numerică.
Variabilele de ieșire dirijează acționarea elementelor de
execuție de tipul contactelor, electro valvelor, elementelor de afișare
etc.
Circuitele de interfață de intrare și ieșire au rolul de a converti
semnalele de intrare de diverse forme în semnale logice adaptate
unității centrale și de a transforma semnalele logice ale unității în semnale de ieșire corespunzătoare acționării impusă de sistemul de
forță al mașinii.
Încorporarea microcontrolerelor pentru modularea puterii
mecanice și adaptarea sistemului la diferite puncte de funcționare sunt esența mecatronicii moderne și produselor inteligente. Sistemele
mecatronice modulare reproduc la scară redusă div erse funcții
existente în procesele industriale.
Prin int erconectarea diverselor module se configurea ză
sisteme și procese com plexe. Stațiile de lucru permit: reconfigurări în
504

conformitate cu diverse aplicații, dezvoltarea diverselor strategii de
control, dezvoltarea conceptelor de control în sistemele integrate,
conducerea electronică a sistemelor de tip automat programabil (PLC și PC), optimizarea funcțională a proceselor, implementarea tehnicilor de
comunicație standardizate, dezvoltarea tehnicilor de depistare și remediere a disfuncțiunilor. Sunt acoperite ur mătoarele domenii
tehnologice: sisteme mecatronice, sisteme de acționare (electrice, pneumatice, hidraulice), modelarea și simularea proceselor
mecatronice, programarea PLC -urilor (Programmable Logic Controller),
tehnici de control a mișcării/forțe i, progr amarea roboților, tehnici de
manipulare, tehnologii de asamblare, sensorică, tehnici de măsurare și monitorizare a parametrilor proceselor, comunicația standardizată.
Informația cu privire la valoarea unor mărimi din sistem este
indispensabilă, atât la ni velul de bază a tehnicilor de control
implementate, cât și la nivelul de management a funcționalității sistemelor mecatronice. Utilizarea practică a acesteia implică
achiziționarea ei prin intermediul senzorilor, respectiv prelucrarea
semnalelor electrice.
3. Platforme mecatronice

Standurile permit studiul independent al unor grupe de senzori
specifici sistemelor mecatronice, respectiv achiziția și prelucrarea
semnalelor prin intermediul uneltelor software Matlab/Simulink/Signal
processing. Standurile inc lud: senzori analogici inductivi, capacitivi,
optici, ultrasonici, traductori/ mărci tensometrice, senzori de presiune
piezoelectrici, potențiometre liniare, senzori numer ici temposonici,
encodere etc.
Proiectarea și optimizarea funcțională a sistemelor mec atronice
implică proceduri de modelare, identificare, sinteză, analiză și testare a produselor. Tehnica digitală permite implementarea de algoritmi de
control care conferă flexibilitate, adaptabilitate și precizii sporite
sistemelor. Optimizarea funcțional ă a servosistemelor fluidice implică
construirea modelului matematic și analiza fenomenelor fizice asociate.
Alte abordări în domeniul cercetării vizează tehnici de
proiectare a sistemelor mecatronice în care părți ale sistemului sunt
reale, altele sunt v irtuale astfel încât procedurile de testare și validare a
rezultatelor să poată fi derulate chiar în absența unor componente ale sistemului vizat.
Stația de producție modulară prezentată în figura 2, utilizează
ca tehnologi e de control
: PLCs (SIMATIC S7 -313C, Festo FEC
505

Standard), EasyPort, PC. Software: Siemens Step 7,
COSIMIR®Robotics, COSIMIR®PLC, FluidSIM®P, Mechatronics
Assistant.

Fig. 2 Stații de producție modulară: Distribuție, Testare, Procesare,
Manipulare, Asamblare, Sortare

Fig. 3 Sisteme mecatronice pentru studiul și dezvoltarea
algoritmilor de control a mișcării

Sistemele prezentate în figura 3 conțin motoare de c.a. și pas
cu pas, motoare pneumatice, transmisie mecanică prin curea dințată, senzori numerici incrementali de tipul encoderelor, controlere digitale și
utilizează t ehnologi i de control de tip PLC sau dSPACE, medii de
dezvoltare Matlab/Simulink, dSpace, Step 7, Festo FST.
Platformele mecatronice constituie o bază ideală pentru
instruire, educație și cercetare mecatronică, pentru susținerea
procesului de reconversie și orientare profesională în acord cu
meseriile și cerințele UE.
506

Fig. 4 Metode de dezvoltare a aplicațiilor

– Prototiparea Controlului (Control Prototyping): procesul este
real și este controlat de un sistem de control simulat prin
utilizarea unui alt hardware decât ce l ce va fi utilizat în final.
– Hardware- In-the-Loop (HIL): procesul este simulat și controlat
pe baza unei strategii de control implementată pe un hardware
specific (cel care va fi util izat în controlul sistemului).
– Software- In-the-Loop (SIL): procesul este simulat și este
executat în timp real împreună cu algoritmul de control, care
este de asemenea simulat.
Tehnicile de dezvoltare amintite mai sus comportă utilizarea
unor componente hardwar e și software dedicate, care să permită
rularea în timp real a aplicațiilor
Din punct de vedere educațional, respectiv din punct de vedere
al tehnicilor de cercetare, se identifică trei abordări privind studiul
sistemelor:
– studiul pe sistem real (proces real, controler real; componentele
sistemului sunt reale) ;
– studiul pe sistem simulat (proces simulat, controler simulat; toate
componentele sistemului sunt simulate – concept SIL);
– studiul pe sistem parțial real – parțial simulat (hibrid – concept HIL).
Tehnologia SIEMENS -FESTO (Siemens Simatic STEP7 –
Cosimir PLC – FluidSim H/P) permite următoarele abordări:
– proces simulat în Cosimir PLC – controler simulat în Siemens S7-
PLCSIM (SIL) ;
– proces simulat în Cosimir PLC – controler r eal prin interfața
EasyPort (HIL) ;
– proces simulat în Cosimir PLC – controler simulat în FluidSim H/P
(SIL);
507

– proces simulat în FluidSim H/P – controler simulat în Siemens S7-
PLCSIM (SIL) ;
– proces simulat în FluidSim H/P – controler real prin interfața
EasyPort (HIL) ;
– proces simulat în FluidSim H/P – controler simulat în FluidSim H/P
(HIL);
– proces real prin interfața EasyPort – controler simulat în Siemens
S7-PLCSIM (HIL) ;
– proces real prin interfața EasyPort – controler simulat în FluidSim
H/P (HIL) .
Legăturile de date care pentru comunicarea între cele trei medii
sunt asigurate prin intermediul unui server OPC, comunicarea dintre
medii se face simplu, selectând tipul de simulare dorit.

Cosimir PLC este un simulator grafic 3D care pune la
dispoziția utilizatorului diferite replici ale unor sisteme de producție
industriale. Toate aceste aplicații software pot fi conduse prin
intermediul unui PLC extern sau a unui PLC simulat, fiind permisă
simularea defecțiunilor (defecțiuni ale senzorilor, cabluri întrerupte sau
alte avarii), testarea diverselor strategii de control, m onitorizarea
parametrilor etc.
Utilizatorul se familiarizează astfel cu modul de operare și
structura unui sistem industrial, programează funcționarea sistemului
utilizând tehnologii și limbaje reale specifice mediului industrial, fără
riscul de a deteriora instalația (se aduce procesul în l aborator în formă
simulată).

S7-PLCSIM este simulatorul integrat al mediului de dezvoltare
Simatic STEP 7. Funcțiile si mulatorului:
– Testarea programelor de control fără a fi necesară conectarea
la un PLC real.
– Vizualizarea și modif icarea variabilelor programului
(temporizatoare, numărătoare etc.)
– Rularea pas cu pas a algoritmului de control.

FluidSIM H/P este un software pentru crearea, simularea și
studiul circuitelor electropneumatice, electrohidraulice și digitale. Oferă de asemenea o întreagă gamă de posibilități de comunicare cu alte
programe prin intermediul interfețelor standardizate DDE și OPC.
Cu aj utorul interfeței EasyPort D16 se poate asigura legătura
cu procesul real.
508

Fig. 5 Interfață S7-PLCSIM

Programarea controlerului utilizând Simatic STEP7 .
Programarea PLC -ului se va face prin intermediul mediului Simatic
STEP7. Programul este unul simplu, având o singură ramură Ladder
după cum se poate vedea în figura 7.

Fig. 6 Schema de simulare FluidSIM

Fig. 7

Diagrama
Ladder

509

Funcționarea programului e una simplă. La apăsarea butonului
START din modelul procesului (figura anterioară), PLC -ul sesizează
modificarea adresei B_Start și în consecință acționează (24 V)
electromagnetul distribuitorului E1 și lampa de semnalizare L_Start.
Cele două semnale de ieșire sunt transmise către model având
ca efect avansul cilindrului cu piston (figura 6 , b).
La eliberarea butonul ui START cilindrul se va retrage și lampa
nu va mai semnaliza (figura 6, a).

BIBLIOGRAFIE

[1] Mătieș , V., ș. a., Tehnologie și educație mecatronică. Auxiliar curricular
pentru liceul tehnologic, Editura economică, B ucurești, 2007.
[2] * * * Curs 5 – Dezvoltare tehnologică și tehnologii educaționale, UTCN, C luj
Napoca , 2011.
[3] * * * SR EN 61131-3, Automate programabile, partea 3. Limbaje de
programare.
[4] * * * www.nxp.com/ acobat_download/aplicationnotes/APPCHP3.PDF
[5] Bejan, M., În lumea unităților de măsură, ediția a doua revăzută și adăugită.
Editura Academiei Române și Edi tura AGIR, București, 2005.

Prof.Drd.Ing. Dorin SCÂNTEIE,
Colegiul Tehnic “Ion D. Lăzărescu” CUGIR,
membru AGIR
e-mail: dscanteie@yahoo.com

510