Capitolul 5

1.1 Obiective

Obiectivul acestei lucrări este realizarea unei aplicaţii de control şi monitorizare a unui proces pe un stand didactic FESTO cu ajutorul unui PLC Simatic S7-300. Scopul este familiarizarea cu activităţile ce implică implementarea unui sistem pentru monitorizarea şi controlul unui proces, având la dispoziţie echipamente de lucru similare cu cele utilizate în practică, pentru conducerea proceselor industriale.

1.2 Consideraţii teoretice

Un sistem de reglare automată asigură menţinerea funcţionării unui proces într-o stare curentă cât mai aproape de o stare de referinţă. Evoluţia întregului proces are loc în sensul anulării abaterii, respectiv a anulării diferenţei dintre valoarea prescrisă şi valoarea măsurată din proces, prin aceasta asigurându-se compensarea efectului acţiunilor externe (în principal cel al perturbaţiilor).

Pentru dezvoltarea acestei aplicaţii s-a ales un proces des intalnit în practică, şi anume reglarea nivelului unui lichid într-un rezervor. În plus, pentru a permite atât monitorizarea procesului cât şi intervenţia operatorului în proces, dacă este cazul, a fost implementată o interfaţă grafică prin intermediul softului SCADA, WinCC Flexible. Astfel utilizatorul are posibilitatea să modifice valoarea referinţei de nivel şi poate să urmărească evoluţia coloanei de lichid în rezervor din faţa calculatorului fără a fi nevoit să se deplaseze în câmp pentru a urmări această evoluţie din faţa rezervorului. În practică exista situaţii când operatorul nu are posibilitatea să urmărească acest proces, deoarece de obicei lichidul este păstrat în rezervoare închise sau foarte mari. În plus păstrarea unor substanţe periculoase în aceste rezervoare ar putea pune în pericol operatorul, dacă acesta ar fi nevoit să urmăreacă fizic nivelul în rezervor. Valorile primite de la senzor sunt afişate în milimetrii şi sunt reprezentate pe un grafic unde se poate vedea nivelul actual în comparaţie cu cel introdus ca şi referinţă. Datele primite de la senzor sunt reprezentate de asemenea pe un indicator de tip bargraf, astfel încât utilizatorul poate vedea în ce proporţie rezervorul este plin sau nu. Interfaţa nu oferă numai posibilitatea de a urmări procesul ci şi de a interveni în cazul în care este nevoie, prin oprirea elementului de execuţie (pompa centrifugă) sau a închiderii circuitului de evacuare din rezervor.

Un proces industrial adus la o scara mică, prin intermediul standului FESTO este ideal pentru înţelegerea elementelor din care este compus un proces pe scară largă. Standul pune la dispoziţie toate elementele specifice unui proces real, de la achiziţie de date cu ajutorul senzorilor şi a softului specializat, până la posibilitatea de a acţiona asupra procesului prin elemente de execuţie.

Reglarea nivelului implică utilizarea unor elemente specifice: senzori, elemente de execuţie, automat programabil şi un dispozitiv pentru monitorizare. În acesată lucrare s-a utilizat un senzor ultrasonic, pentru măsurarea nivelului, o pompă centrifugă ca element de execuţie, un automat programabil Siemens din seria S7-300, pentru conducerea procesului şi un PC pentru achiziţie de date şi monitorizare. Aplicaţia va masura în mod continuu valoarea nivelului de lichid şi se va încerca menţinerea acestuia la o valoare prestabilită. Valoarea nivelului din rezervor este citită de la senzorul ultrasonic. Semnalul de la senzor constituie variabila de proces pentru regulatorul PI implementat în Step7. Mărimea de comandă rezultată este convertită în

semnal analogic şi este aplicată elementului de execuţie (pompa centrifugă). Toate componentele aplicaţiei vor fi implementate folosind mediul SIMATIC Step7 pentru programarea PLC-ului şi SIMATIC WinCC Flexible pentru implementarea sistemului de monitorizare.

Prin prezenta lucrare vor fi însuşite noţiuni teoretice şi practice despre controlul şi monitorizarea unui proces utilizând PLC-ul Siemens CPU 314C-2 DP, softul WinCC Flexible, pentru aplicaţii SCADA şi echipamentele de pe standul FESTO.

Modelarea procesului Într-un rezervor, având secţiunea constantă S, intră un lichid cu un debit qi curgând liber,

adică conducta de intrare nu intră în lichidul din rezervor. Din acest rezervor lichidul curge cu un debit qe. Determinarea modelului matematic şi a funcţiei de transfer se poate obţine pe baza bilanţului de material. Relaţia este următoarea:

dtqqdhS ei , (1.1)

Figura 2.3 Reglarea nivelului într-un rezervor deschis.

care exprimă creşterea volumului de lichid în rezervor ca fiind egală cu diferenţa între cantitatea de lichid intrată şi aceea ieşită din rezervor în intervalul de timp dt considerat . Debitul de ieşire qe se obţine printr-un robinet Ve a cărui secţiune poate fi modificată. Debitul de intrare qi poate fi modificat cu ajutorul pompei de alimentare . În reglările de nivel mărimea de execuţie poate fi debitul qi de intrare sau debitul qe de ieşire, după cerinţele procesului şi caracteristicile utilajului. În rezervoarele deschise şi cu ieşire finală la presiunea atmosferică, lichidul curge sub acţiunea greutăţii proprii, fără să mai existe o altă presiune care să îl influenţeze. În acest caz, pentru curgerea turbulentă relatia pentru debitul de ieşire qe se poate scrie sub forma:

hCqe , (1.2)

în care C este un coeficient care depinde de dimensiunile conductei de curgere, eventual ale

strangulării în cazul când există robinetul Ve, şi de tipul lichidului. Ecuaţia (1.1) devine deci:

Capitolul 5

ie qqdt

dhS (1.3)

Această ecuaţie diferenţială este neliniară din cauza termenului hCqe .

Presupunând că atât debitul de intrare qi cât şi nivelul h nu variază mult în jurul unor valori de funcţionare normală qi

0 şi h0 , situaţie în care coeficientul C se poate considera constant, şi qi

0=qe0, se poate liniariza ecuaţia (1.3) introducând variabilele qi,h şi qe conform

cu relaţiile: qi = qi 0+qi, h=h0+h, qe =qe

0+qe. Pentru variaţiile qe şi h se presupune că au loc după tangenta la curba :

hCqe în punctul (qe

0, h0), adică:

hh

Cqe

02 (1.4)

Se reaminteşte aici că prin liniarizarea unei relaţii neliniare de forma F(x1,x2...y1,y2...) în

conditiile unor variaţii mici în jurul punctului staţionar de functionare rezultă relatia:

1

012

021

01

yy

Fx

x

Fx

x

FF (1.5)

în care (.)0 reprezintă conditiile initiale constante, caracteristice punctului staţionar de

functionare considerat, iar x1, x2 , ... etc reprezintă variaţiile variabilelor considerate.

Făcând aceste înlocuiri în ecuaţia (1.3) se obţine o ecuaţie diferenţială liniară de ordinul

întâi:

iqkhdt

hdT

0 (1.6)

unde T reprezintă constanta de timp a procesului şi k0 factorul de amplificare al procesului şi sunt

date de relaţiile:

2

, 2 0

0

0

C

hk

C

hST (1.7)

Soluţia acestei ecuaţii pentru o mărime de intrare constantă qi0 aplicată la timpul t=0 este:

)1()( /00

Tti eqkth

(1.8)

h0

. ..

h0

T t

Curba de variaţie respectivă este arătată în figura 2.1.4.

Figura 2.1.4 Curba de variaţie a nivelului într-un rezervor deschis pornind

de la h=h0, qi=qi0 şi pentru o modificare qi

0 a debitului de intrare la t=0

Constanta de timp T a procesului este proporţională cu suprafaţa S a rezervorului, depinde de înălţimea h0 în jurul căreia are loc variaţia nivelului reglat şi de coeficientul C ce caracterizează curgerea pe conducta de ieşire.

Întrucât constanta de timp T se modifică în funcţie de înălţimea coloanei de lichid - h, sistemul de reglare va trebui să aibă în vedere această dependenţă dacă procesul poate să se desfăşoare pentru diferite mărimi de referinţă pentru h. Dacă nivelul variază cu 20-40% în jurul unei valori h0, cum se întâmplă cel mai frecvent în practică, o valoare stabilită pentru T corespunzătoare lui h0, va putea fi păstrată chiar dacă valoarea prescrisă pentru nivel se va modifica în limitele indicate mai sus. Pe de altă parte T creşte cu secţiunea S a rezervorului şi scade cu creşterea lui C.

Se observă că:

0

0

0

0 22

ee q

V

q

hST

(2.11)

şi deci măsurând pe qe0 şi h0 se determină cu uşurinţă T. Pentru un rezervor care se goleşte în

aer, constanta de timp T este egală cu de două ori timpul de golire al volumului V0 cu debitul qe0.

Capitolul 5

Identificare experimentală

Se vor efectua mai multe experimente si se va determina modelul procesului pentru diferite puncte de funcţionare. Se va analiza apoi dacă se verifică teoria prezentată la capitolul privind modelarea procesului

Identificarea experimentală se va realiza prin aplicarea a două trepte de valori diferite asupra elementului de execuţie. Robinetul de pe calea de evacuare va fi deschis în proporţie de 90%. Perioada de eşantionare se va alege la voloarea de 1s. Achiziţia de date se poate realiza prin intermediul WinCC Flexible sau folosind modulele de achiziţie ICP si mediul MATLAB. Semnalul primit de la senzor va fi scalat în milimetrii.

Experiment 1: Amplitudinea semnalelor de tip treaptă aplicate elementului de execuţie se va alege în funcţie de nivelul dorit în rezervor pentru regimul staţionar. Rezultatele obţinute pentru două trepte aplicate elementului de execuţie se pot vedea în figura 3.1.

Prima treaptă are valoarea 5.10V pe automat ceea ce înseamnă 10.85V pe pompă. A doua treaptă este de 6.19V în automat care reprezintă 13.17 V pe pompă.

Figura 3.1 Răspunsul procesului pentru cele două trepte Se vor lua în considerare pentru acordarea regulatorului doar rezultatele obţinute pentru

ce-a de-a doua treaptă. Răspunsul obţinut este adus în zero prin scăderea valorii staţionare pentru prima treaptă din valorile rezultate la aplicarea celei de-a doua trepte. Se obţine următorul răspuns :

Figura 3.2 Răspunsul indicial al procesului Din acest răspuns se va calcula constanta de timp a părţii fixate Tf care corespunde valorii de 63% din valoarea staţionară: Tf=24s. Valoarea factorului de amplificare este Kf=yst/ust =3.5011 De aici rezultă funcţia de transfer procesului :

124

5011.3

sHf (3.1)

În figura 3.3 se poate urmări răspunsul real al sistemului (culoarea roşie) în comparaţie cu răspunsul la treptă simulat pentru modelul obţinut.

Figura 3.3 Comparatie între răspunsul indicial şi modelul obţinut

Capitolul 5

Utilizând metoda de acordare a regulatoarelor Guillemin-Truxal, pentru următoarele

performanţe:

[sec] 25tr

[%] 2σ

0ε st

,

se obţine un regulator PI cu filtru de ordinul I:

125.1

1

998.23

11063125.2

ssHr (3.2)

În acest caz filtrul se poate neglija deoarece are o valoare aconstantei de timp apropiată de

valoarea perioadei de eşantionare.

1.3 Descriere generală a standului FESTO

Figura 4.1 Stand experimental FESTO

Sistemul didactic Festo pentru automatizări este un stand didactic compact şi este proiectat pentru a satisface diferite necesităţi de instruire. Se faciliteatează astfel o instruire orientată pe industrie şi o bună cunoaştere a conţinutului hardware a componentelor industriale.

Mai mult de atât, această staţie pentru studiu încurajează lucrul in echipă şi dezvoltă aptitudini organizatorice şi de cooperare.

Standul experimental se poate folosi pentru dezvoltarea unor abilităţi în urmatoarele faze: configurare, asamblare, programare, punere în funcţiune, operare, întreţinere, detectarea defectelor.

Staţia de lucru combină patru bucle închise, fiecare cu senzori digitali şi analogici şi actuatori. Cu ajutorul unui controller PLC este posibilă folosirea acestor bucle individual sau in cascadă:

Sistem de control automat al nivelului

Sistem de control automat al debitului

Capitolul 5

Sistem de control automat al temperaturii

Sistem de control automat al presiunii

Figura 4.2 Schema generală stand FESTO

Figura 4.2 Schema sistem reglare nivel stand FESTO

Componentele principale ale staţiei Festo sunt:

o Senzor ultrasonic analogic o Senzor de debit cu semnal în frecvenţă o Senzor de presiune piezorezistiv o Senzor de temperatură PT100 o 2 senzori de proximitate, capacitivi, pentru nivel min/max în reyervorul de jos o Comutator plutitor pentru funcţia prag(electromecanic) în rezervorul de sus o Comutator plutitor pentru monitorizarea alarmei de inundare in rezervorul de jos o Pompă centrifugă o Controller-ul motorului pentru pompă o Valvă proporţională cu modul de control electronic o Sistem de încălzire cu releu de control integrat o Valvă cu bilă acţionată pneumatic o Terminale I/O o Terminal pentru semnale analogice o Convertor de semnale: din curent în tensiune, din frecvenţă în tensiune, PT100

în tensiune o PLC

Capitolul 5

o Panou de control o Sistem de ţevi de legatură o Rezervor de presiune o 2 rezervoare de apă o Valve manuale o Valvă manuală cu bilă pentru scurgere

Funcţiile fiecărei bucle închise rezultă prin combinaţia specificată a valvelor manuale. De asemenea acestea depind de programarea, configurarea sau parametrizarea automatului programabil sau al sistemului de control.

În continuare vor fi descrise componentele standului utilizate pentru realizarea acestei lucrări. Nivelul lichidului în rezervorul B102 este monitorizat cu ajutorul unui senzor ultrasonic (2-fig 4.4) şi poate fi vizualizat pe scala gradată plasată pe peretele rezervorului (1- fig 4.4). Valoarea dată de senzor este valoarea actuală a nivelului în rezervor. In cazul unei reglari de stabilizare, această valoare trebuie menţinută la un nivel fix chiar dacă apar perturbaţii de debit pe conducta de evacuare.

Figura 4.4 Rezervorul pentru reglarea continua a nivelului

Pentru producerea de perturbaţii este posibilă închiderea totala sau parţială a robinetului V102. Pentru a goli lichidul din vasul superior se deschid manual robinetul V101 şi V104.

Senzorul ultrasonic incorporează şi adaptorul de semnal. Semnalul de curent (4-20 mA) de la ieşirea acestuia este conectat ca şi semnal standard la terminalul analogic X2.8 după care este convertit de convertorul A1 din semnal unificat de curent (4-20 mA) în semnal unificat de tensiune (0-10 V).

1.3.1 Elementul de execuţie

Pompa centrifugă P101 este elementul de execuţie folosit în trei dintre buclele de reglare disponibile pe stand. În cadrul sistemului de reglare a nivelului este folosită pentru a pompa lichidul din rezervorul B101 în rezervorul B102 printr-un sistem de ţevi de legătură.

Figura 4.3 Pompa centrifugă Înainte de punerea în funcţiune rezervorul B101 şi sistemul de ţevi trebuie să fie umplute

cu lichid. Motorul pompei este alimentat de la controller-ul A4 prin releul K1. Controller-ul pompei poate fi comandat atât analogic cât şi digital. La comandarea digitală a controller-ului pompei, tensiunea aplicată de controller motorului pompei este maximă (22V). Prin ieşirea digitală XMA1.O2 este posibilă comutarea controller-ului pompei, prin anclanşarea releului K1 de pe controlul binar digital (pompa nealimentată sau alimentată la 22 V), pe controlul analogic (pompa alimentată între 0-22 V în funcţie de tensiunea analogică primită la intrarea controller-ului pompei). Prin controlul digital binar (XMA1.O2=”0”), pompa este pornită şi oprită prin ieşirea XMA1.O3. Când XMA1.O3=”0” pompa este oprită iar când XMA1.O3=”1” pompa este pornită. La controlul analogic (XMA1.O2=”1”), tensiunea de comandă a PLC-ului, în gama 0-10 V, este aplicată controller-ului pompei, iar acesta variază alimentarea pompei cu o tensiune între 0-22 V.

Capitolul 5

Figura 4.5 Pompa centrifugă

Din punct de vedere constructiv este o pompă centrifugă autoîncapsulată ce trebuie amorsată înainte de a fi pusă in funcţiune. Se va evita funcţionarea ei pe uscat deoarece dupa o perioadă de 30 de minute acest lucru poate provoca defectarea pompei.

Pompa trebuie sa funcţioneze tot timpul în direcţia prescrisă. Motorul permite operarea continuă. Pompa nu poate fi folosită pentru apă sărată sau pentru lichide contaminate. Pompa poate fi montată atât în poziţie verticală cât şi în poziţie orizontală. În condiţiile în care este montată în poziţie verticală, motorul trebuie montat deasupra corpului pompei. Pentru pozitie orizontală este important ca ieşirea pompei sa fie orientată în sus.

Figura 4.6 Pompa centrifugă-detaliu

În figura 4.6 este reprezentată pompa centrifugă în detaliu. Este alcătuită din următoarele

componente :

1. Carcasă 2. Roată cu palete 3. Inel de etanşare

4. Şurub 5. Suportul de montare 6. Şaibă 7. Arborele de comandă 8. Şaibă 9. Carcasa bobinei motorului

Polaritatea tensiunii aplicate nu poate fi schimbată. Terminalele de alimentare ale pompei

sunt codate prin culori: Tensiunea de operare: 24 V terminal pozitiv roşu 0 V terminal negativ negru Tabel 4.1 Date tehnice pompă Parametru Valoare

Carcasă Plastic Mâner de control Oţel Sigiliu Inelar EPDM(ethylene propylene diene M-class) Lamela Corp: plastic

Magnet: ferită Carcasă magnet Plastic Flanşă motor Plastic Carcasă motor Oţel Motor Motor cu magnet permanent 12/24 V Garnitură motor Aluminiu Conexiune 20 mm(3/4”) Atenuare sunet EN 55014 Clasă de protecţie IP67(DIN 40050) Temperatura de funcţionare: Lichid Exterior

-40°C la +100°C -40°C la +70°C

Presiune maximă 2,5 bar Alimentare 24 V Putere 24 W Tabel 4.2 Debitul pompei in funcţie de presiune Presiune (bar) Debit (l/min) Curent la 24V (A) 0,1 26 1,1 0,2 19,5 1,0 0,3 9,0 0,75 Valorile au fost masurate pentru o conexiune de 20 mm

1.3.2 Controler pompă centrifugă

Capitolul 5

Figura 4.7 Controller

Controler-ul permite variatia tensiunii de ieşire şi astfel se poate controla viteza pompei. Erorile se pot reseta folosind intrarea reset (RESET). Aplicând o tensiune de 0V pe intrarea reset eroarea va fi ştearsă. Controller-ul este montat pe o şină top-hat.

Figura 4.8 Semnificaţia terminalelor

Ajustarea controlerului:

Pe placa controlerului există un potenţiometru (figura 4.9) prin intermediul căruia se realizează ajustarea punctului de zero şi a sensibilităţii - capetele de gamă. Acesta se poate realiza cu ajutorul unei şurubelniţe. Scopul acestor reglaje este acela de a ajusta ieşirea controlerului la 0 V pentru o intrare de 0 V, respectiv la o valoare de 24 V la ieşire pentru o intrare de 10 V.

Figura 4.9 Controller board

Tabel 4.3 Date tehnice controler Parametru Valoare Tensiunea de operare 24 VDC Intrare -10…+10 VDC Ieşire -24…+24 VDC Curent de ieşire Max. 1 A

1.3.3 Senzorul ultrasonic SIEMENS BE.SI. 0193

Senzorul ultrasonic fucţionează similar cu radarul sau sonarul care evaluează atributele ţintei prin interpretarea undelor radio care se reîntorc în momentul în care lovesc ţinta. Senzorii ultrasonici generează sunete de frecvenţă înaltă şi apoi interpretează undele care se întorc de la obiect. Senzorul măsoara intervalul de timp între momentul trimiterii semnalului şi receptionarea lui pentru a calcula distanţa până la obiect. Pentru a măsura nivelul într-un rezervor, senzorul măsoara distanţa până la suprafaţa lichidului.

Traductorul este un dispozitiv care transformă energia electrică în energie mecanică şi invers. El generează sunete peste frecvenţa de 20 KHz, transformând energia electrică în sunet, şi apoi transformă undele sonore reflectate de obiect în semnal electric care poate fi măsurat şi prelucrat. Senzorii ultrasonici au în componenţă un traductor piezoelectric din ceramică – emiţător, prin care se transformă un semnal electric în ultrasunete care sunt trimise spre obiect şi apoi se întorc spre senzor sub forma unui ecou. Traductorul receptor converteşte sunetele captate în semnal analogic. Materialele piezoelectrice vibrează ca raspuns la tensiuni alternative de anumite frecvenţe. Elementele piezoelectrice sunt similare condensatorilor, fiind alcătuiţi din doi electrozi separaţi de un material piezoelectric ce funcţionează ca un dielectric. Capacitatea traductorului este dependentă de aria şi grosimea materialului piezoelectric.

Capitolul 5

Principiul operaţional al senzorului ultrasonic se bazează pe generarea de unde acustice şi detectarea lor la reflexia cu un obiect. În mod normal aerul este transportorul undelor ultrasonice. Un generator de sunet este activat pentru o scurtă perioadă de timp şi este emis un puls ultrasonic care este imperceptibil pentru urechea umană. În urma emiterii, pulsul ultrasonic este reflectat de către obiectul care se află în zona sa de acoperire, şi este trimis înapoi emiţătorului. Durata pulsului ultrasonic este evaluată electronic. Semnalul de ieşire este proporţional cu durata semnalului pulsului electronic. Obiectul care este detectat poate fi confecţionat din diferite materiale. Forma sau culoarea obiectului, precum şi starea sa solidă sau lichidă nu au nici un efect asupra detectării acestuia. În cazul în care obiectul este unul cu o suprafaţă netedă, raza senzorului ultrasonic trebuie să cadă perpendicular pe suprafaţă.

Tehnologia bazată pe ultrasunete este însă limitată în aplicaţii de formele şi densitatea materialului care produce reflexia semnalului ultrasonic precum şi de alte particularităţi ale procesului. Spre exemplu dacă într-un rezervor se creează spumă la suprafaţa lichidului nivelul măsurat poate fi eronat.

Figura 4.10 Senzorul ultrasonic SIEMENS BE.SI. 0193

Senzorul SIEMENS BI.SI.0193 poate fi utilizat pentru realizarea a două tipuri de măsurători :

- se poate măsura distanţa de la senzor la obiect, senzorul fiind setat pentru acest tip de măsurare încă din fabrică : semnalul de ieşire creşte proporţional cu creşterea distanţiei dintre senzor şi obiect.

- pentru măsurarea nivelului însă este necesară o altă setare pentru senzor deoarece pe măsură ce nivelul într-un rezervor creşte, distanţa faţă de senzor scade. Domeniul de măsură este practic inversat pentru ca senzorul să dea semnal de ieşire maxim pentru un nivel maxim (distanta minimă faţă de senzor) şi semnal de ieşire minim pentru un nivel minim (distanta maximă faţă de senzor). Altfel spus semnalul de ieşire creşte invers proporţional cu distanţa dintre senzor si suprafaţa lichidului din rezervor.

Figura 4.11 Diagrama schematică a senzorului ultrasonic Tensiunea de alimentare :

‐ 24 V – conductor maro ‐ 0 V – conductor albastru

Semnalul de ieşire analogic : 4-20 mA- conductor negru Senzorul are protecţie împotriva polarizării inverse şi la scurt-circuit. Elementele componente ale senzorului :

1. Oscilator 2. Amplificator 3. Unitate de evaluare 4. Etaj de ieşire 5. Tensiune de alimentare externă 6. Sursă de alimentare internă 7. Convertor ultrasonic 8. Ieşire : semnal de curent

Date tehnice ale senzorului ultrasonic sunt prezentate în tabelul 2.4.

Tabel 2.4 Date tehnice senzor ultrasonic Parametru Valoare

Clasa de protecţie IP67

Greutate Max. 67 g

Temperatura de operare -25 la 70 °C

Devierea de temperatură ± 2,5 % (-25 la 70 °C)

Tensiunea de alimentare 24 VDC

Consum de curent (fără încărcare) < 50 mA

Ieșire analogică

Gama de curent

Încărcare

4-20 mA

0-300 Ω

Capitolul 5

Domeniu de măsurare max. 50-345 mm

Deschizătura unghiului conului de sunet aprox. 5°

Curba caracteristică a senzorului:

Figura 2.8 Curba caracteristică a senzorului ultrasonic

Senzorul nu este liniar pe toată gama de măsurare. Este recomandată folosirea acestui

senzor la măsurarea nivelului lichidelor cuprins între 80 şi180 mm. În afara acestor limite

senzorul poate funcţiona diferit de caracteristica de mai sus.

În figura 2.9 este prezentată legătura dintre semnalul de ieşire şi distanţă:

Figura 2.9 Graficul distanţei şi a gamei de măsurare

1.3.4 Terminal I/O

Figura 4.15 Terminalul I/O Terminalul I/O pune la dispoziţia utilizatorului 8 intrări şi 8 ieşiri. Pe lângă conectorii alocaţi celor 8 ieşiri şi celor 8 intrări mai există terminale distribuitoare care furnizează 0V şi 24V pentru alimentarea senzorilor şi a elementelor de execuţie. Toate punctele de contact şi sursa de alimentare sunt legate la un conector de 24 de pini. Terminalul conţine de asemenea 24 de LED-uri care pot afişa starea intrărilor şi a ieşirilor.

Tabel 4.6 Date tehnice terminal I/O Parametru Valoare Număr de intrări cu LED 8 Număr de ieşiri cu LED 8 Număr de terminale 0 V 22 Număr de terminale 24 V 12 Connector Amphenol-Tuchel 24-pin, 57 GE series

Capitolul 5

Figura 4.16 Atribuirea pinilor

Intrările terminalului I/O pot fi configurate pentru o conexiune cu elemente de comutare de tip PNP sau NPN prin intermediul a două comutatoare.

Senzori cu comutare pozitivă(PNP): Senzori cu comutare negativă(NPN): Ambele comutatoare în poziţia PNP Ambele comutatoare în poziţia NPN

Figura 4.17 Atribuirea pinilor

1.4 Automat programabil

O Unitate Logică de Control Programabila(PLC) este un computer digital folosit pentru automatizarea unor procese electro-mecanice, cum ar fi controlul maşinilor din cadrul unei linii de producţie al unei fabrici, chiar controlul maşinilor şi instalaţiilor din parcuri de distracţie. PLC-urile sunt utilizate in multe ramuri ale industriei pentru a realiza funcţii de control şi pentru eficientizarea procesului tehnologic (industria alimentara, industria constructiilor de masini etc.). Spre deosebire de calculatoarele personale, PLC-urile sunt computere specializate proiectate pentru a fi utilizate pentru procese cu numeroase intrari si iesiri si construite in asa fel sa reziste variatiilor de temperatura, vibratiilor si impactului, imune la zgomote electrice. Programele create sunt stocate in memoria non-volatila.Un PLC este un exemplu de sistem in timp real deoarece iesirile sunt un raspuns la conditiile de la intrare si sunt strans legate de timp.

Un PLC, este un mic computer cu un microprocesor folosit pentru automatizarea proceselor. Programul unui PLC poate adesea controla secvenţe complexe şi de cele mai multe ori este scris de către un inginer. Programul este apoi salvat în memoria EEPROM.

PLC-urile au fost inventate ca o alternativa mai putin costisitoare la vechile sisteme care foloseau zeci sau sute de relee şi timere. Adesea un PLC poate fi programat să înlocuiască sute de relee. Automatele programabile au fost iniţial folosite de industria constructoare de maşini.

Funcţionalitatea unui PLC s-a dezvoltat de-a lungul anilor pentru a include controlul mişcării, control de proces, Sisteme de Control Distribuit si reţele complexe.

La primele PLC-uri funcţiile decizionale erau implementate cu ajutorul unor simple diagrame ladder (Ladder Diagram) inspirate de schemele electrice de conexiuni. Astfel electricienilor le era uşor să depaneze problemele de circuit având diagramele schematizate cu logica lader.

În prezent, linia ce delimitează un computer programabil de un PLC este tot mai subţire. PLC-urile s-au dovedit a fi mai robuste, in timp ce computerele au înca deficienţe. Folosind standardul IEC 61131-3 acum este posibilă programarea PLC folosind limbaje de programare structurată şi operaţii logice elementare. La unele PLC este disponibilă programarea grafică denumită (Sequential Function Charts) bazată pe Grafcet.

Deosebirea principală faţă de alte calculatoare este aceea că PLC-urile au fost create pentru a rezista în condiţii severe (praf, umezeală, căldură, frig etc.) şi au proprietatea că pot fi adăugate module de intrare/ieşire necesare pentru legătura dintre PLC şi senzori sau elemente de execuţie. Pot fi utilizate pentru interpretarea semnalelor analogice (temperatură, presiune, umiditate, etc.), intrări digitale de la relee sau poziţii din cadrul unor sisteme complexe de poziţionare, unele chiar pot fi utilizate pentru procesare de imagini (în cadrul unor procese ce necesită inspecţia vizuală-analiza unor cipuri, inspector pentru recipiente etc.). Din punct de vedere al elementelor de execuţie prin intermediul PLC-urilor pot fi comandate motoare electrice, cilindrii pneumatici şi hidraulici, relee magnetice şi bobine sau ieşiri analogice. Pot fi construite ca un sitem compact sau având posibilitatea de a se adăuga module de intare/ieşire.

1.4.1 Familia de PLC-uri SIMATIC

În trecut, numele de Simatic era sinonim cu automatele programabile, timp de 15 ani a oferit

servicii excelente şi, prin ridicarea continuă a standardelor, a ajuns să fie lider pe piaţa mondială în domeniu. La dezvoltarea Simatic au contribuit doi factori majori:

Capitolul 5

noile programe software Simatic, cuprinzătoare şi intuitive care furnizează instrumente optime în fiecare fază a proiectului de automatizare;

crearea de noi membri ai familiei de automate Simatic, care realizează sarcini mult peste

limitele automatelor programabile obişnuite.

Familia de automate programabile Simatic, reprezentând baza sistemului de automatizare, este constituită din trei tipuri de automate aflate pe piaţă:

S7-200 – automat folosit pentru automatizări mici (de exemplu casnice), cu posibilităţi

de conectare la reţea. Numărul de module de intrare/ieşire poate fi ridicat pentru a satisface cerinţele legate de proces. Limbajul de programare folosit este Step7 Micro;

S7-300 – automat folosit pentru automatizări medii, în plus faţă de S7-200, acesta oferă

posibilitatea de conectare a sursei pe şina centrală. De asemenea aici sloturile sunt numerotate: „1” pentru sursă, „2” pentru unitatea centrală, „3” pentru modulul de interfaţă, „4” pentru cele 11 module de intrare/ieşire. Este prevăzut pentru lucrul în medii cu condiţii dificile (temperaturi foarte ridicate sau scăzute, nivel ridicat de vibraţii, rezistenţă la şocuri. Limbajul folosit este Step7;

S7-400 – automat folosit pentru automatizările complexe, cu o capacitate mai mare de

procesare a informaţiei, posibilitate de conectare a două unităţi centrale la aceeaşi sursă şi capacitate de multiprocesare.

Un automat din familia Simatic este format din sursă, unitate centrală (CPU) şi modulele de

intrare/ieşire. În unitatea centrală se încarcă programul utilizator în timp ce modulele de intrare/ieşire asigură comunicarea cu procesul care urmează să fie controlat. Totodată, componentele din standardul Simatic S7-300/400 permit un sistem redundant de automatizare în cazul proceselor lente, altfel spus, când o staţie cade, o altă staţie poate prelua controlul. În timpul perioadei de interschimbare a staţiilor, toate semnalele din proces sunt îngheţate.

1.4.2 Simatic S7-300 Automatele programabile SIMATIC S7-300, sunt create pentru a satisface cerinţele de

control rezistenţă în timp şi într-un mediu industrial dificil. Acestea pot fi uşor extinse prin adaugarea modulelor de intrare/ieşire, modulelor funcţionale şi a modulelor de comunicaţie. Depinzând de mărimea aplicaţiei ce urmează a fi implementată, automatul poate fi ales dintr-o gamă mai largă, în funcţie performanţe, capacitate şi interfeţe de comunicare. Pentru crearea programului sunt disponibile mai multe limbaje de programare : Statement List (STL), Ladder Diagram (LAD), Function Block Diagram (FBD) şi limbajele de nivel înalt : structured text (ST) şi sequential function chart (SFC). Acestea sunt conforme cu standardul IEC 61131-3 şi sunt folosite în întreaga lume ca un standard internaţional. Automatele din seria SIMATIC S7-300 pot fi utilizate într-o configuraţie modulară fără a fi nevoie de adăugarea unor module de intrere/ieşire. Acest lucru este posibil atât pentru configuraţii centralizate cât şi distribuite, prin intermediul modulelor ET200.

Utilizarea cardurilor de memorie face ca utilizarea unei bateriii de rezervă să fie inutilă şi scade mult costurile de întreţinere. În plus datele conţinute într-un proiect, inclusiv simboluri sau comentariii, pot fi stocate pe cardul de memorie fapt ce măreşte viteza de lucru şi adaugă autonomie. În timpul unor operaţii, pe card sunt stocate şi accesate date de lucru, de exemplu valorile măsurate ale unor elemente din proces sau liste de parametrii. Prin SINAMICS S120 se adaugă modulelor S7-300 siguranţa tehnologică şi control în conformitate cu cerinţele automatizării standard. Automatele dispun de numărătoare de mare viteză, de până la 60 kHz în funcţie de tipul de PLC utilizat din seria S7-300. Acestea sunt utilizate pentru numărare şi măsurarea vitezei de rotaţie sau a poziţiei cu ajutorul encoderelor incrementale. Activarea unor electro-valve sau controlul unor elemente din sistem este uşor realizabilă deoarece automatele au ieşiri pentru modularea în lăţime a impulsurilor. PLC-urile sunt echipate cu blocuri de control integrate, care nu ocupă spaţiu în memorie. Seria CPU 314C oferă soluţii pentru sitemele în care este necesară poziţionarea precisă. Algoritmul de poziţionare pentru deplasarea pe o axă, în coordonate relative sau absolute în funcţie de viteza prescrisă, este integrat în sistemul de operare al automatului. Acestea pot fi combinate cu intrările sau ieşirile diponibile, pentru controlul unor bucle închise simple. Sitemul de poziţionarea poate fi constituit dintr-un encoder incremental de 24V. Referinţa poate fi transmisă prin intermediul a 4 ieşiri digitale sau a unei ieşiri analogice cu domeniul ±10V.

Sunt implementate regulatoare PID standard care pot fi uşor adaptate prin conectarea sau deconectarea funcţiilor, spre sau de la, un proces tehnologic. Regulatoarele pot fi utilizate în cazul unor bucle de control mici sau medii: controlul temperaturii, controlul presiunii, reglarea debitului sau al nivelului. Regulatoarele standard se pretează cel mai bine pe aplicaţii care au fost automatizate cu automate compacte.

Sunt câteva tipuri de reglare presetate cum ar fi :

Bucle multiple pentru reglare de raport

Reglarea amestecului

Reglare în cascadă

Reglare feed-forward

CPU 314C-2 DP:

Capitolul 5

CPU compact cu intrări/ieşiri digitale şi analogice şi cu interfaţă PROFIBUS DP master/slave

Funcţii în strânsă legătură cu procesul

Funcţii speciale în conformitate cu cerinţele utilizatorului

Pentru conexiunea cu dispozitive I/O de sine stătătoare

Unităţile centrale de procesare (CPU 314C-2DP) din cadrul seriei Simatic S7-300 sunt echipate cu intrări/ieşire analogice şi digitale integrate, porturi de comunicaţie (interfaţa DP şi MPI) şi oferă funcţii tehnologice integrate cum ar fi numărarea la viteze mari, controlul poziţiei, conectare la encodere incrementale şi modulaţie în impulsuri (PWM) pentru acţionarea directă a valvelor.

Din punct de vedere tehnologic, unităţile centrale de procesare trebuie să fie soluţii de cost redus. Tehnologia din unităţile centrale de procesare folosită de Simatic, elimină nevoia folosirii de hard şi soft adiţional prin integrarea funcţionalităţii de mişcare şi control direct în CPU-ul standard. De asemenea cele două interfeţe de comunicaţie incluse asigură realizarea de conexiuni pe o suprafaţă cât mai mică.

1.4.3 Caracteristici Step7 Programarea automatelor de tipul S7-300, precum şi a altor automate din familia Simatic

se realizează prin folosirea mai multor limbaje şi metode de programare cum ar fi LAD, FBD şi STL, incluse în pachetul software Step7. Trebuie menţionat faptul că programarea se poate realiza doar după instalarea automatului şi realizarea configuraţiei hardware a componentelor sale.

Mediul de programare Step7 include un editor pentru cele trei moduri de programare. LAD şi FBD sunt limbaje grafice, fiind mai uşor de folosit, în timp ce STL se bazează pe o listă de instrucţiuni.

Astfel, prin limbajul grafic LAD se pot realiza programe prin conectarea în serie sau paralel a diferitelor contacte închise/deschise, iar în FBD programele se pot realiza prin folosirea

Figura 4.18 CPU 314C-2 DP

simbolurilor pentru funcţiile logice ŞI, SAU, NOT (figura 4.17). Prin limbajul LAD, sau diagramele Ladder, se realizează cea mai obişnuită metodă de descriere a circuitelor logice cu relee. Limbajul iniţial utilizat pentru reprezentarea circuitelor electrice, s-a impus prin uşurinţa folosirii şi la automatele programabile.

Limbajul bazat pe o listă de instrucţiuni, STL, este asemănător limbajului de asamblare folosit în cazul microprocesoarelor. În acest caz programul automatului apare sub forma unei liste de instrucţiuni, fiecare linie definind funcţia care urmează să fie realizată, sau dacă este cazul o adresă, sau o etichetă de salt. Limbajul în care se doreşte realizarea programului pentru automatul programabil poate fi ales fie la începutul programului, fie pe parcurs, majoritatea funcţiilor fiind compatibile pentru cele 3 limbaje diferite. În acelaşi bloc de instrucţiuni nu pot fi alese metode diferite de programare (adică e necesar sau LAD, sau STL, sau FBD, asemenea figurii 4.19).

Programele sunt editate sub forma unor blocuri. Blocurile organizaţionale reprezintă

interfaţa între sistemul de operare de pe unitatea centrală şi programul utilizator. Cele trei moduri de programare presupun doar o procesare la nivel de bit a informaţiei, existând posibilitatea de manipulare şi la nivel de octet sau cuvânt. De asemenea, sistemul de operare de pe unitatea centrală – care este salvat pe un card de memorie – în momentul apariţiei unui eveniment, apelează blocurile care marchează începutul programului folosind diverse clase de prioritate sau nivele de execuţie. Blocurile de tipul funcţie, pot fi apelate din cadrul blocurilor organizaţionale şi apoi executate. Blocul care are rolul de un program principal pentru aplicaţia care va fi interpretată de automate se numeşte OB1. În OB1 trebuie încărcate funcţiile şi aplicaţiile care vor rula la execuţia programului.

Programarea folosind diagramele Ladder se realizează prin aranjarea elementelor grafice ale aplicaţiei. În structura programului organizată pe reţele (Network 1..n) pot fi poziţionate contacte, bobine (analogice cu diagrame electrice) sau cutii. Majoritatea elementelor au nevoie de o identificare prin adresă sau etichetă. Contactele sunt folosite ca simboluri pentru intrări, iar prin aranjarea acestora în serie sau în paralel se pot realiza operaţii logice asupra stării semnalelor (figura 4.20). Contactele normal deschise sunt asociate pentru valoarea 1 a semnalului reprezentat, în timp ce, contactele normal deschise reprezintă valoarea 0 a semnalului de intrare.

contact normal deschis

contact normal închis

contact special (negare)

Figura 4.19 Exemplu Step7 în cele 3 limbaje

Capitolul 5

Figura 4.20 Tipuri contacte

Ieşirile unui automat programabil sunt în general atribuite bobinelor. Dacă rezultatul este 1, bitul de la adresa bobinei este setat. Mai există de asemenea şi bobine de salt într-un anumit loc din program. (figura 4.21)

reset

bobină simplă

Figura 4.21 Tipuri bobine

Elementele de program care nu au o funcţionare binară sunt reprezentate prin cutii (boxes). Cutiile pot fi cu validare, sau fără validare şi pot reprezenta mai multe tipuri de funcţii (figura 4.22)

Figura 4.22 Simboluri ladder

1.5 SCADA

SCADA este prescurtarea pentru Monitorizare, Control si Achizitii de Date (Supervisory Control And Data Acquisition). Termenul SCADA se referă de obicei la un centru de comandă care monitorizează şi controlează un întreg spaţiu de producţie. Cea mai mare parte a operaţiunilor se execută automat de către RTU - Unităti Terminale Comandate la Distanţă (Remote Terminal Unit) sau de către PLC- Unităti Logice de Control Programabile (Programmable Logic Controller).

Funcţiile de control ale centrului de comandă sunt de cele mai multe ori restrânse la funcţii decizionale sau funcţii de administrare generală.

Figura 5.1 Exemplu SCADA

Achiziţia de date începe la nivelul RTU sau PLC şi implică citirea indicatoarelor de

măsură şi a stării echipamentelor care apoi sunt comunicate la cerere către SCADA. Datele sunt apoi restructurate într-o formă convenabilă operatorului care utilizează o interfaţă HMI, pentru a putea lua eventuale decizii care ar ajusta modul de lucru normal al RTU/PLC. (Un sistem

SCADA include componentele: HMI, controllere, dispozitive de intrare-ieşire, reţele, software şi altele)

Un sistem SCADA tipic implementează o bază de date distribuită care conţine elemente denumite puncte. Un punct reprezintă o singură valoare de intrare sau ieşire monitorizată sau controlată de către sistem. Punctele pot să fie hard sau soft. Un punct hard este reprezentarea unei intrări sau ieşiri conectată la sistem, iar un punct soft reprezintă rezultatul unor operaţii matematice şi logice aplicate altor puncte hard şi soft. Valorile punctelor sunt stocate de obicei împreună cu momentul de timp când au fost înregistrate sau calculate. Seria de puncte+timp reprezintă istoricul acelui punct.

Achiziţionarea unui sistem SCADA (denumit si DCS- Sistem de control distribuit Distributed Control System) poate fi facută de la un singur producător sau utilizatorul poate asambla un sistem SCADA din subcomponente de la diverşi producători.

O parte importantă a implementărilor SCADA sunt alarmele. O alarmă este starea logică a unui punct care poate avea valoarea NORMAL sau ALARMAT. Alarmele pot fi create în aşa fel încât ele se activează atunci când condiţiile sunt îndeplinite. Un exemplu de alarmă este avertizorul luminos “rezervorul de benzină gol” al unei maşini. Alarmele îndreaptă atenţia operatorului SCADA spre partea sistemului care necesită o intervenţie. La activarea alarmelor, un manager de alarme poate trimite mesaje email sau text operatorului.

HMI - Interfaţa om-masină (Human Machine Interface)

Industria de HMI/SCADA a apărut din nevoia unui terminal prietenos pentru utilizator într-un sistem alcătuit cu unităţi PLC. Un PLC este programat să controleze automat un proces, însă faptul că unitaţile PLC sunt distribuite într-un sistem amplu, colectarea manuală a datelor procesate de PLC este dificilă. De asemenea informaţiile din PLC sunt de obicei stocate într-o forma brută, neprietenoasă.

HMI/SCADA are rolul de a aduna, combina şi structura informaţiile din PLC printr-o formă de comunicaţie. Incă din anii 1990 rolul sistemelor SCADA în sistemele inginereşti civile s-a schimbat, necesitând o mai mare cantitate de operaţiuni executate automat. Un HMI elaborat, poate fi de asemenea conectat la o bază de date pentru realizarea de grafice în timp real, analiza datelor, proceduri de întreţinere planificate, scheme detaliate pentru un anumit senzor sau utilaj, precum şi metode de depanare a sistemului. Din 1998, majoritatea producătorilor de PLC oferă sisteme HMI/SCADA integrate, cele mai multe folosind sisteme de comunicaţie şi protocoale deschise, neproprietare. Majoritatea sistemelor HMI/SCADA oferă compatibilitate cu PLC-urile.

Componentele sistemului SCADA

Cele trei componente ale sistemului SCADA sunt:

1. Mai multe RTU sau PLC 2. Staţia Master şi HMI Computer(e) 3. Infrastructura de comunicaţie

Staţia master şi HMI Termenul se referă la serverele şi software-ul responsabil de comunicarea cu echipamentele amplasate la distanţa (RTU, PLC, etc) şi apoi cu software-ul HMI care ruleaza pe staţiile de lucru din camera de control. În sistemele SCADA mici, staţia master poate fi un singur PC. În sistemele mari, staţia master poate include mai multe servere, aplicaţii software distribuite, şi unităţi de salvare în caz de dezastre.

Proiect de diplomă

Un sistem SCADA prezintă de regulă informaţia operatorului sub forma unei schiţe sugestive. Aceasta înseamnă că operatorul poate vedea o reprezentare a instalaţiei supravegheate. De exemplu, o imagine a unei pompe conectate la o conductă poate afişa operatorului faptul că pompa lucrează şi cât fluid este pompat prin conductă la un moment dat. Operatorul poate apoi opri pompa. Software-ul HMI afişează debitul fluidului în scădere în timp real. Pachetul HMI/SCADA include de obicei un program de desenare pe care operatorul sau personalul de întreţinere îl foloseşte pentru a schimba modul în care punctele sunt reprezentate în interfaţa utilizator. Aceste reprezentări pot lua forme simple cum ar fi un semafor sau chiar forme complexe cum ar fi poziţia unor lifturi sau a unor trenuri.

Infrastructura de comunicaţie Sistemele SCADA folosesc combinate conexiuni radio, seriale sau conexiuni

modem în funcţie de necesităţi. Pentru amplasamente mari cum ar fi căi ferate sau staţii de alimentare sunt folosite de asemenea conexiuni Ethernet şi IP/Sonet.

Protocoalele SCADA sunt concepute foarte compacte şi multe sunt concepute ca să poată trimite informaţii staţiei master chiar şi când staţia master interoghează RTU. Protocoalele iniţiale SCADA de bază sunt Modbus, RP-570 şi Conitel. Aceste protocoale sunt dependente de producător. Protocoalele standard sunt IEC 60870-5-101 sau 104, Profibus şi DNP3. Acestea sunt protocoale standardizate şi recunoscute de majoritatea producătorilor SCADA. Multe din aceste protocoale conţin acum extensii pentru operarea pe TCP/IP, cu toate acestea securitatea cerută în practică sugerează evitarea conexiunii la Internet pentru a reduce riscurile unor atacuri.

Portul de comunicaţie cel mai des intâlnit la PLC-uri este RS232(9-pini) dar sunt utilizate tot mai des pentru comunicaţie şi alte porturi: RS485,Ethernet, Modbus sau Profibus.

1.6 IMPLEMENTARE SOFWARE

Mediul SIMATIC Step7

STEP 7 este pachetul software standard utilizat pentru configurarea şi programarea automatelor programabile SIMATIC. Există mai multe versiuni pentru pachetul Step7 Standard, corespunzând diferitelor versiuni de automate programabile Siemens. În cadrul acestei aplicaţii se va utiliza pachetul Step7 pentru seria de automate SIMATIC S7-300/S7-400. Crearea unui proiect în Step7 presupune parcurgerea unor paşi de lucru. Aceştia sunt prezentaţi în figura 6.1

Capitolul 6

Figura 6.1 Crearea unui proiect în Step7

Fereastra principală este SIMATIC Manager (figura 6.2 ) care se deschide când Step7 este pornit. De aici utilizatorul are acces la toate funcţiile oferite de pachetul Step7.

Mediul SIMATIC Step7 se porneşte din Windows -> Start-> SIMATIC->SIMATIC Manager.

Proiect de diplomă

Figura 6.2 Ferestra principală SIMATIC Manager

Crearea unui nou proiect în SIMATIC Manager poate fi realizată în două moduri: folosind New Project Wizard sau fară a folosi wizard-ul după cum se vede în figura de mai sus. Alegând varianta Wizard vor fi urmati 4 paşi pantru crearea noului proiect care sunt prezentaţi în figura 6.3. Acesti patru paşi constau în alegerea unui tip de CPU, a blocurilor de organizare, modului de programare şi numele noului proiect. Pentru cazul de faţă configuraţia este următoarea : CPU314C-2 DP(1) cu blocurile de organizare OB1 şi OB35 iar limbajul de programare este LAD(Ladder Logic).

Figura 6.3 Crearea unui nou proiect cu „Project Wizard”

Capitolul 6

Dacă nu se alege varianta în care se foloseşte wizard-ul toate aceste componente vor fi adăugate individual folosind Hardware Configurator.

Figura 6.4 Hardware Configurator

În partea drepată a ferestrei se află lista de componente disponibilă pentru configurarea software a automatului astfel ca acesta să corespunda cu automatul programabil propriu-zis. Se va alege o şină „ rack ” pe care vor fi ataşate componentele. Şina va fi aleasă din librăria SIMATIC 300 în care vom găsi şi automatul CPU314C-2 DP(1) şi care va fi adaugat în „ rack ”. Următorul pas pentru realizarea configurării este alegerea modulelor de extensie pentru intrari analogice şi digitale. În acest caz nu este nevoie de adaugarea unor astfel de module pentru ca ele fac parte din componenţa standard a automatului CPU314C-2 DP(1) dar şi pentru ca standul experimental dispune de un automat programabil care nu are astfel de module în plus. Pentru modulul analogice este necesar să fie setate intrările şi ieşirile ca în figura 6.5.

Proiect de diplomă

Figura 6.5 Atribuirea adreselor intrărilor/ieşirilor analogice Intrările analogice vor fi adresate în modul următor : PIW256 până la PIW265. Ieşirile analogice vor fi adresate în modul următor : PQW256 până la PQW259. Pentru modulul digital este necesar să fie setate intrările şi ieşirile ca în figură :

Figura 6.6 Atribuirea adreselor intrărilor/ieşirilor digitale Intrările digitale vor avea următoarele adrese : I0.0 până la I0.7

I1.0 până la I1.7 I2.0 până la I2.7 Ieşirile digitale vor avea următoarele adrese : Q0.0 până la Q0.7 Q1.0 până la Q1.7

Capitolul 6

În figura 6.7 este prezentată fereastra SIMATIC Manager în care este vizibilă structura programului. Softul este aranjat în Step7 într-un director numit “S7 Program”. Pentru a rula programul acesta este descărcat în automat prin intermediul butonului Download din bara de instrumente a ferestrei SIMATIC Manager.

Figura 6.7 Structura programului Programul are în componenţă blocuri de organizare, blocuri de instanţiere şi funcţii.

Blocul OB1 :

Blocul de organizare principal în care poate fi scris programul sau pot fi apelate funcţiile bloc din care este alcătuit programul.

Procesul poate fi pornit sau oprit atât de la panoul de control de pe stand cât şi din interfaţa procesului de pe calculator. Utilizatorul are această opţiune prin simpla trecere a comutatorului în starea AUTO, pentru a controla procesul de pe panoul sinoptic, sau în starea MAN caz în care se vor folosi butoanele Start şi Stop de pe panou. Butonul Start dispune de un led de control care este aprins în momentul în care procesul este pornit, indiferent dacă reglarea a fost pornită de pe panoul de control sau de pe calculator. Aprinderea ledului de control este implementată tot în blocul OB1.

În blocul OB1 este apelată funcţia FC1 pentru scalarea intrării de la senzor şi a referinţei. Comanda dată de regulatorul implementat în blocul de organizare OB35 este transmisă la elementul de execuţie, pompa centrifugă, prin intermediul unui bloc „MOVE” Funcţia de scalare FC1 :

Semnalul primit de la senzor este stocat într-o variabilă MW10 (Memory Word). Această valoare este scalată, prin intermediul unui bloc de scalare, în milimetrii, valoare care va putea fi vizualizată pe calculator pe interfaţa grafică a procesului. De asemenea această valoare este scalată in intervalul 0...100 pentru a fi transmisă ca intrare la regulator.

Referinţa va fi introdusă manual de utilizator în milimetrii şi deci trebuie scalată în intervalul 0...100 pentru a fi transmisă la regulator.

Proiect de diplomă

Blocul OB35 : Reglarea nivelului este realizată cu ajutorul unei funcţii bloc (FB41) de reglare continuă

implementată de Step7. SFB/FB „CONT_C” (FB41) este folosită în automatele programabile SIMATIC S7 pentru a controla procese tehnologice cu intrări continue şi ieşiri variabile. În cadrul atribuirii parametrilor, funcţiile PID-ului pot fi activate sau dezactivate pentru a adapta controller-ul la proces. Funcţia poate fi folosită pentru a controla procese cu referinţa fixă sau în bucle de control, cum ar fi cascadă sau reglare de raport. Funcţiile regulatorului se bazează pe algoritmul de control PID al unui regulator cu semnal analogic, şi se poate include dacă este necesar un generator de impulsuri, pentru a obţine un semnal de ieşire modulat în timp.

Regulatorul funcţionează corect doar dacă blocul este apelat la intervale de timp bine stabilite. Din acest motiv, regulatorul se include într-unul din blocurile de organizare cu întreruperi (OB30...OB38). În cazul de faţă este utilizat blocul OB35. Timpul pentru citirea ciclică se setează în milisecunde la intrarea CYCLE.

Funcţia FB41 implementează un regulator PID care influenţează continuu variabilele de ieşire oferind şi posibiliatea unui control manual al ieşirii.

În figura 6.7 este prezentată schema bloc a regulatorului implementat în Step7.

Figura 6.8 Schema bloc a regulatorului

Capitolul 6

Descrierea parametrilor funcţiei SFB/FB „CONT_C” (FB41) : - Referinţa (SP_INT) – referinţa se introduce ca un număr real la intrarea SP_INT - Variabila de proces (PV_IN sau PV_PER) – variabila de proces poate fi sub forma unei intrări analogice (PV_PER) cât şi ca un număr real (PV_IN). Funcţia CRP_IN transformă intrarea analogică în format real -100...+100 % după formula:

(Ieşirea pentru CPR_IN)=PV_PER*

- Eroarea (ER) - Semnalul de eroare este diferenţa dintre referinţă şi variabila de proces. Pentru a înlătura eventuale oscilaţii ale comenzii se poate defini un histerezis pentru eroare (DEADBAND) - Algoritm - Componentele proporţional(P), integrator (I), derivativ (D) sunt conectate în paralel şi pot fi activate individual sau în acelaşi timp, pentru a configura regulatoarele P, PI, PD sau PID. Regulatoarele I şi D pure sunt de asemenea posibile. - Valoare manuală (MAN) - Regulatorul poate fi folosit atât în mod automat cât şi manual. În modul manual comanda poate fi corectată prin introducerea unor valori manuale pe această intrare. - Comanda: (LMN, LMN_PER) - Aceasta poate fi încadrată între două limite prin funcţia LMNLIMIT. Valoarea comenzii este între 0...100 dar poate fi adusă şi sub forma 0...27648 după formula:

LMN_PER= LMN*

- Feed Forward – Regulatorul dispune şi de optiunea unui control feed-forward prin atribuirea la intrarea DISV a perturbaţiei. Intrări utilizate:

MAN_ON – regulatorul este setat în modul manual dacă intrarea are valoarea „1” logic. P_SEL – selecţia factorului proporţional I_SEL – selecţia factorului integrator SP_INT – referinţa în intervalul 0..100 PV_IN – variabila de proces în intervalul 0..100 MAN – valoare manuală a comenzii GAIN – factorul proporţional TI – constanta de timp a factorului integrator

Ieşiri utilizate: LMN – comanda în intervalul 0..100 LMN_PER – comanda în intervalul 0..27648 (se aplică elemtului de execuţie) ER – semnalul de eroare Blocul DB2 :

Bloc de instanţiere pentru funcţia FB41. Parametrii regulatorului pot fi de asemenea setaţi din acest bloc (Alegerea tipului de regulator, valorile pentru componentele proporţional şi integrator ale regulatorului, etc.)

Proiect de diplomă

SIMATIC WinCC Flexible

Un operator care lucrează într-un mediu în care procesele devin tot mai complexe, are nevoie de transparenţă. Interfaţa om-maşină(Human Machine Interface) oferă această transparenţă.

Sistemele HMI reprezintă interfaţa dintre om (operatorul) şi proces (maşină). Automatele programabile sunt cele care controlează efectiv procesul. Astfel, există o interfaţă între operator şi WinCC flexible (dispozitivul HMI) şi o interfţă între WinCC flexible şi automatul.

Un sitem HMI presupune: Vizualizarea procesului. Procesul poate fi urmărit pe dispozitive HMI ( Operating

Panel-OP, Multi Panel-MP, Touch Panel-TP, PC). Imaginea afişată pe dispozitivul HMI este continuu modificată în concordanţă cu ceea ce se întâmplă în câmp.

Controlul operatorului asupra procesului. Operatorul poate controla procesul prin intermediul interfeţei grafice. De exemplu, acesta poate seta valori de referinţă pentru controlul unui motor sau poate controla direct ventile, pompe şi alte componente ale procesului.

Afişarea alarmelor. Stările critice din proces sunt semnalate pe astfel de dipozitive, astfel că operatorul poate interveni în timp util pentru evitarea unor defecţiuni majore. În cazul unei reglări depăşirea valorii presetate pentru referinţă ar putea avea efecte negative importante în cadrul unui sitem.

Stocarea variabilelor de proces şi a alarmelor. Sistemele HMI pot crea baze de date în care să fie stocate valori ale variabilelor de proces sau alarme (Data logs). Această opţiune permite înregistrarea a unor secvenţe din proces care pot fi mai apoi analizate pentru a îmbunătăţi producţia.

Parametrii de funcţionare. Parametrii unui proces sau a unor maşini pot fi reţinuţi în aşa numitele reţete (Recipes). De exemplu aceşti parametrii de funcţionare se pot referii la caracteristicile anui anumit produs şi pot fi descărcaţi de pe dispozitivul HMI pe PLC pentru a schimba produsul curent cu un altul, sau chiar a capacităţii de producţie.

SIMATIC HMI :

oferă soluţii pentru controlul şi monitorizarea srcinilor; procesul este adus la standarde înalte prin menţinerea tuturor dispozitivelor si unităţilor de lucru la un nivel ridicat de funcţionare.

Sistemele SIMATIC HMI utilizate pentru controlul şi monitorizarea centrelor de producţie reprezintă nivelul superior din punct de vedere al performanţei.

WinCC flexible este sofware-ul care oferă soluţii inginereşti comfortabile şi eficiente pentru conceptele orientate spre automatizarea de viitor.

Capitolul 6

Concepte de WinCC Flexible: WinCC Flexible Engineering System. WinCC Flexible Engineering System este

un software pentru controlul proceselor industriale

WinCC Flexible Runtime. WinCC Flexible Runtime este un software pentru

vizualizarea procesului. Proiectul se execută în modul proces în Runtime.

Opţiunile WinCC Flexible. Opţiunile WinCC Flexible permit expandarea

funcţionalităţii standard a WinCC Flexible.

Conexiunea între PC şi PLC este realizată printr-un adaptor MPI/RS232. Interfaţa PLC-

ului este una MPI iar interfaţa PC-ului este RS232. MPI (Multi-Poin Interface) este interfaţa standard a PLC-urilor SIMATIC din familia 300 şi 400 spre deosebire de familiile mai vechi care dispuneau doar de o interfaţă PPI (Point to Point Interface). Pe lângă acestă interfaţă de comunicare automatele Siemens mai pot dispune, în funcţie de model, de o interfaţă Profibus (DP) precum şi de alte interfeţe standardizate din industrie, dar pentru aceasta este nevoie să se ataşeze PLC-ului procesoare specializate de comunicaţie (exemplu de alte interfeţe: Ethernet, RS485, RS422 etc.). Crearea unui proiect

În figurile ce urmează sunt prezentaţi cei 8 paşi necesari pentru crearea unui nou proiect. Proiectul WinCC Flexible se integrează proiectului Step7 prezentat anterior. Există şi opţiune creării unui nou proiect WinCC Flexible direct din fereastra SIMATIC Manager.

Proiect de diplomă

Crearea unui nou proiect prin intermediul opţiunii „Project Wizard”

Figura 6.9 Crearea unui nou proiect- Pas1

Dintr-o listă se alege opţiunea „Small Machine”- reprezintă tipul de proiect

pentru o legătură directă PLC - Panou Sinoptic.

Se integrează proiectul Step7 pentru care se doreşte crearea unei interfeţe grafice.

Figura 6.10 Crearea unui nou proiect- Pas2

Capitolul 6

Se alege tipul de dispozitiv HMI- în acest caz se alege „WinCC Flexible

Runtime”. Este setată şi rezoluţia pentru ecran.

Tipul de conexiune – MPI/DP

Seria din care face parte automatul programabil – SIMATIC S7 300/400

Figura 6.11 Crearea unui nou proiect- Pas3

Se specifică dacă se doreşte crearea unui header, butoane do control pentru

navigaţie, linie pentru alarme/ fereastră pentru alarme.Tipul de conexiune – MPI/DP

Selectarea elemtelor ce vor fi incluse în header.

Selectarea poziţiei şi stilul bara de navigaţie cât şi a alarmelor.

Figura 6.12 Crearea unui nou proiect- Pas4

Proiect de diplomă

Alegerea numărului de ecrane.

Alegerea numărului ecranelor cu detalii corespunzătoare fiecărui ecran.

Figura 6.13 Crearea unui nou proiect- Pas5

Se specifică dacă se doreşte crearea unui ecran principal pentru toate ecranele

sistem, sau dacă ecranele ar trebui afişate direct în poziţia specifică.

Figura 6.14 Crearea unui nou proiect- Pas6

Capitolul 6

Se adaugă librăriile necesare.

Sunt selecate până la 6 fişiere care pot fi integrate ca librării opţionale.

Figura 6.15 Crearea unui nou proiect- Pas7

Se adaugă comentarii.

Apasând butonul „Finish” este generat proiectul ce conţine toate setările specificate în paşii anteriori

Figura 6.16 Crearea unui nou proiect- Pas8

Proiect de diplomă

În secţiunea următoare este prezentată interfaţa grafică a proiectului şi lista de tag-uri. Tag-urile sunt variabile de lucru ce corespund fiecărui obiect creat în WinCC. Prin intermediul tag-urilor se face legătura între obiectele create în WinCC Flexible şi adresele utilizate în Step7.

Figura 6.17 Interfaţa grafică –prima pagină

Capitolul 6

Figura 6.18 Interfaţa grafică –a doua pagină Interfaţa grafică este compusă din două pagini. Navigarea între cele două pagini se face prin intermediul unor butoane de legatură. În prima figură se poate vizualiza panoul sinoptic al procesului. Acesta este alcătuit din următoarele elemente:

Două recipiente pentru reglarea nivelului. În primul are loc reglarea efectivă iar cel de-al doilea este rezervorul tampon. Primul rezervor dispune de o bară gradată pe care se poate urmări evoluţia efectivă a nivelului

În partea stângă a ferestrei sunt câmpurile în care poate fi vizualizat nivelul în recipient în milimetri şi în care utilizatorul poate introduce valoarea referinţei tot în milimetri.

Elementul de execuţie (pompa centrifugă) este de asemenea reprezentată. În timpul funcţionării aceasta îşi va schimba culoarea în verde, împreună cu traseul de după pompă pentru ca utilizatorul să ştie în ce stare se află procesul fără a fi nevoit să urmărească evoluţia acestuia pe standul fizic.

Pe traseul de întoarcere este reprezentat ventilul pneumatic care poate fi acţionat de operator printr-un simplu click cu mouse-ul.

Proiect de diplomă

În partea de sus sunt butoanele de „Start” şi „Stop” ale procesului precum şi LED-ul de stare al comutatorului ce se află pe stand. Dacă are culoarea verde atunci comutatorul se află în poziţia „AUTO”. La dreapta se află butonul care face legătura cu cea de-a doua fereastră a proiectului.

În ce-a de-a doua fereastră se află graficul pe care sunt reprezentate atât referinţa cât şi valoarea nivelului în funcţie de timp. Pentru o funcţionalitate ridicată câmpurile „Referinţă” şi „V. Proces” sunt prezente şi în această fereastră. În partea de sus este un buton de întoarcere la pagina principală. Pentru ambele ferestre au fost create butoane pentru lucrul în modul „Fullscreen” sau „Fereastră” şi butonul de „Ieşire” asemănător cu butoanele din Windows pentru aceleaşi funcţii. Astfel operatorul se familearizează mai uşor cu interfaţa poiectului.

Figura 6.19 Lista tag-uri În figura de mai sus este prezentată lista de tag-uri utilizate pentru crearea tuturor obiectelor din proiect. Tag-urile trebuie să fie externe şi de tipul conexiunii cu PLC-ul. Pot fi create şi tag-uri interne dar acestea pot fi utilizate numai în WinCC Flexible, fără a avea posibilitatea de a lega aceste tag-uri de adresele din PLC. Se pot adăuga nume sau se poate schimba ciclul de citire al tag-ului. Ciclul de citire se referă la viteza de actualizare a unui tag. Acesta poate fi de ordinul milisecundelor dar poate fi stabilit chiar şi de ordinul minutelor.

Capitolul 7

TESTARE

În acest capitol sunt prezentate două situaţii experimentale pentru a prezenta funcţionarea programului. Operatorul stabileşte nivelul la care trebuie să ajungă lichidul în rezervor şi introduce manual în câmpul „Referinţă” valoarea acestuia. După cum se va putea observa nivelul evoluează spre referinţă ca urmare a unei comenzi date de regulator.

Figura 7.1 Exemplu de funcţionare 1 S-a stabilit referinţa nivelului la 100 milimetrii. Nivelul în rezervor urcă până aprope de

referinţa stabilită la valoarea actuală 99.5 milimetrii. În tabelul de jos pot fi urmărite valorile intermediare ale nivelului în dreptul câmpului „Variabila Proces” prin simpla deplasare a barei verticale de-a lungul graficului rezultat.

Figura 7.2 Exemplu de funcţionare 2 Nivelul de referinţă este 150 milimetrii. Valoarea nivelului actual ajunge la 148 de

milimetrii. Reglarea nivelului este influenţată în mare măsură de presiunea exercitată de coloana de lichid, de aceea pentru valori apropiate de nivelul maxim, răspunsul sitemului este mai lent.

Proiect de diplomă

Desfăşurarea lucrării

Se vor parcurge următoarele etape: - citirea schemelor tehnologice şi electrice - testare senzor-adaptor nivel, verificare caracteristică, etalonare - testare element de execuţie-pompa, determinare caracteristică – eventuale neliniarităţi - identificare din date constructive şi debit (se măsoară debitul pompei care în regim staţionar va fi egal cu debitul de ieşire) - identificare din răspuns indicial - acordare regulator, testare prin simulare, testare experimentală

Referat – in cazul standului conducta de alimentare rezervor este sub nivelul lichidului. Se

va analiza influenta presiunii asupra debitului de intrare qi .

Bibliografie

Bibliografie

[1] Siemens, „S7-300 Programmable Controller Hardware and Instalation”, Manual; [2] Siemens, „Programming with Step7”, Manual; [3] http://automation.siemens.com; [4] http://www.wikipedia.org [5] Jürgen Helmich, „PCS Compact Workstation Manual”, Adiro Automatisierungstechnik GmbH, Esslingen, Germanz, 2005 [6] Ioan Naşcu, „Sisteme de Control ale Proceselor Continue”, Curs SCPC, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, 2006 [7] Wincc Flexible Help System [8] http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Equipamiento/PLC/st70k3_e.pdf [9] http://www.ferret.com.au/c/CNC-Design/Siemens-SIMATIC-S7-300-PLC-automation-controllers-available-from-CNC-Design-n838604

Proiect de diplomă

Acronime

CPU – Central Prosesing Unit DCE – Data Communication Equipement DTE – Data Terminal Equipement FB – Function Block FBD – Function Block Diagram FC – Function HMI – Human Machine Interface ISO – International Standard Organization LAD – Ladder Diagram MODBUS – Modicon Bus MPI – Multi Point Interface OB – Organization Block PC – Personal Computer PLC – Programmable Logic Controller PROFIBUS – Process Field Bus PWM – Pulse With Modulation RTU – Remote Terminal Unit SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition STL – Statement List TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol UART - Universal asynchronous receiver/transmitter

Anexa

Anexa

Proiect de diplomă

Anexa

Proiect de diplomă

Anexa

Proiect de diplomă