metode si echipamente de control a proceselor industriale - prezentare 2014

METODE SI ECHIPAMENTE DE CONTROL A PROCESELOR INDUSTRIALE

Obiective:Dobandirea de cunostiinte legate de structura, alegerea si configurarea sistemelor de monitorizare sicontrol a proceselor indutrialeStudierea a 4 tipuri de sisteme de control a proceselorindustriale

Abilitati dobandite:Sa construiti aplicatii de monitorizare a unui procesindustrialSa construiti aplicatii de control industrialSa construiti, sa programati si sa comandatifunctionarea unui robot

Conf. Dr. Ing. Dan Hurgoiu

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE IN MONITORIZAREA SI CONTROLUL

PROCESELOR

Procesul industrial reprezinta o serie de operatii pentru a produce un bun sau un obiect. Un proces industrial este caracterizat de marimi de proces.

Monitorizarea proceselor industriale consta in evaluarea starii proceselor prin achizitia in timp real a marimilor de proces, prelucrarea lor si reprezentarea acestora.

Un sistem de monitorizare cuprinde sisteme de masurare a marimilor de proces, echipamente de conversie si o unitate de calcul pentru procesare si reprezentare a datelor.

Controlul proceselor industriale consta in gestionarea, comanda, reglarea functionarii masinilor si echipamentelor componente ale procesului, astfel incat sa se obtina evolutia dorita a marimilor de proces.

Un sistem de conducere a unui proces industrial complex cuprinde atat functii de monitorizare, cat si de control.

Scopul este de a controla si monitoriza performantele procesului. Daca sunt asigurate performantelor procesului, din procesul de fabricatie rezulta produsul finit.

Definitii

Controlul marimilor de proces

În controlul proceselor există două tipuri de sisteme de bază pentru reglajul automat al mărimilor de proces:

- sisteme de control în buclă deschisă- sisteme de control în bucla inchisă.

Controlul în buclă deschisă deschisă (Open-Loop Control System)reprezintă cea mai simplă modalitate de comandă, intrarea de referinţă esteconvertită de regulator în semnal de comandă pentru sistemul de acţionare.

Controlul în buclă închisă (Closed-Loop Control System) constă încompararea continuă între intrarea de rererinţă şi ieşirea măsurată.Aceasta presupune existenţa unui element de măsurare a mărimiicontrolate şi a unui element de detectare a erorii, eroare care va ficonvertită de regulator în semnal de comandă pentru sistemul deacţionare.

Sistemele de comandă în buclă închisă se folosesc în cazul sarcinilorvariabile sau în care apar pertubaţii.Perturbaţiile ce apar în desfăşurarea proceselor sunt tratate ca intrări însistemul de comandă, variaţia acestora influenţând în mod semnificativcomportarea statică şi dinamică procesului.

Sisteme de control analogice

Sistemele de control analogice urmăresc reglarea continuă a mărimilorde proces, orice schimbare a referinţei, apariţia unei perturbaţii saumodificarea mărimii măsurate, vor fi sesizate imediat, iar regulatorul vaajusta semnalul de comandă pentru acţionări.

Regulatorul este un echipament automat independent care are rolul de agenera un semnal de comandă pe baza unei legi prestabilite.Regulatoarele continue sunt caracterizate de faptul că dependenţa întremărimea de intrare şi ieşire se poate exprima analitic printr-o ecuaţiediferenţială liniară cu coeficienţi constanţi.

Sisteme de control digitale

Sistemele de comandă digitale diferă de cele continue prin faptul căprocesarea semnalelor se face la intervale egale de timp (perioadă deeşantionare), derularea algoritmului de reglare se face în mod secvenţial.

Sistem de control digital cu regulator numeric

Funcţiile de reglare şi de generare a semnalului de comandă suntpreluate de regulatorul numeric. Regulatorul este realizat cu componentecu funcţionare discretă, restul elementelor păstrează un caracter continuu

Sistem de control digital condus de calculator

Algoritmul de reglare este implementat sub forma unor relaţii de tiprecurent, specifice tehnicii digitale. Prelucrarea datelor din sistem şielaborarea comenzii se face în întregime digital.Se foloseşte unui sistem complex de calcul care preia funcţiile deprelucrare a datelor provenite de la senzori, efectuează compararea cusemnalul de referinţă şi implementează regulatorul numeric.

Sisteme de control ale mişcării

Axa cinematicăPrin axă cinematică se înţelege orice subansamblu în mişcare al uneimaşini, care este acţionat şi condus.Axa cinematică are în componenţă:- structura mecanică- sistemul de acţionare- unitatea de comandă pentru controlul mişcării.

Clasificarea axelor cinematice dupa traiectoria mişcării:- axă cinematică liniară- axă cinematică rotativă- axă cinematică tangenţială

Controlul axelor cinematice

Sistemul de control al axei cinematice trebuie sa fie capabil să generezesemnalul de comandă, astfel încât servomotorul să deplaseze sarcinaîntre poziţia iniţială şi cea finală cu viteza programată.

Algoritmul de control trebuie sa compenseze apariţia perturbaţiilor, pozitionarea sa se facă corect în condiţiile prescrise de viteză.

Controlul debitului

Tipuri de control ale debitului:- ventil regulator si

debitmetru (a)- pompa cu variator

de turatii si debitmetru (b)

Schema buclei de reglaj - figura (c).

Sisteme de control a proceselor

Controlul presiunii

Tipuri de control ale presiunii:- ventil regulator și

senzor de presiune (a)

- pompă cu variator de turații și senzor de presiune (b)


Controlul nivelului

Tipuri de control ale presiunii:- ventil regulator și

senzor de nivel (a)

- pompa cu variatorde turații și senzorde nivel (b)


Controlultemperaturii

Tipuri de control ale temperaturii:- ventil regulator și

senzor de temperatura (a)

Schema buclei de reglaj - figura (b).

Ventilele regulatoare au o caracteristică neliniară, adica deschidereascaunului nu este liniar proportională cu debitul de fluid care trece prinventil. Zona în care funcționarea este cvasiliniară este între 20 si 80%din cursa scaunului ventilului de reglare. În capetele de cursă aparneliniarități și reglajul nu este corect.

Controlul proceselor cu variabile multiple

Bucla de reglaj principală este de temperatură și cea secundară estede debit.Reglajul debitului se face prin controlul pompei cu variator de turații șisenzor de debit.În condițile în care debitul este constant, reglajul de temperatură seface prin ventilul regulator și senzorul de temperatura.

Controlul proceselor de tip batch

Procesele de tip batchsunt procese discontinue,la care fabricațiaproduselor se face înșarje sau loturi, într-odurată limitată de timp.Realizarea unei șarje deprodus se face prinadăugarea, înglobarea șiprocesarea de materiiprime și componente încantități bine determinate.

În vasul de preparare se introduc componentele lichide și solide princântărire cu celule tensometrice. Se mixează și se obține produsul final.Admisia de componente lichide se face prin ventile on-off, ventilul seînchide automat când s-a dozat cantitatea prescrisă.

Controlul proceselor continue

Procesele continueconstau în fabricareaprodusului final prinalimentarea șiprocesarea continuă amateriilor prime șicomponentelor.

Variabilele de proces sunt monitorizate și controlate în permanență, oricedeviație de la valorile prescrise se corectează imediat.Produsul final se obține prin dozarea continuă de componente în liniaprincipală cu materie primă.Reglajul debitului de materie primă pe linia principală se face prin pompacu variator de turații și debitmetru, iar dozarea in-line de componente seface prin ventile regulatoare și debitmetre.

Sistemul de control industrial

Functia principala a unui sistem industrial de control este sa asigure functionalitatea procesului in conditiile de performanta prescrise.

Elemente componente:Unitatea de calcul (4)Echipamentul de comanda (2)Elemente de actionare (2)Echipamente de masurare (1)Echipamente de diagnostic siintretinere (1)

Unitatea de calcul este un calculator de proces care:• genereaza marimile de referinta (set points)• genereaza algoritmii de control• colecteaza, interpreteaza si reprezinta datele de proces• interfata om-masina (HMI – Human Machine Interface)

Echipamentul de comanda (controller):• genereaza semnalele de comanda• implementeaza bucle de comanda (reglare) locale

Elementele de actionare • introduc energie in proces• modifica starea procesului, in sensul evolutiei controlate catre

performantele si parametrii doriti.

Echipamentele de masurare cu senzori • determina valorile reale ale marimilor de procesMarimile de proces sunt folosite local de catre echipamentul de comanda si

sunt interpretate, prelucrate si reprezentate de catre unitatea de calcul.

Echipamentul de diagnostic si intretinere permite monitorizarea starii procesului si depanarea la distanta a sistemului de control.

Structura sistemelor de monitorizare si control

Structura sistemelor industriale de monitorizare si control a proceselor este ierahizata, in general, pe trei nivele:

Supervizor (4) De reglare si

comanda (4) De camp (2)

Nivelul supervizor (Supervisory Level)Functii:• Se definesc operatiile tehnologice si parametrii principali ai procesului• Se stabilesc marimile de reglare ai variabilele de proces• Se monitorizeaza performantele procesului• Se genereaza rapoarte, statistici, alarme legate de evolutia procesului.

Serverul (Master Server) gazduieste sistemul de operare si aplicatia de baza pentru controlul procesului industrial.

Statia de lucru client (Client Workstation) are o configuratie de tip server care controleaza o unitate de productie (client pentru proces) si gazduieste aplicatia software specifica acelui client.

Statia de lucru pentru programare (Engineering Workstation) este o consola de programare de tip PC pentru inginerul de sistem prin care se pot face modificari in aplicatia de baza de pe server si in aplicatiile de pe clienti.

Statia de lucru operator (Operator Workstation) este un calculator PC pe care operatorul defineste operatiile tehnologice si parametri de proces si sunt monitorizate marimile de proces.

Nivelul de reglare si comanda (Control Level) Nivelul de reglare si comanda reprezinta nivelul de conducere directa a

procesului si cuprinde echipamente de control in timp real cu microprocesor.

La acest nivel se genereaza comenzile catre elementele de actionare si se primesc informatii de la senzorii din sistem. Echipamentele de reglare si comanda sunt organizate in una sau mai multe retele (Ethernet) sau magistrale de comunicatie (Control Bus).

Echipamentul de achizitii de date si comanda este o interfata hardware intre calculatorul de proces si procesul industrial, capabile sa „citeasca” si sa controleze marimile de proces. Ele au in componenta module de conditionare de semnal, convertoare analog-digitale si digital-analogice, module de intrari-iesiri digitale si circuite de numarare-esantionare.

Automatul programabil este un mini calculator industrial digital cu multiple intrari si iesiri, capabil sa controleze un proces local, pe baza un program implementat in memoria acestuia. Este proiectat si realizat sa functioneze intr-un mediu cu variatii de temperatura, imun la influenta zgomotului electric, rezistent la vibratii mecanice si la impact.

Echipamentul de comanda numerica este o unitate de comanda cu microprocesor care gestioneaza functionarea masinilor-unelte si a robotilor pornind de la un program sursa.

Programul sursa este conceput de catre utilizator si contine comenzile necesare pentru executia prin prelucrare a unei piese pe o masina sau pentru deplasarea dupa o anumita traiectorie a punctului caracteristic a unui robot. Echipamentul de comanda numerica interpreteaza programul sursa si transmite comenzile catre axele cinematice ale masini sau a robotului astfel incat sa se realizeze deplasarile conform traiectoriilor programate.

Modulul de intrari-iesiri distribuite este unitate de interfata intre sistemul de control si un sub-proces sau echipament local. Functionarea modulului de intrari-iesiri distribuite este controlata de serverul master al aplicatiei sau de statia de lucru client.

Nivelul de reglare si comanda

Nivelul de camp (Field Level)Nivelul de camp controleaza functionarea echipamentelor din camp

(motoare, actionari, elemente de executie, senzori, etc.) pe baza comenzilor venite de la nivelul de reglare si comanda.

Pentru modularizare si trasmitere sigura a informatiilor de proces, echipamentele din camp pot fi interconectate si grupate prin intermediul magistralelor de camp (Field Bus). Controlul unui echipament se face prin adresare.

Tipuri de sisteme de control:

Sistemele de achizitii de date si comanda (DAQ - Data Acquisition and Control Systems)

Sisteme de control locale cu automate programabile (PLC –Programmable Logic Controllers)

Sisteme de control cu echipamente numerice (NC – Numerical Control)

Sistemele de control distribuite (DCS – Distributed Control Systems).

CAPITOLUL 2

SEMNALEIN MONITORIZAREA SI CONTROLUL

PROCESELOR

Semnal - orice marime a carei amplitudine sau variatiaei in timp contine informatii despre proces

Semnalele fizice trebuie convertite in semnale electrice, tensiune sau curent, pentru a fi compatibile cu echipamentele de comanda

Clasificarea semnalelor:semnale analogice - contin informatia in variatiacontinua a semnalului in timpsemnale digitale - au numai doua stari discrete - 1 logic (on) sau 0 logic (off)

2.1. Semnalele analogice de curent continuu DC− statice sau variaza lent in timp− informatia este continuta in amplitudinea semnalului

Caracteristicile semnalelor analogice de curent continuu:− Amplitudinea trebuie măsurată sau generata cu o precizie

/rezolutie ridicata− Timpul in care se realizeaza conversia nu este critic− Semnalul variaza lent in timp

Masurarea unui semnal analogic de curent continuu− modulele intrarilor analogice (AI – Analog Input)− convertor analog-digital (ADC – Digital to Analog Converter)− semnal analogic electric (tensiune sau curent) este convertit într-

un număr digital pe care calculatorul să-l poată interpreta.

Generarea unui semnal analogic de curent continuu− modulele iesirilor analogice (AO – Analog Ouput)− convertor digital-analogic (DAC – Digital to Analog Converter)− numarul digital este convertit intr-un semnal analogic a carui

amplitudine este proportionala cu numarul digital.

Exemple de semnale analogice de curent continuu:- semnale provenite de la termocuplu, senzor de nivel, senzor de

deplasare rezistiv, tahogenerator, senzor de debit, etc.- semnalele de comanda a unui robinet de reglare, a unui variator

de turatie cu functionare continua etc.

2.2. Semnale analogice in domeniul timp− contin informatia utila in nivelul semnalului si in variatia

acestuia in timp− informatia se gaseste in forma undei - panta, dispunerea

si forma varfurilor, etc.

Caracteristicile semnalelor analogice in domeniul timp:• Amplitudinea semnalului trebuie măsurată sau generata precis• Se folosesc convertoare cu viteza de esantionare ridicata, variatia

semnalului fiind rapida

Masurarea unui semnal analogic in domeniu timp− Modulele intrarilor analogice (AI – Analog Input)− Convertor analog-digital (ADC – Digital to Analog Converter)− Circuit de esantionare – conversia la intervale precise de timp− Trigger pentru pornirea-oprirea conversiei

Generarea unui semnal analogic de curent continuu− Modulele iesirilor analogice (AO – Analog Ouput)− Convertor digital-analogic (DAC – Digital to Analog Converter)− Circuit de esantionare – generarea secventelor de amplitudini

la intervale precise timp

Exemple de semnale analogice în domeniu timp:- Semnalul provenit dela un electrocardiograf- Semnalul dat de presiunea arteriala- Semnalul video

2.3. Semnale analogice in domeniul frecvential− contin informatia in modul de variatie a semnalului in timp− informatia este continuta in structura frecventelor

componente

Caracteristicile semnalelor analogice in domeniul frecvential:• Conversia trebuie facuta cu rezolutie si viteza ridicate• Necesita facilitati de analiza pentru determinarea

frecventelor componente ale semnalului

Masurarea unui semnal analogic in domeniu frecvential− Modulele intrarilor analogice (AI – Analog Input)− Convertor analog-digital (ADC – Digital to Analog Converter)− Circuit de esantionare – conversia la intervale precise de timp− Trigger pentru pornirea-oprirea conversiei− Procesare digitala a semnalului – DSP Digital Signal

Processing

Example de semnale analogice in domeniu frecvential:− Semnalul provenit de la un senzor de emisie acustica− Semnalul provenit de la un senzor de la un microfon− Semnalul de iesire de la un senzor de vibratie− Semnalul provenit de la senzori de deplasare: rezolver,

inductosin

2.4. Semnale digitale logice On-Off− Contin informatia in starea digitala a semnalului− Starea semnalului: 0 sau 1, inchis – deschis, on - off

Caracteristicile semnalelor digitale on-off:• Citirea sau scrierea unui semnal logic se face pe o linie digitala• Mai multe linii digitale pot fi grupate in porturi• Un port poate fi configurat sau pentru citire sau pentru scriere

Masurarea unui semnal digital logic− Modulele intrarilor digitale (DI – Digital Input)− Circuitul DI este un simplu detector de stare

Generarea unui semnal digital logic− Modulele iesirilor digitale (DO – Digitale Ouput)− Circuitul DO comuta starea liniei digitale

Exemple de semnale logic on-off:− Semnalul provenite de senzorul de proximitate - valideaza

prezenta unui obiect in vecinatatea lui− Semnalul de la un limitator de cursa, de la un contact, de laun

buton− Semnalele de comanda pentru actionarile de tip on-off, etc.

2.5. Semnale digitale de tip tren de impulsuri− Constau intr-o serie de tranzitii a starilor− Informatia este continuta in:

• numarul de aparitii a tranzitiilor de stare• viteza la care tranzitiile apar• timpul dintre doua sau mai multe tranzitii

Caracteristicile semnalelor digitale tren de impulsuri:• Circuit specializat de viteza ridicata - counter/timer

(numarare/esantionare)• Poate fi configurat pentru numarare sau generare de impulsuri

Masurarea unui semnal digital tren de impulsuri− Module counter/timer (numarare/esantionare)− Trigger pentru pornirea-oprirea numaratorului

Generarea unui semnal digital tren de impulsuri− Module counter/timer (numarare/esantionare)− Trigger pentru pornirea-oprirea esantionarii

Exemple de semnale digitale tren de impulsuri :− Semnalul de la iesirea din traductorul incremental de rotatie

(encoder)− Semnalul de la iesirea digitala a debitmetrelor− Semnalul de la iesirea digitala a termistoarelor− Semnalele de comanda pentru controlul pozitiei si vitezei la

motorul pas cu pas− Semnalul de comanda pentru convertizorul de frecventa a

motoarelor asincrone, etc.

2.6. Un semnal - cinci perspective de masurare− cele cinci clasificari ale semnalelor nu sunt exclusive− un semnal particular poate contine mai multe tipuri de informatie− un semnal poate fi clasificat in mai mult de o categorie si de

aceea poate fi masurat in mai multe moduri

a - 1 bit, b - 2 biti, c - 3 biti.

DM - domeniul de masuraren - numarul de biti pe care se face conversia A/D

Conversia Analog-Digitala

CAPITOLUL III

SISTEMEDE ACHIZITII DE DATE SI COMANDA DE PROCES

Instrumentatia virtuala

Instrumentul virtual este combinatia dintre un calculator si un echipament de achizitii de date si comanda.

Avantajele instrumentatiei virtuale:- Echipamentele folosite sunt de uz general- Se pot construi sisteme de masurare si automatizari care

raspunda exact cerintelor specifice (user defined) in locul instrumentelor traditionale cu functii fixe limitate definite de producator (vendor defined)

- Functia instrumentului este definita de aplicatia software

Funcţiile instrumentaţiei virtuale

Structura sistemelor de achizitii de date si comanda de proces

Calculatorul

Echipamentul de achizitii de date si comanda

Modulul de conditionare de semnal

Senzori si traductoare

Module de conditionare de semnal

Modulul de conditionare de semnal are rolul de a aduce semnalele intr-o forma standard, compatibila cu echipamentul de achizitii de date.

Tipuri de conditionare de semnal:• Amplificarea de semnal• Sursa externa de excitatie pentru senzori si traductoare• Liniarizarea caracteristicii senzorilor• Izolarea procesului industrial fata de echipamentul de achizitii de

date• Filtrarea semnalelor, etc.

Amplificarea

a. creşterea nivelului semnalului de ieşire al senzoruluiCresterea nivelului (amplitudinea) semnalului de iesire are ca scop

utilizarea întregului domeniul aferent digitizării (conversiei analog-digitale) şi se măreşte astfel rezoluţia.

Ex. Traductorul de poziţie de tip transformator diferenţial• domeniul de măsurare de 5 mm• domeniu semnalului util de ieşire este 0-1 VIn cazul convertor analog-digital pe 8 biţi, cu domeniul 0 - 10 V

Daca se face o amplificare de 10:1, domeniul semnalului de ieşire vafi de 0-10 V, iar rezoluţia în poziţie:

b. mărimea raportului semnal-zgomot

Semnalul util este de 0.01 VZgomotul introdus pe cablurile de legatura este 0.001 VAmplificarea totala este 100:1• Numai pe placa DAQ• Placa DAQ si pe modulul de conditionare de semnal• Modulul de conditionare de semnal.

Semnalul util

Amplificare MCS

Zgomot în conexiuni

Amplificarea plăcii DAQ

Semnal digitizat

Raportul semnal-zgomot

Amplificare numai pe placa DAQ

0.01 V - 0.001 V x 100 1.1 V 10

Amplificare pe MCS şi pe placa

DAQ

0.01 V x 10 0.001 V x 10 1.01 V 100

Amplificare numai pe MCS

0.01 V x 100 0.001 V - 1.001 V 1000

Excitaţia externă

O serie de senzori, cum ar fi senzori de poziţie rezistivi sau inductivi, necesită în funcţionare o sursă externă de excitaţie, care furnizeazătraductorului tensiune de alimentare necesara adaptorului electronic al senzorului.

Tensiunea de alimentare a unui traductor poate fi dată de echipamentul de achiziţii de date, de modulul de condiţionare de semnal sau de o altăsursă externă.

Liniarizarea

Există traductori a căror caracteristică statică (de transfer) nu este liniara, fiind necesară o liniarizare harware sau software a conversiei întretensiunea de ieşire şi mărimea fizică măsurată.

Liniarizarea caracteristicii senzorilor sau echipamentelor de comanda estenecesara pentru ca acestea sa aiba o comportare uniforma in tot domeniul de functionare.

Izolare si protecţieIzolarea semnalelor de masurare si comanda de ieşire se face pentru

protecţia unitatilor de calcul si echipamentelor de comanda.Semnale digitale pot fi izolate prin optocuploareSemnale analogice prin amplificatoare-separatoare

FiltrareaModulele de condiţionare pot îndeplini funcţii de filtrare, de reţinere a

componentelor nedorite ale semnalului de măsură.Filtrele electronice înglobate atenuează de regulă frecvenţele înalte,

specifice perturbaţiilor de tip zgomot, colectate fie din proces, fie încursul trasmisiei semnalului la sistemul de achiziţie de date.

Tipuri de module condiţionare a semnalului

Modul plasat pe placa de achiziţii de date

Modul de digitizare şi condiţionare externă a semnalelor

Modul de digitizare, condiţionare şi analiza externă a semnalelor

Modul de condiţionare externă a semnalelor

Echipamentul de achizitii de date si comanda de proces

Echipamentul de achizitii de date constituie o interfaţă între calculator şi mediul sau procesul urmărit, caracterizat prin semnale analogice, digitale sau de tip tren de impulsuri.

Achiziţia de date consta in efectuarea urmatoarelor operatii:• intrări analogice• ieşiri analogice• intrări-ieşiri digitale• intrări-ieşiri de tip numărător/eşantionor

Placa de achizitii de date

Intrări analogice

Circutele specifice intrărilor analogice:• multiplexorul analogic (Mux)• amplificatorul instrumental• circuitul de eşantionare - memorare• convertorul analog-digital (ADC)• buffer-ul de tip “primul intrat primul ieşit” (FIFO - First In First Out)

Măsurarea semnalelor analogice presupune existenţa convertoruluianalog-digital ce are rolul de a transforma amplitudinea tensiuniianalogice într-un număr digital pe care calculatorul poate să-linterpreteze.

Parametri intrarilor analogice

Numarul de biti n - numărul de biţi pe care este reprezentată valoarea digitală de iesire,generată de intrarea analogică.

Domeniul semnalului DS - diferenta dintre valorile maxima şi minima de tensiune pe care convertorul A/D o accepta la intrare.

Rezoluţia RRezoluţia reprezintă cea mai mica crestere a semnalului analogic care provoaca o crestere cu o unitate a numarului digital.

Exemplu:

Placă DAQ pe 12 biţi

Domeniu 0 ÷ 10 V, amplificare 1 detectează variaţie de 2,4 mV

Domeniu -10 ÷ +10 V va detecta numai o variaţie de 4,8 mV

Frecvenţa de eşantionare (achizitie)

Frecvenţa de eşantionare determină cât de des va avea loc achizitia analogica. O frecvenţă de eşantionare ridicată presupune achiziţia mai multor date într-o anumită perioadă de timp, ceea ce va duce la o mai bună reprezentare digitală a semnalului original în comparaţie cu o frecvenţă mai redusă.

Efectele diferitelor frecvenţe de eşantionare asupra conversiei A/D

A - eşantionat la fs | pare un semnal de curent continuuB - eşantionare la 2fs | frecvenţa corectă, formă de triunghiC - eşantionare sub 2fs | o reproducerea incorectă a semnalului de

intrare, frecvenţă şi formă.

Eşantionarea canalelor multiple

Echipamentele DAQ pot achiziţiona mai multe semnale de intrare. Multiplexorul analogic conectează fiecare semnal la convertorul A/D cu o frecvenţă constantă. Pentru achiziţionarea corectă a mai multor semnale:• nu se pot achiziţiona în acelaşi moment de timp date de pe mai

multe canale;• frecvenţa efectivă de eşantionare pentru fiecare canal este

invers proporţională cu numărul de canale eşantionate.

Exemplu de esantinare canale multiple:• Frecvenţa de eşantionare DAQ de 200 kHZ• Numar de canale: 10• Frecventa pe fiecare este 20 kHZ

Ieşiri analogice

Echipamentele multifuncţionale conţin convertoare digital -analogice care transforma numere digital în tensiuni analogice.

Convertorul D/AConvertor unipolar al tensiunii de ieşire: 0 la + Vref

- convertor D/A pe 12 biţi

Convertor bipolar al tensiunii de ieşire: - Vref la + Vref

- convertor D/A pe 12 biţi

Exemplu un convertor D/A pe 12 biţi cu o tensiune de referinţă internă de 10 V:

Domeniul tensiunii de ieşire va fi de la 0 la 9.9976 V în incremente de 2.44mV pentru ieşirea unipolară

Domeniul tensiunii de ieşire va fi de la –10 V la +9.951 V în incremente de 4.88 mV pentru ieşirea bipolară

Generarea semnalelor de tip unda cu buffer dublu

Generarea mai multor semnale de tip undă

Parametri ieşirilor analogice

Numarul de biti n - numărul de biţi pe care este reprezentată valoarea digitală de intrare care generează ieşirea analogică.

Domeniul semnalului de iesire DS - reprezintă domeniul de semnalului analogic de ieşire din convertorul D/A. Domeniul convertorului poate fi unipolar sau bipolar.

Frecventa de generare - reprezintă viteza maximă cu care convertorul D/A poate genera nivelel tensiuni componente ale semnalului de ieşire.

Rezolutia R - reprezintă cresterea semnalului analogic de iesire provocata de o crestere cu o unitate a numarului digital de intrare.

Exemplu

DAC pe 12-bit

Rezolutia unipolară de ieşire: 0 la + 10 V

Rezolutia bipolară de ieşire: - 10 la + 10 V

Tensiunea de ieşire unipolara: (0 ÷ 4095)

Tensiunea de iesire bipolara: (-2048 ÷ 2047)

Intrări / ieşiri digitale

Intrările / ieşirile digitale ale unei echipament DAQ constau dincircuite care pot genera sau achiziţiona semnale compatibile TTL.Semnalul TTL este caracterizat prin doua nivele: 0 logic si 1 logic

Achiziţia sau generarea unui semnal digital se face pe o linie digitală.

Liniile digitale la toate plăcile DAQ sunt grupate în porturi.

Numărul de linii digitale pentru fiecare port este specific tipului de placă utilizat, dar cele mai multe porturi au patru sau opt linii.

Toate liniile din cadrul aceluiaşi port trebuie să aibă aceeaşi direcţie(de exemplu, intrare sau ieşire).

Intrări-ieşiri de tip counter/timer

Un circuit counter/timer (numărare/eşantionare) poate fi utilizat pentru:• numărarea apariţiei diferitelor evenimente• analiza semnalelor digitale de frecvenţă ridicată• generarea de semnale dreptunghiulare cu factor de umplere variabil.Circuitele counter/timer lucrează cu semnale digitale de tip TTL.

Intrarea SURSĂ - numararea de evenimenteIntrarea POARTĂ - controlează funcţionarea numărătorului prin definirea

momentului în care începe şi se termină numărăreaSemnalul de IEŞIRE (OUT) – Generarea de trenuri de impulsuriRegistrul de numarare – memoria numaratorului

Exemplu: un circuit counter/timer configurat pentru numărarea apariţiei unorevenimente

Trenul de impulsuri este conectat la intrarea SURSĂ.Semnalul de tip POARTĂ se utlizeaza pentru pornirea şi oprirea numărării.In momentul în care registrul de numărare este plin apare un semnal la IEŞIRE.

CAPITOLUL IV

SISTEME DE CONTROL CUAUTOMATE PROGRAMABILE

Structura sistemelor de control cu Automate Programabile

Interfata om-masina

AutomatulProgramabil

Consola de programare

Senzori si elemente de actionare

Automatul programabil

Automatul programabil este un mini calculator digital cu multiple intrari si iesiri, capabil sa functioneze intr-un mediu cu variatii de temperatura, imun la influenta zgomotului electric, rezistent la vibratii mecanice si la impact.

Automatul programabil este un echipament care prin intrari monitorizeaza semnale si marimi de proces, ia decizii pe baza unui program stocat in memoria lui si genereaza prin iesiri comenzile pentru automatizarea unui proces sau o masina.

Elementele componente ale automatului programabil

• Unitatea centrala de procesare (CPU)• Memoria• Modulele de intrare (input modules)• Modulele de iesire (output modules)• Interfetele de comunicatie• Sursa de alimentare

Arhitectura automatului programabil

Arhitectura de baza automatului programabil consta in microprocesor, memorii, circuitele intrari-iesiri si magistralele locale de comunicatii.

• Magistrala de date (data bus) - transferul datelor intre elementele componente

• Magistrala de adrese (address bus) -accesarea datelor stocate din diferite locatii

• Magistrala de control (control bus) - controlul intern al actiunilor

• Magistrala sistem (system bus) -comunicatia intre elementele componente ale modulelor de intrari-iesiri

Unitatea centrala de procesare CPU

Unitatea aritmetica si logica (ALU – Arithmetic and Logic Unit) este alcatuita dintr-un set de circuite logice, prin care se realizeaza prelucrarea datelor pe baza instructiunilor. Prelucrarea datelor se face prin operatiile de baza aritmetice (adunari si inmultiri), logice (si, sau, negatie, sau exclusiv) si comparatii.

Registrul este o memorie interna a CPU, localizata in microprocesor si are rolul de a stoca datele si instructiunile care urmeaza a fi prelucrate de catre unitatea aritmetica si logica.

Unitatea de control este utilizata pentru coordonarea si temporizarea executarii operatiilor de catre CPU.

Memoria

Memoria ROM (Read Only Memory) este un tip de memorie folosit in cazul in care este necesara protejarea datelor sau programelor impotriva stergerii accidentale. Datele sau programele inscrise intial in memoria ROM pot fi citite, dar nu pot fi sterse sau modificate. Memoria ROM este o memorie non-volatila. Aceasta insemana ca informatia nu se pierde in cazul pierderii alimentarii.

Memoria ROM este utilizata pentru a stoca programele care definesc capabilitatile automatului programabil.

Memoria RAM (Random Access Memory) este memoria care permite citirea si scrierea datelor, de la si la orice adresa (locatie). Memoria RAM este utilizata pentru stocarea temporara a datelor. Memoria RAM este o memorie volatila, ceea ce inseamna ca la intreruperea alimentarii datele stocate se vor pierde. Este necesara o baterie de backup pentru a evita pierderea datelor.

Memoria EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) furnizeaza un nivel de securitate superior impotriva modificarilor de program neautorizate sau nedorite. Memoria EPROM permite citirea datelor stocate, iar modificarea acestora necesita un efort special.

Module de intrare digitale

Modulele de intrare digitale constituie interfata dintre elementele de camp cu iesire digitala, cum ar fi butoane, contacte, senzori, si automatul programabil.

Tipuri de intrari digitale:• La intrarile de tip sursa, modulul de intrare asigura alimentarea

echipamentului din camp• La intrarile de tip sink, echipamentul din camp asigura curentul necesar

modulului de intrare

Intrari digitale:

De curent continuu:• De tip sursa• De tip sink

Componenta:- Divizor de tensiune- Dioda de protectie- Optocuplor pentru

izolare- Indicator

De curent alternativ

Componenta:- Punte redresoare- Optocuplor pentru

izolare- Indicator

Module de iesire digitale

Modulele de iesire digitale sunt folosite pentru comanda elementelelor de actionare cu functionare digitala, cum ar fi lampi, contactoare, solenoizi, etc.

Tipuri de iesiri digitale dupa modul de conectare:• Iesiri digitale de tip sursa - furnizeaza curentul de alimentare pentru

echipamentul de actionare (alimentarea solenoizilor)• Iesiri digitale de tip sink - echipamentul de actionare alimenteaza modulul

de iesire (echipamente de actionare electronice)

Iesiri digitale de tip releu:• De curent continuu• De curent alternativ

Componenta:- Optocuplor pentru izolare- Releu- Siguranta protectie

Tipuri de iesiri digitale dupa modul de conectare:• De tip releu• De tip tranzistor• De tip triac

Iesiri digitale de tip triac:• Semnale digitale alternative

Componenta:- Optocuplor pentru izolare- Triac- Siguranta protectie

Iesiri digitale de tip tranzistor:• Semnale digitale de curent

continue• Sursa• Sink

Componenta:- Optocuplor pentru izolare- Tranzistor- Siguranta protectie

Module de intrare analogice

Modulele de intrare analogica constituie interfata dintre elementele de camp cu iesire analogica, cum ar fi senzori de temperatura, presiune, debit, viteza, deplasare, si automatul programabil.

Tipul intrarilor analogice si domeniul semnalului de intrare:• Intrari analogice in tensiune• Intrari analogice in curent• Intrari analogice rezistive

• Unipolare: 0 – 5, 0 – 10 V• Bipolare: – 5 – +5 V,

– 10 – +10 V• Nivel redus: ± 80 mV, ± 250

mV, ± 500 mV, ± 1000 mV

Componenta:- Modul domeniu de semnal- Convertor A/D- Circuit izolare- Circuit logic

• N (NiCrSi – NiSi)• E (NiCr – CuNi)• J (Fe – CuNi)• K (NiCr – Ni)• L (Fe – CuNi)Componenta:- Modul domeniu de semnal- Convertor A/D- Circuit izolare- Circuit logic

Intrarile analogice in tensiune

Intrarile analogice pentru termocuplu

• 2 – 10 mA , 4 – 20 mA• conexiune cu 2 sau 4 fire


• termorezistenta PT100• conexiuni cu 2, 3 sau 4

fire• 100 Ω, 150 Ω, 300 Ω, 600

Ω


Intrarile analogice in curent

Intrarile analogice rezistive

Numarul de biti al convertorului A/D - numarul de intervale in care seimparte domeniul semnalului analogic (8 biti – 28 = 256 intervale)

Rezolutia convertorului A/D - cea mai mica variatie a amplitudiniisemnalului analogic care produce cresterea cu un bit a numarul digital laiesirea din convertor

Tensiune Curent Temperatura

In cazul unui convertor analog – digital pe 8 biti, cu domeniul semnaluluide intrare 0 – 10 V, rezolutia in tensiune va fi:

Tensiune Valoare digitala

V Binar Zecimal

0.00 0000 0000 0

0.40 0000 0001 1

0.80 0000 0010 2

0.12 0000 0011 3

0.16 0000 0100 4

... ... ...

9.92 1111 1110 254

9.96 1111 1111 255

Module de iesire analogice

Modulele de iesire analogica furnizeaza semnalul continuu de comanda necesar elementelor de actionare cu functionare proportionala, cum ar fi variatoarele de turatii, robinetii de reglare debit sau presiune, etc.

Tipul iesiri analogice si domeniul semnalului de intrare

• Iesiri analogice in tensiune• Iesiri analogice in curent

• Unipolare: 0 – 5, 0 – 10 V• Bipolare: – 5 – +5 V, – 10 –

+10 V• Conexiune cu 2 sau 4 fire

Componenta:- Circuit logic- Circuit izolare- Convertor D/A

• 2 – 10 mA sau 4 – 20 mA• Unipolare sau bipolare

Componenta:- Circuit logic- Circuit izolare- Convertor D/A

Iesirile analogice in tensiune

Iesirile analogice in curent

Numarul de biti al convertorului A/D - numarul nivelelor de amplitudine care pot fi generate in cadrul domeniul semnalului analogic (8 biti – 28 = 256 nivele de amplitudine)

Rezolutia convertorului D/A - variatia a amplitudinii semnalului analogic de iesire produsa de cresterea cu un bit a numarul digital la intrarea in convertor

Tensiune Curent

In cazul unui convertor digital – analogic pe 8 biti, cu domeniul semnalului de intrare –10 ÷ + 10 V, rezolutia in tensiune va fi:

Valoare digitala Tensiune

Zecimal Binar V

0 0000 0000 -10.00

1 0000 0001 -9.92

2 0000 0010 -9.86

... ... ...

128 1000 0000 0

... ... ...

254 1111 1110 9.84

255 1111 1111 9.92

Module de reglare

Modulele de reglarea se folosesc in aplicatiile in care se doreste reglarea local, precisa si rapida a unei marimi de proces, cum ar fi controlul temperaturii, debitului, nivelului unui lichid intr-un vas, vitezei, etc.

Functiile regulatoarelor pentru marimile de proces:

• Masurarea analogica a marimi de proces;• Generarea de semnale de comanda analogice catre proces (tensiune sau

curent) la elementele de actionare care vor modifica marimea de proces;• Efectuarea de operatii de intrare digitale pentru comanda pornirii sau

opriri reglarii marimii de proces• Generarea de semnale de iesire digitale pentru pornirea sau oprirea

elementelor de actionare sau alarmelor

Reglarea de temperatura

Regulatorul marimii de proces

Regulatorul genereaza semnalul de comanda pe baza semnalului de eroare si al algoritmului de control. Semnalul de eroare este rezultatul comparatiei intre semnalul de referinta si cel de masurare. Algoritmul de control cel mai folosit este regulatorul PID (Proportional, Integrator, Derivativ).

Module de numarare

Modulele de numarare se folosesc pentru citirea sau generarea de semnale digitale rapide (trenuri de impulsuri). Au la baza un circuit hardware specializat cu viteza de procesare ridicata.In constructia circuitului de numarare exista un registru de numarare cu o capacitate de n biti. Domeniul maxim de numarare este de la 0 la 2n-1 sau de la -2n-1 la 2n-1-1. (16, 24 sau 32 de biti).

Semnalele de tip tren de impulsuri provin, de regula, de la traductoare incrementale sau de la senzori de proximitate de viteza ridicata.

Nivelele semnalelor digitale vehiculate in cazul modulelor de numarare sunt 5 VDC sau 24 VDC.

Functiile modulelor de numarare sunt:• Numararea de evenimente (aparitie de impulsuri)• Masurarea frecventei de aparitie a evenimentelor• Masurarea perioadei de aparitie a evenimentelor• Generarea de semnale digitale in proces

Modul de numarare

Traductoare incrementaleIesirea A - tren de impulsuri principal generat pe prima pista a traductoruluiIesire B provine de pista a doua si este defazata electric cu 90º (1/4 din perioada) fata de iesirea A. Iesirea B se foloseste la stabilirea directiei de numarare (incrementare sau decrementare) sau pentru multiplicarea numararii (x2 – de 2 ori, x4 – de 4 ori).Iesirea N provine de pe pista a treia si genereaza un impuls dupa o rotatie completa.

Module de pozitionare pentru servoactionari

Modulele de pozitionare pentru servoactionari se folosesc in controlul axelor cinematice liniare si rotative. Au in componenta regulatoare de pozitie dotate cu memorie si microprocesor proprii.

Se folosesc in aplicatiile unde sunt necesare precizie, raspuns dinamic si viteza ridicate. Aplicatiile industriale ale modulelor de pozitionare se regasesc in domeniile masinilor cu comanda numerica, robotilor industriali, liniilor de asamblare, echipamentelor de impachetare, etc.

Functiile modulelor de pozitionare pentru servoactionari sunt:• Intrari pentru traductoare incrementale• Generarea de semnale analogice de comanda catre servoactionari• Intrari digitale din proces• Iesiri digitale in proces

Modul de pozitionare pentru servoactionari

Regulatorul de pozitie

Genereaza tensiunea analogica de comanda pe baza semnalului de eroare si al algoritmului de control .

Semnalul de eroare este rezultatul comparatiei intre pozitia de referinta si pozitia masurata de la traductorul de pozitie. Algoritmul de control cel mai folosit este regulatorul PID (Proportional, Integrator, Derivativ).

Module pentru motoare pas cu pas

Modulele pentru motoarele pas cu pas se folosesc pentru comanda in pozitie a acestora. Au in componenta circuite de temporizare (generatoare de tact) capabile sa genereze trenuri de impulsuri de viteza ridicata, memorie si microprocesor proprii.

Motoarele pas cu pas, datorita constructie lor, se comanda in bucla deschisa. La aparitia unui impuls de comanda, motorul se roteste cu un pas unghiular. Trenul de impulsuri de comanda determina deplasarea motorului cu un numar de pasi, precum si viteza de rotatie.

Functiile modulelor de pozitionare pentru motoarele pas cu pas sunt:• Intrari pentru traductoare incrementale (optional)• Generarea de trenuri de impulsuri de comanda catre motoarele pas cu

pas• Intrari digitale din proces• Iesiri digitale in proces

Modul pentru motoare pas cu pas

Tipuri de automate programabile• Automate programabile compacte• Automate programabile modulare

Automate programabile compacte se utilizeaza in cazul automatizarilor proceselor simple, toate componentele sursa, procesorul, memoria si modulele de intrari / iesiri sunt localizate intr-o singura unitate (figura 4.x). Alegerea tipului de automat programabil compact se face in functie de aplicatie, luand in considerare numarul, tipul de intrari / iesiri si memoria program disponibila (numar de instructiuni).

Port de extindere pentru module de numarare rapida, pentru masurarea temperaturii, de pozitionare, precum si module suplimentare de intrari – iesiri, analogice si digitale.

Sunt disponibile interfete de comunicatie cu retelele si magistrale de comunicatii de tip ethernet, de control si de camp.

Automate programabile modulare se utilizeaza in cazul automatizarilor proceselor complexe, numarul si tipul modulelor pot fi configurate de catreutilizator.

Unitate centrala constituie modulul de baza la care se adauga toate celalaltemodule: sursa, memoria, modulele de intrari – iesiri, modulele specializate, diferite tipuri de interfete de comunicatie.

Interfete de comunicatie:• Elementele de camp (actionari

si senzori)• Alte automate programabile• Calculatoare si servere de

process• Module de intrari-iesiri distribuite• Acces remote• Interfete om-masina

Automate programabile modulare sunt cele mai folosite sisteme de control ale proceselor industriale. Pot comanda functionarea unei masini, unui robot sau a unui porces de productie.

Afisaj text (TD – text display):• Tehnologie LCD• Permite introducerea de parametrii• Vizualizarea catorva marimi de proces• Permite afisarea de mesaje text• Flexibilitate si operabilitate redusa

Panou operator grafic (OP – Operator panel):• Tip grafic• Permite introducerea de parametrii• Vizualizarea marimilor de proces• Vizualizare de alarme• Permite configurarea tastelor functionale• Permite comanda procesului in regim manual si

automat

Panou sensibil la atingere (TP – Touch panel):• Tip grafic color cu rezolutie ridicata• Permite vizualizarea grafica a procesului• Monitorizarea marimilor de proces• Vizualizarea starii elementelor de actionare• Vizualizare de alarme, rapoarte, grafice si trenduri• Permite lucru cu meniuri• Are memorie proprie

CAPITOLUL V

SISTEME DE CONTROL CUECHIPAMENTE NUMERICE

Structura sistemelor de control cu echipamente numerice

Consola de programare

Echipamentul de comandanumerica

Interfata om-masina

Servoactionari

Axe cinematice

Structura echipamentului de comandă numerică

Unitatea de control numeric UCN(NCU – Numeric Control Unit) (NCK –Numerical Control Kernel) -controlează poziționarea servoaxelor.

Automatul programabil AP (PLC –Programable Logic Controller) -execută secvențial logica de control amașinii

Panoul de operare - introduce șiedita programul piesă, simulareexecuție programului de comandănumerică, vizualizare parametriiprincipali

Panoul de control mașina -gestionează funcționarea mașinii înregim manual și automat

Modulul de comunicații

Etapele derulării comenzii numerice

Functiile echipamentului de comanda numerica

1. Defineste structura aplicatiei de control – numarul de axe cinematice, tipulde algoritm de control, natura comenzii, tipurile de motoare actionate, etc.;

2. Implementeaza sistemele de masurare a pozitiei – sisteme de masurare cutraductoare incrementale, absolute, rezolver sau inductosin;

3. Gestioneaza mangementul sculelor – definirea tipului de scula in functie deprocesul de achiere (strunjire, gaurire/frezare, rectificare, stantare, etc.);

4. Realizarea comunicatiilor si managementului datelor – se folosesc interfetede tip serial, de tip Ethernet, interfete I/O prin magistrale tip Profibus,Modbus, salvare de siguranta a datelor (data backup), etc.;

5. Simularea functionarii – sunt folosite capabilitatile de calcul si de comandaale echipamentului pentru simularea dinamica a traiectoriilor;

6. Implementeaza algoritmii de interpolare – pentru realizarea diverselortraiectorii, pentru generarea contururilor sau suprafetelor

7. Asigura functionalitatea masinii – generarea comenzilor catre axelecinematice, realizarea pozitionarilor, modificarea vitezelor de avans,accelerari si decelerari, functionarea in regim manual si automat, etc.;

8. Implementarea de compensari – se pot compensa erorile datorate mec. detip surub-piulita, sistemelor de masurare, frecarilor (uzuri), etc.

Axa cinematică de poziționare

• Regulatorul de poziție - generează referința de viteză • Regulatorul de viteză - generează referința de curent• Regulatorul de curent - generează semnalul de comandă către

variatorul de turații

Programul piesă

• Blocul reprezintă o comandă dată de unitatea de control numeric.• Un bloc este alcătuit din unul sau mai multe cuvinte. • Un cuvânt este compus dintr-o literă de identificare a unei funcții

urmată de un număr, care reprezintă un parametru al funcției accesate.• Litera de identificare a funcției se numeste adresă.

Limbajul ISO (RS274D) (Codul G) – formatul datelor

Tipurile uzuale de adrese:

Adresă Funcție

N Număr bloc

G Funcții pregătitoare

X, Y, Z Definirea coordonatelor

R Definirea razei cercului

I, J, K Parametrii pentru interpolarea circulara

F Avansul de lucru

S Viteza de rotație a arborelui principal

H Definește corecția de lungime a sculei

D Definește corecția de rază a sculei

T Selectare sculă

M Funcții auxiliare

Unitatea de Control Numeric - UCN

Elemente componente:

• Unitatea de calcul• Memoria interna si

externa• Modulul de interpretare• Modulul de interpolare• Modulul de accelerare –

decelerare• Modulul de reglare• Modulul de masurare a

pozitiei• Modulul de comunicatii• Sursa de alimentare

Unitatea de control numeric are rolul de controla mișcarea prinimplementarea hardware sau software funcțiilor de interpretare a programului sursă, interpolare, accelerare – decelerare, de măsurare și de control al poziționării pe traiectoria programată.

Modulul de interpretare

Interpretorul de cod este un modul software implementat în unitatea de control numeric, care convertește instrucțiunile din programul piesă în comenzi interne mașină pentru mișcarea servoaxelor și execuția funcțiilor auxiliare.

Structura modului de interpretare program NC

Analiza lexicală constă în scanarea de sus în jos, bloc cu bloc a programului piesă. În fiecare bloc de la stânga la dreapta se identifică cuvintele. Fiecare cuvânt este format dintr-o adresa și un număr și repezintă o instrucțiune pentru echipamentul de comandă numerică.

Analiza sintactică identifică relațile între cuvintele din cadrul aceluiași bloc și verifică logica legăturilor dintre instrucțiuni.

Analiza semantică verifică succesiunea logică între blocurile programului NC. Fiecare bloc reprezintă o comandă dată de echipamentul de comandă numerică.

Modulul de interpolareInterpolarea constă în generarea referințelor poziție pentru deplasarea fiecărei axe numerice, determină mișcarea simultană a axelor numerice pentru obținerea traiectoriei dorite a sculei sau punctului caracteristic.

Interpolarea liniară – se folosește pentru deplasarea liniară între două puncte.Interpolarea circulară – se folosește pentru deplasările circulare sau arc de cerc.Interpolarea helică – se folosește pentru generarea filetelor sau formelor helice.Interpolarea parabolică și cubică - se folosește pentru fabricarea pieselor cu forme complexe, cum ar fi matrițele.Interpolarea spline Nurbs – se folosește pentru generarea suprafețelor complexe, de tip freeform.

Interpolare software prin metoda impulsurilor de referință

Unitatea de control numeric generează o secvență de impulsuri ca semnal de referință pentru servoacționări. Fiecare impuls este echivalent cu o unitate de lungime unitară (BLU – Basic Length Unit), viteza axei numerice este proporțională cu frecvența impulsurilor, iar poziția cu numărul impulsurilor generate.Numărătorul decrementează impulsurile de referință generate de interpolator cu impulsurile măsurate de senzorul de poziție incremental. Eroarea de poziție este convertetită în semnal de comandă pentru servoacționare.

Interpolare software prin metoda cuvintelor de referință

Interpolarea este executată în doua faze:- Faza 1 – unitatea de control numeric aproximează curbele (contururile)

prin segmente de dreaptă- Faza 2 – fiecare segment este interpolat și sunt trimise referințele de

poziție către axe.Programul de control compara cuvântul de referință cu semnalul de numărare dat de senzorul incremental de poziție și calculează eroarea de poziționare. Acestă eroare este convertită digital - analogic într-o tensiune proporțională cu viteza dorită de deplasare a axei cinematice.

Interpolare NURBS (Non Uniform Rational B-Spline)

Aproximarea traiectoriei se face prin curbe B-spline de către sistemul CADDatele curbelor sunt preluate direct de către unitatea de control numeric.Eroarea de prelucrare în cazul interpolării NURBS este mult mai mică, numărul de puncte de interpolare este mai redus, accelerările și decelerările sunt mai line.

a) interpolarea cu segmente de dreaptă

b) interpolarea cu curbespline NURBS

Modulul de accelerare – decelerare

Accelerarea – Decelerarea După Interpolare

Presupune calcularea punctelor de interpolare pentru fiecare axă, generarea profilelor de viteză, calcularea timpilor de accelerare și decelerare pentru fiecare axă independent de celelalte axe.Apar erori de prelucrare datorită faptului că fiecare axă se accelerează și se decelerează separat, independent de poziția punctelor interpolate.

Accelerarea – Decelerarea Înainte de Interpolare

Presupune calcularea accelerării și decelerării și generarea profilului de viteză înainte de calcularea punctelor de interpolare pentru fiecare axa.Datorită faptului că accelerarea și decelerarea se calculează pornind de la traiectoria sculei sau a punctului caracteristic, nu apar erori de poziționare sau prelucrare.Modulul de accelerare – decelerare calculează profilul de viteză, iar interpolatorul generează punctele de interpolare, luând în considerare deplasarea sculei și distanța rămasă de parcurs din traiectoria programată la fiecare parcurgere a buclei de reglare.

Generarea profilului de viteze

Profilul de viteză liniar pentru accelerare – permite axei cinematice să atingă într-o manieră simplă și rapidă viteza de avans programată.Profilul de viteză exponențial - la sfârșitul accelerării și decelerării trecerea în faza următoare este lină, însă la începutul secvenței, modificarea de viteză este foarte bruscă și poate produce șocuri în funcționarea mașinii.Profilul S de viteză - atât la început, cât și la sfârșitul accelerării sau decelerării, mișcarea axei și trecerea la secvența urmatoare sunt line și fără șocuri sau vibrații mecanice.

Modulul de control al poziționării (reglare)

Controlul analogic al axelor numerice

Referințele de poziție, generate de către modulul de interpolare, se compară cu poziția curentă determinată prin bucla de măsurare.Se calculează distanța care mai este de parcurs până la punctul de final al traiectoriei.Eroarea de poziție se convertește analog-digital într-un semnal de comandă în viteză, care se transmite prin intermediul unei interfețe analogice, de regulă în tensiune (±10 V) către servoacționare

Controlul digital al axelor numerice

Unitatea de control numeric interpolează punctele de referință de poziție și generează comanda ciclică de poziție în format digital prin interfața serială SERCOS (Serial Real-time Communication Sytem).Interfața SERCOS asigură comunicația serial în timp real între unitatea de control și servoacționări.Microcontrollerul servoacționării digitale implementează controlul vitezei, interpolarea fină și controlul poziției, în condițiile în care timpii de ciclu sunt foarte scurți (0.25 ms)

Modulul de măsurare a poziției

Modulul de măsurare a poziției din structura unității de control numeric constă într-o interfață de poziție de rezoluție ridicată, capabilă să preia informația de deplasare de la senzorii de poziție.

Senzorii digitali incrementali generează la ieșire un tren de impulsuri, fiecare impuls însemnând deplasarea unghiulară sau liniară a axei cinematice cu o unitate de lungime de baza (1 BLU). Informația de măsurare este preluată de către unitatea de control numeric prin interfața de poziție în format digital binar.

Senzorii digitali absoluți generează la ieșire un număr binar proporțional cu poziția sculei sau a punctului caracteristic față de un sistem de referință fix. Pentru a avea o precizie de poziționare ridicată a axei cinematice se folosesc senzori digitali de rezoluție foarte mare. Procesarea trenurilor de impulsuri în unitatea de control numeric se face cu circuite de numărare de mare viteză.

Senzorii analogici ciclic absoluți de tip rezolver și inductosin sunt senzori care funcționează pe principii inductive și se folosesc în măsurarea precisă a poziției unghiulare sau liniare. Senzorii analogici ciclici absoluți din punct de vedere electric au o înfășurare rotorică care se deplasează relativ față de două înfașurări statorice decalate electric între ele cu 90°. În funcție de tipul de modulație, în amplitudine sau în fază, în înfășurări apare o tensiune sau tensiuni a caror amplitudine sau defazaj sunt proporționale cu deplasarea.

AUTOMATUL PROGRAMABIL

Automatul programabil AP (PLC – Programable Logic Controller) execută și integrează în mod secvențial logica de control a mașinii cu comandă numerică, monitorizează starea și funcționarea mașinii, implementează siguranța și protecția în timpul prelucrării sau a realizării deplasărilor.

Structura automatului programabil

Funcțiile specifice ale automatului programabil pentru comenzi numerice

Automatul programabil gestionează comunicația între panoul de control mașină, unitatea de control numeric si mașină.

Automatul programabil execută funcții din programul piesă:• Implementează și execută funcțiile auxiliare M (instrucțiune de schimbare

sculă, pornire lichid de răcire, închiderea mecanismului de prindere piesă, pornire arbore principal, etc.);

• Controlează viteza de rotație a arborelui principal și confirmă atingerea valorii programată prin funcția S;

• Gestionează selectarea sculelor și oprește execuția unei noi instrucțiuni până când scula identificată prin funcția T a ajuns în arborele principal al mașinii.

Prin intermediul automatului programabil sunt implementate interblocări și intercondiționări pentru protecția operatorului și a spațiului de lucru piesă:• Automatul programabil oprește rotația arborelui principal atunci când

dispozitivul de prindere a piesei s-a deschis dintr-o cauză oarecare;• Atunci când temperatura lichidului de răcire s-a încălzit peste valoarea

admisibilă, modifică modul de lucru al mașinii și generează un semnal de alarmă;

• Oprește execuția piesei atunci când ușile de protecție a spațiului de lucru se deschid în timpul funcționării, etc.

Interfețele CNC – PLC - Mașină

Interfața unitate de control numeric – automat programabil - unitatea de control generează comenzi către mașină prin intermediul automatului programabil, iar automatul programabil trimite la unitatea de control numeric starea curentă reală a mașinii și confirmarea executării comenzilor.Interfața automat programabil – mașină – automatul programabil generează comenzi către distribuitoarele electro-hidraulice și pneumatice, releele, alarme, etc. Se verifică starea mașinii - închiderea ușilor de protecție, deschiderea –închiderea mecanismului de prindere piesă, pornirea – oprirea lichidului de lubrifiere – răcire, selectarea de sculă, etc.

Configurații ale sistemului CNC - PLC

a) CNC cu PLC separat -schimb de date și informații prin module I/O

b) CNC cu PLC separat -schimb de date și informații prin magistrala sistem internă

c) CNC cu PLC integrat -schimb de date și informații prin magistrala sistem internă

INTERFEȚE OM – MAȘINĂ PENTRU ECN

Panoul operator

Panoul operator PO (OP - Operator Panel) este interfata om-masina pentru calculatorul comenzii numerice, indeplinind functiile de monitor si tastatura, particularizate pentru operarea comenzii numerice.

Functiile panoului operator:• Crearea si editarea

programului comenzii numerice

• Simularea functionarii masinii

• Vizualizarea functionarii masinii

• Configurarea software a echipamentului comenzii numerice

• Interfatarea cu alte echipamente

Panoul de control masina

Panoul de control masina (MCP - Machine control panel) este un echipament periferic care permite operarea masinii unelte sau robotului in timpul functionarii. Echipamentul este prevazut cu tastatura, butoane de operare si butoane rotative (handwheels) in functie de tipul masinii.

Functiile de control masina:

• Selectarea modurilor de operare a masinii

• Operarea manuala a masinii

• Controlul executiei programului de comanda numerica

• Oprirea in regim de urgenta a masinii

(1) - Buton de oprire in regim de urgenta(2) - Conectori pentru echipamente externe(4) (5) - Controlul executiei programului / Moduri de operare(6) - Taste functionale definite de utilizator(7) – Tastaura alfanumerica(8) - Controlul vitezei axei(9) - Controlul avansului de lucru

Terminale de control masina

Terminale de control TC (HT – Handheld Terminal) masina sunt echipamente periferice externe care combina cele doua functii de operare si de control masina. Terminalele TC permit operarea si controlul masinii din orice punct al spatiului din jurul masinii.

Terminalelor de control pot fi utilizate permanent pentru operarea normala a masinii, cat si ocazional pentru depanarea, calibrarea sau setarea masinii.

(1) - Buton de oprire in regim de urgenta(2) - Controlul avansului de lucru(3) - Protectie(4) - Afisaj grafic (touch screen)(5) - Tastatura pentru operare si control(6) - Taste functionale definite de utilizator

SISTEME CNC DESCHISE

Pornind de la faptul că sistemele CNC sunt sisteme relative închise atât din punct de vedere hardware, cât și software, nu există portabilitate de la un producător la altul, programarea este greoaie și greu de înteles, relativ recent s-au pus bazele conceptului de arhitectură deschisă a sistemelor CNC.Principiile și carateristicile conceptului de sistemele CNC cu arhitectura deschisă sunt urmatoarele:• Deschise pentru operator – limbajul de programare a echipamentului CNC

este grafic intuitiv, astfel încât să permită programarea și operarea ușoară a mașinii

• Deschise pentru producătorul mașinii - utilizatorul își poate configura cum dorește aplicația de control a mașinii și interfața utilizator

• Deschise pentru configurarea hardware – să poată fi folosite componente de la mai mulți producători

• Deschise în ceea ce privește sistemul de operare – să fie dezvolate sisteme de operare standard

• Deschise în ceea ce privește interfețele de intrare / ieșire – interfețele cu servoacționările și cu celelalte componente să fie de tip standard

• Deschise în ceea ce privește unitatea de control numeric – să permită producătorilor de mașini să programeze direct unitatea de control numeric.

Structura unui sistem CNC deschis

La sistemele CNC deschise, calculatorul este elementul central al echipamentului de comandă numerică, în care se introduc carduri pentru unitatea de control numeric și automatul programabil.

Datorită folosirii calculatorului la nivel local, capacitatea de programare, operare și reprezentare este mult îmbunătățită față de echipamentele CNC uzuale. Comunicația digitală în timp real între unitatea de control și servoacționări se face prin interfața serială SERCOS, iar automatul programabil și elementele din câmp printr-o rețea de tip field bus.

CAPITOLUL VI

SISTEME DE CONTROL DISTRIBUITE

Sistemele de control distribuite (DCS – Distributed ControlSystems) constau unitati de control (controller units) caregestioneaza mai multe bucle de reglare, unitati demultiplexare (multiplexer units) pentru un numar mare deintrari-iesiri, statii de lucru pentru operare si programare,servere pentru stocarea datelor de proces si statistice,interfete de comunicatii si sunt capabile implementeaza functiiavansate de control.

Toate aceste elemente componente sunt complet integrate prinintermediul diferitelor retele de comunicatii.

Structura sistemelor de control distribuite sunt ierahizate pe treinivele:

• Nivelul supervisor• Nivelul de reglare si comanda• Nivelul de camp

CONTROL CENTRALIZAT ȘI DISTRIBUIT A PROCESELOR

Sistem de control centralizat

Automatizările clasice ale proceselor industriale folosesc sisteme de controlcentralizate. Acționările și senzorii sunt conectati la un singur echipamentde control într-un aranjament (topologie) de tip stea.

• Conexiuni cablatededicate

• Semnale clasiceanalogice saudigitale

• Se pot primi informații de la senzori și se pot trimite comenzi către acționări în orice moment

• Flexibiltate redusa

Sistem de control distribuit

Automatizările moderne ale proceselor industriale folosesc sisteme decontrol distribuite. Calculatoare, echipamente de control, acționări și senzoriinteligenți formează o rețea cu comunicație digitală.Transferul datelor se face prin magistrala de comunicații, identificarea decătre echipamentul de control a datelor provenite de la senzori și transmisecătre acționări se face prin adrese.

• Comunicatiisigure cu verificareaintegritatii datelor

• Simplificareacablarii

• Flexibiltate ridicată

• Daca un element de câmp nu functionează sistemul rămâne în funcțiune

TOPOLOGIA SISTEMELOR DE CONTROL DISTRIBUITE

Topologia stea (star)

Echipamentele de control sunt conectate într-un punct central la uncalculator prin intermediul unui hub sau switch. Echipamentele comunicăprin unitatea de calcul centrală și nu direct între ele. Datele pleacă de lasursă, merg la unitatea centrală și apoi sunt trimise la destinație.

• Drum scurt de la sursă la destinație

• Un echipament nou este ușor de conectat în rețea

• Numarconexiuni limitat

• Dependență de calculatorulcentral

Topologia inel (ring)

Echipamentele de control sunt conectate într-o buclă închisă, fără începutsau sfârșit. Fiecare echipament este conectat la rețea prin intermediul unuiswitch și este învecinat cu alte două echipamente adiacente. Datele pornescde la sursa de-a lungul inelul într-o direcție predefinită folosind un token(jeton). Nodul destinație de pe inel recunoaște adresa însoțitoare și le preiadatele din token. Token iși continuă drumul în așteptarea unor date noi.

• Bine organizate• Șansele de

coliziune sunt reduse

• Traficul pe rețea merge într-o singură direcție

• Nu necesită un server central

• Rețea mai lentă decât cea de tip stea

Topologia magistrală (bus)

Calculatoarele și echipamentele de control sunt conectate pe un singurcablu, denumită magistrală. Semnalul transmis de sursă este văzut de toatecelelalte echipamentele de pe bus, dar este preluat doar de echipamentuldestinație pe bază de adresă.

• Simplă și ieftină• Ușor de instalat• Ușor de extins• Lungimea rețelei

limitată• Numărul de

echipamente în rețea limitat

• Necesită la capete terminatori

• Eficiența retelei scade odata cu crestereanumarului de echipamente

Topologia arbore (tree)

Integrează caracteristici ale topologiilor stea și bus. Un număr de rețele steasunt conectate pe o rețea de tip bus. Rețeaua bus este trunchiul, iar rețelestea sunt ramurile.Rețele tree combină avantajele celor două tipuri de rețele bus și stea.

• Extinderea rețeleieste simplă

• Managementul rețelei este facil

• Dacă o ramură este nefuncțională celelalte nu sunt afectate

• Transferul datelor este sigur și rapid

• Dacă cablul principal bus este întrerupt întreagarețea șe opreste

STRUCTURA SISTEMELOR DE CONTROL DISTRIBUITE

Sistemele de control distribuite sunt folosite pentru automatizareaproceselor de producție extinse și complexe, din cadrul aceleași locațiigeografice. Strategia, coordonarea, programarea și operarea sistemului decontrol este implementata centralizat prin servere și statii de lucru, iarcontrolul proceselor se face local cu echipamente de control inteligente.

Sistemele de control distribuite trebuie să îndeplinească trei cerințecalitative:1. Să distribuie funcțiile sistemului către subsisteme de control relativ

autonome, care sunt interconectate prin rețele de comunicații de vitezaridicată.

2. Să controleze procesele de fabricație prin implementarea de algoritmiavansați de reglare și control a mărimilor de proces și să gestionezelogica secvențială de desfășurare a proceselor.

3. Să constituie un sistem unitar, bine organizat astfel încât structuracomenzilor și fluxul de informații din sistem să permită funcționareasistemului ca un tot unitar.

Structura

Nivelul supervisor

Nivelul de reglaresi comanda

Nivelul de camp

Nivelul supervizor

Functii:• Coordonarea funcționării echipamentelor de control din sistemul distribuit• Definirea operațiilor tehnologice și a parametrilor principali ai procesului• Stabilesc mărimile de referință ale variabilelor de proces• Monitorizarea și înregistrarea performațelelor procesului• Generarea de rapoarte, statistici, alarme legate de evoluția procesului


Serverul (Master Server) gazduieste sistemul de operare si aplicatia de bazapentru controlul procesului industrial.

Statia de lucru client (Client Workstation) are o configuratie de tip server carecontroleaza o unitate de productie (client pentru proces) si gazduieste aplicatiasoftware specifica acelui client.

Statia de lucru pentru programare (Engineering Workstation) este o consola deprogramare de tip PC pentru inginerul de sistem prin care se pot face modificari inaplicatia de baza de pe server si in aplicatiile de pe clienti.

Statia de lucru operator (Operator Workstation) este un calculator PC pe careoperatorul defineste operatiile tehnologice si parametri de proces si suntmonitorizate marimile de proces.

Nivelul de comanda si reglare – conducere directa a proceselor

Functii:• Se implementează buclele locale de control a mărimilor de proces• Se generează comenzile către elementele de acționare • Se primesc informații de la senzorii din proces• Se implementează logica secvențială de desfășurare a procesului • Se operează local procesul


Echipamente de Achizitii de Date si Comanda

Automate programabile

Echipamente de comanda numerica

Module de intrari-iesiri distribuite

Comunicatii:

− Rețea Control Bus

− Profibus DP, Modbus, ControlNet, CAN

− Ethernet

Nivelul de camp - controleaza functionarea echipamentelor din camp

Functii:• Se modifica starea procesului• Se introducere de energie in proces pentru modificarea marimilor de proces• Se masoara marimile de proces


Senzori pentru marimile de proces

Senzori pentru siguranta procesului

Servoactionari electrice cu variatoare de turatii

Servoactionari electrohidraulice si electropneumatice cu elemente de reglare

Comunicatii:

− Rețea Field Bus

− Profibus PA, DeviceNet, Hart, Foudation FieldBus, Interbus

− AS-I interface

SISTEME SCADA

Sistemele SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) sunt sistemedistribuite utilizate pentru monitorizarea și controlul centralizat alechipamentelor și proceselor dispersate într-o arie largă de răspândire.

Sistemele SCADA sunt proiectate pentru colectarea informațiilor din câmp,transferul datelor într-o unitate centrală de calcul și reprezentarea graficăsau de tip text a informațiilor de proces, astfel încât să permită operatoruluisă monitorizeze și să controleze întregul sistem în timp real dintr-o locațiecentrală.

Aceste sisteme se utilizează pentru monitorizarea și controlul distribuției deresurse și utilități (apă, petrol, energie electrică, gaze naturale, etc.),monitorizarea proceselor industriale răspândite cu număr mare de intrări –ieșiri, managementul sistemelor complexe de transport și automatizareaproceselor de fabricație cu echipamente de control multiple.

Sistemele SCADA sunt utile în proiecte de infrastructură și în automatizareaproceselor industriale din orice industrie în care este necesară operareacentralizată și eficientă.

Funcțiile sistemelor SCADA

Funcțiile principale ale unui sistem SCADA:- Achiziție de date din proces- Transferul datelor spre o unitate de calcul centrală- Reprezentarea datelor pe interfețe HMI de nivel superior- Controlul procesului industrial

Achiziția de date în cadrul sistemelor SCADA se referă la monitorizarea unuinumăr mare de echipamente de câmp și de mărimi de proces. Datele suntachiziționate de echipamentele de control de la nivelul procesului, pot fiprelucrate local și transmise către unitatea centrală de calcul sau transmisedirect și prelucrate de unitatea centrală de calcul.

Transferul de date de la echipamentele din câmp către unitate de calculcentralizată este esențial în sistemele SCADA. Informația de măsuraretrebuie transportată sigur și rapid printr-o rețea de comunicații. În sistemeleSCADA clasice comunicațiile sunt de tip linii seriale, radio sau modemtelefonice, iar azi tehnologia folosită este de tip Ethernet și Internet.

Reprezentarea datelor în sistemele SCADA este adaptată la situațiamonitorizării unui număr mare de mărimi de proces. Interfețele HMI sunt denivel superior, datele se pot reprezenta sintetic de către serverul master saudacă utilizatorul dorește se poate vizualiza în cel mai mic detaliu o zonă sauo mărime din proces.

Controlul procesului industrial se face de către sistemele SCADA în modautomat. Mărimile de proces sunt corectate în funcție de valorile de referințăși cele măsurate. Generarea mărimilor de referință, precum și trimitereacomenzilor pentru execuția succesiunii operațiilor se face de către serverulmaster. Un sistem SCADA complex poate controla procesul industrial pringenerarea informatiilor de comandă, luând în considerare datele preluate dela intrări multiple. Transformarea informațiilor de comandă în semnalele decomandă se face de către echipamentele de control locale din câmp.

Structura sistemelor SCADA

Centrul de control

Rețeaua de comunicații

Echipamentein camp

Centrul de control include serverul SCADA de tip master, stațiile de lucrupentru operare cu interfețele HMI, stațiile de lucru pentru programare(Engineering Workstation), serverul de tip historian și routerul de comunicații,interconectate printr-o rețea LAN (Local Area Network) de tip Ethernet.

Serverul SCADA sau MTU (Master Terminal Unit) găzduiește aplicația softwarede control și gestionează la nivel supervisor funcționarea sistemului de controlindustrial, precum și comunicația în proces și cu nivelele superioare.

Interfețele om-mașină HMI (Human Machine Interface) sunt echipamentehardware și software, care permit operatorului uman să monitorizeze stareaprocesului, să modifice parametrii de referință, să implementeze strategia decontrol și să opereze în regim manual procesul în situațiile de urgență.

Stația de lucru pentru programare (Engineering Workstation) este consola deprogramare a sistemului SCADA. Programatorul poate lucra la acestă stație delucru și să modifice aplicația software fără să afecteze funcționarea sistemuluide control a procesului.

Serverul de date historian este un server de tip baze de date în care se potcentraliza, stoca și accesa în orice moment datele de proces. Datele șiinformațiile stocate pot fi folosite pentru diverse tipuri de analize referitoare laprocesul local, calcule statistice, furnizarea de date procesate către nivelelesuperioare (enterprise), identificarea de erori în proces, etc.

Echipamente din câmp includ sisteme de control local a proceselor, cum ar fiterminalele RTU, automate programabile PLC sau alte echipamente electroniceinteligente. Echipamentele din câmp sunt echipate cu interfețe de access ladistanță pentru operare, transmitere de date, diagnostic și întreținere.

Terminalul RTU (Remote Terminal Unit) este un echipament de achiziții de dateși comandă localizat în câmp, capabil să controleze procesul local aflat ladistanță. Funcția principală a terminalelor RTU este de interfață pentru transferuldatelor între procesul local și serverul SCADA, însă pot avea microprocesorepentru prelucrarea locală a datelor de proces de la senzori și să controleze localprocesul, prin generarea de comenzi către acționări.

Automatul programabil PLC (Programmable Logic Controller) este un calculatorindustrial construit pentru controlul proceselor industriale. În situația în care încâmp procesul local este complex, se urmăresc reglarea multor mărimi deproces, sunt implementate multe bucle de reglaj, se controlează mai multesubprocese, se folosesc PLC-uri. Capacitatea de control a PLC-urilor este multmai mare decât a terminalelor RTU.

Echipamentele electronice inteligente IED (Intelligent Electronic Devices) suntsenzori sau acționări deștepte (smart), a căror adaptoare electronice(transmitter) sunt capabile să achiziționeze date, să comunice cu alteechipamente și să implementeze bucle de control locale.

Rețeaua de comunicații este ierarhizată pe mai multe nivele, supervizorSCADA, control și de câmp. În sistemul SCADA co-există mai multe tipuri derețele, interconectate între ele prin echipamente de interfață în comunicații, cumfi router-e, hub-uri, switch-uri, echipamente de tip gateway și firewall, modemuride diverse tipuri, etc.

La nivelul supervisor SCADA comunicația se face prin rețea de tip Ethernet.Comunicația între centrul de control și echipamentele locale din câmp se poateface cablat prin rețea de tip LAN, prin transmisii radio sau microunde, printransmisii pe linii telefonice sau fibră optică, transmisii GSM sau prin satelit.

Modemul este un echipament utilizat pentru a converti semnalele de proces înformat serial digital compatibil pentru a fi transmis. Modemurile în sistemeSCADA sunt folosite pentru transmisia serială la distanță între serverul MTU șiechipmantele din câmp.

Rețeaua din câmp (Field Network) interconectează echipamentele de controllocal, terminalele RTU sau PLC-urile cu senzorii și acționările. Comunicarea sestabilește pe baza unui protocol specific. Mesajele trimise între senzori, acționăriși controllere sunt identificate în mod unic pe baza adreselor.

În sistemele SCADA se folosesc două modele de comunicații: de tip master-slave (polled communication) sau de tip peer to peer (de la egal la egal).

SISTEME DE CONTROL NUMERIC DISTRIBUITE DNC

Sistemele de control numeric distribuite DNC (Direct Numerical Control sauDistributed Numerical Control) constau în conectarea mai multor mașiniCNC și a altor echipamente de producție, cum ar fi dispozitive de etalonare– pregătire a sculelor, mașini de măsurat și roboti, într-o rețea în jurul unuiserver. Serverul DNC gestionează programele piesă și transferul acestorala mașinile CNC (Direct Numerical Control) sau coordonează prelucrareapieselor și funcționarea mașinilor CNC (Distributed Numerical Control).

Sistemul DNC reprezintă un concept modern legat de managementuldatelor NC, destinat controlului mai multor mașini, de regulă organizate încelule flexibile de fabricație.

Managementul datelor NC reprezintă preluarea programelor de la sistemeleCAD/CAM, organizarea programelor NC pe mașini sau grupuri de mașini,transferul programelor și datelor de productie către mașini, preluarea de lamașini a datelor privind execuția pieselor, modificarea programelor dacăeste cazul, implementarea managementului sculelor, arhivare și stocare adatelor și programelor.

Fluxul de informații și date în sistemul DNC

CAD/CAM - DNC

DNC – Management scule

DNC - CNC

Controlul numeric distribuit

Prin rețeaua de date DNC, mai multe sisteme NC sunt conectate împreună la un server DNC care gestioneză transferul de date și programe între server și mașini. Mașinile CNC pot comunica nu doar cu serverul sau alte calculatoare din rețea, ci și între ele sau cu celeltate echipamente de producție.

Funcțiile de bază DNC sunt de a asigura un transfer sigur a datelor între echipamentele CNC și unitățile de calcul și să administreze un număr mare de programe de comandă numerică.

Structura sistemelor DNC

Nivelulul superior Plant LAN 1 (Ethernet)

Nivelului celuleiflexibile de fabricație LAN 2 (Ethernet)

Nivelul CNC

La nivelulul superior Plant LAN 1 (Ethernet) se generează datele necesareîn vederea prelucrării pieselor. Aceasta presupune proiectarea conceptulă șitehnologică a pieselor (CAD), conceperea programelor de comandănumerică (NC), planificarea producției (planning schedule) și stocareadatelor și programelor.Ca rezultat al proiectării, desenele CAD și programele piesă NC suntstocate în servere de tip baze de date. Pe bază de cerere, programele vor fiapelate de către serverul DNC.

La nivelului celulei flexibile de fabricație LAN 2 (Ethernet) se proceseazădatele provenite de la nivelul superior și se execută piesele pe un număr demașini CNC, care pot fi deservite de roboți industriali.Calculatorul celulei flexibile de fabricație coordonează funcționareaorganizată a mașinilor și roboților, logistica semifabricatelor și a pieselor,implementează producția planificată, succesiunea execuției pieselor.Calculatorul DNC este cel care preia, gestionează și transmite sigur și latimp date și programe piesă la unitățile de calcul ale mașinilor CNC.Sistemul DNC poate recepționa și date de la mașinile CNC, cum ar fistatistica prelucrărilor, apariția de erori în rularea programelor piesă, aparițiaîntreruperilor în execuție și cauzele lor, înregistrarea mesajelor de eroare,etc.

CAPITOLUL VII

RETELE DE CONTROL INDUSTRIAL

Retelele de control industrial (Industrial Control Networks) aurolul de interconecta unitati de calcul, echipamente de control,interfete om-masina utilizate pentru monitorizarea si controlulproceselor industriale.

MODELUL ISO/OSI

Pentru comunicatia intre elementele de automatizare siasigurarea compatibilitatii, Organizatia Internationala deStandardizare (ISO – International Standards Organization) adezvoltat standardul pentru interconectarea sistemelor deschise(OSI – Open System Interconnect), denumit modelul ISO/OSI.

Modelul ISO/OSI este structurat pe sapte nivele (layers), fiecaredintre ele adauga fuctionalitate superioara nivelului anterior(figura 7.1). Nivelele superioare beneficiaza de toate serviciile depe nivelele inferioare. Fiecare nivel comunica cu niveleleadiacente si furnizeaza un anumit set de servicii.

Nivelul fizic (Physical Layer) asigura suportul pentru transmiterea datelor la nivel de sir de biti de la un echipament la altul. La acest nivel sunt definite specificatiile mecanice, electrice, functionale si procedurale ale mediului de transmise. Se face codificarea bitilor in semnale, se definesc piniiconectorului, structura cablului de comunicatii, topologia retelei, astfel incatsa poata realiza comunicatia.

Nivelul legaturii de date (Data Link Layer) transmite datele sub forma de cadre (frames) si face verificarea erorilor. Cadrele contin toate informatiilepentru transmiterea corecta a datelor, cum ar fi inceputul si sfarsitulcadrului, adresele echipamentelor sursa si destinatie, lungimea datelortransmise, bitul de detectare si corectie a erorilor si controlul transmisiei.

Nivelul retea (Network Level) asigura trasferul pachetelor de date intrenodurile sursa si destinatie prin procedee de rutare (routing), cu evitareaaglomerarilor datorate traficului ridicat pe retea si cu asigurarea integritatiipachetului de date.

Nivelul transport (Transport Layer) preia date de dimensiuni mari de la nivelul superior (nivelul sesiune) le imparte in unitati mai mici, le trimite nivelul inferior (nivelul retea) si asigura ca datele ajung la destinatie in acelasi format binar fara modificari, pierderi sau dublari.

Nivelul sesiune (Session Layer) permite nodurilor sursa si destinatie sastabileasca si sa intretina o conexiune denumita sesiune. In cadrul sesiuniise pot schimba date, mesaje cu controlul dialogului, comunicatia poateavea loc intr-o directie sau in ambele dierctii intre cele doua noduri.

Nivelul prezentare (Presentation Layer) este responsabil cu formatul datelorcare sunt transferate prin reteaua de comunicatii. La acest nivel are loccodificarea datelor, se are in vedere sintaxa si semantica informatiilortransmise.

Nivelul aplicatie (Application Layer) furnizeaza interfata de comunicatiipentru ca aplicatiile de la nivelul nodului sa aiba acces la serviciile de retea. Acest nivel nu constituie o aplicatie, ci doar gestioneaza comunicatia intreaplicatii. Transmisia datelor intre noduri se face in formatul specific retelei.

TIPURI DE RETELE DE CONTROL INDUSTRIALE

INTERFATA AS-I

Interfata AS-i (Interfata Actionare/Senzor) (Actuator/Sensor Interface) este oretea de camp standard conceputa pentru comunicatia la nivelul cel mai de josin automatizarea proceselor.

Este o retea simpla, pe acelasi cablu cu doua fire se face alimentareaactionarilor/senzorilor si se transmit date. Prin interfata AS-i, se pot conectaechipamente de camp digitale si, mai recent, analogice, formatul in care setransmit datele este la nivel de bit. Identificarea unui element de camp se faceprin adresa.

Caracteristicile interfetei AS-i:• Simplitate datorita faptului ca pe acelasi cablu cu doua fire se conecteaza

modulele pentru senzori si actuatori indiferent de producatori;• Performanta datorita eficientei si comunicatiei rapide intre echipamnetul de

control si senzori/actionari;• Flexibilitate datorita posibilitatii extinderii retelei foarte simple prin conectarea

unui nou modul de comunicatii in orice pozitie pe cablul interfetei, creareaunei adrese noi, verificarea alimentarii si modulul este activat;

• Cost redus cu 50% datorita reducerii panourilor electrice din camp, paturilorde cabluri si cablarii in comparatie cu solutii de conectare a echipamentelelorde camp, instalare si punere in fuctiune mai scurte.

Structura interfetei AS-i

a) PLC master b) Gateway master

Comunicatia in reteaua AS-i de comunic este de tip master – slave.

In fiecare retea AS-i exista sursa de alimentare de curent continuu, unsingur master si pot fi pana la 31 de noduri slave sau in cazul versiunilor noide interfete AS-i daca se foloseste modul de adresare extins pot fi maxim62 de noduri slave.

Masterul este un echipament inteligent care coordoneaza schimbul de datecu echipamentele slave din retea. Masterul sondeaza fiecare slave pe rand,trimite informatii si asteapta raspuns imediat. Formatul in care se transferadatele intre master si slave este binar. Functiile pe care trebuie sa leindeplineasca masterul in cadrul retelei de camp sunt schimbul ciclic dedate, identificare, parametrizare si diagnostic. Timpul de ciclu total este demaxim 5 ms, in configuratia cu 31 de noduri slave sau de maxim 10 ms, inconfiguratia cu 62 de noduri slave.

Slave poate fi orice echipament de camp, prevazut cu interfata de retea AS-i. Senzorii si actionarile poate fi conectate la retea direct sau prinintermediul modulelor de conectare. Modulele de conectare pot fi de panousau de camp. Un senzor/actionare conectat direct sau un modul deconectare reprezinta un nod slave. Un nod slave este o legatura fizica inreteaua AS-i.

Interfata de conectare slave la reteaua AS-i

Intr-o retea AS-i standard numarul maxim de noduri slave este 31, ceea ceinseamna ca numarul maxim de echipamente de camp (numar de intrari-iesiri) care pot fi conectate intr-o bucla de retea este de 124. Daca sefoloseste modul de adresare extins, in retea pot fi maxim 62 de noduri slave,adica 248 de intrari-iesiri.

La un modul se pot conecta 4 echipamente de camp, pot fi 4 senzori, 4actionari sau 2 senzori si 2 actionari. Exista module de conectare care potavea comenzi pneumatice (iesiri de aer) pentru actionarile ventilelor de tipon-off, distribuitorul fiind incorporat in modul. Confirmarea inchiderii saudeschiderii ventilelor on-off de la senzorii de proximitate se face la acelasimodul de conectare.

Cablul AS-i este un cablu neecranat cu 2 fire de 1.5 mm2 din cupru, princare se implementeaza cele doua functii de baza: transferul datelor sialimentarea senzoriilor si actionarilor cu o tensiune continua, de regula24VDC.

Cablul AS-i standard este de culoare galbena, pentru o identificare usoara,are in sectiune o forma trapezoidala nesimetrica pentru evitarea montariigresite. Cei doi conductori in interiourul cablului sunt paraleli, cel pozitiv aremansonul de izolatie maro, iar cel negativ albastru.

Conectarea unui echipament slave este foarte simpla prin presare, contactuldintre pini si cei doi conductori se face prin penetrare. Pinii de contact de penodul slave penetreaza potectia galbena a cablului si izolatia conductorilorpana ajung in contact direct cu conductorii de cupru.

a) Stea b) Linie c) Magistrala d) Arbore

Topologia retelei AS-i

Este foarte flexibila, poate fi stea, linie, magistrala sau arbore, configurarea sisimplificarea retelei depinde doar de utilizator.

Formatul datelor

Sondajul masterului catre un slave standard consta in:• Start Bit (ST) - Identifica inceputul secventei de cerere a masterului.

Valoarea lui este intotdeauna „0”.• Control Bit (CB) – Identifica tipul de cerere: „0” pentru cerere de date si

paramaterii de la slave si „1” pentru cerere de comanda catre slave.• Adresa (A4...A0) – Adresa slave-ului care urmeaza sa fie contactat.• Informatii (I4...I0) – Informatii in format binar pe 5 biti care vor fi transferate

catre slave• Parity Bit (PB) – Bitul de paritate este folosit pentru detectarea erorilor,

numarul tutror bitilor „1” in cererea masterului trebuie sa fie par.• End bit (EB) - Identifica sfarisitul secventei de cerere master. Valoarea lui

este intotdeauna „1”.

PROTOCOLUL DE COMUNICATII HART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) este un protocol decomunicatii standardizat bidirectional pentru transmiterea si receptionarea deinformatii digitale prin intermediul semnale analogice dintre senzorii inteligenti siechipamentele de control [HART]. Protocolul HART permite transferul deinformatii digitale, necesare pentru configurarea si parametrizarea senzorilor,folosind semnalul analogic activ de masurare in curent.

Semnalul analogic in curent 4 – 20 mA este modulat cu un semnal sinusiodal cuamplitudine redusa prin metoda modularii prin deplasarea frecventei FSK(Frequency Shift Keying). Semnalul sinusoidal are doua frecvente joase debaza: 1200 Hz pentru „1” logic si 2200 Hz pentru „0” logic.

Se folosesc frecvente joase pentru situatiile in care cablurile sunt de calitatescazuta. Intre semnalul analogic de baza si semnalul sinusoidal pentrutransmiterea informatiei digitale nu exista interferente.

Semnalul HART – modularea prin deplasarea frecventei FSK

In configuratia point-to-point (punct la punct), semnalul analogic 4 – 20 mAeste utilizat pentru transmiterea unei singure variabile de proces, ceilaltiparametrii si alte date legate de variabila de proces sunt transmise digitalprin semnalul HART.

Protocolul de comunicatii HART permite conectarea in aceeasi retea pana ladoua echipamente master. Master secundar poate fi un terminal de control(Handheld Terminal) care poate fi folosit pentru comunicatia cu echipamentulde camp fara sa interfereze cu masterul primar, adica cu sistemul demonitorizare si control principal. Terminalul de control se foloseste pentruaccesul local a echipamentului de camp.

In configuratia multidrop, pentru comunicatii se folosesc doar semnaledigitale suprapuse peste un curent fix de 4 mA, suficient pentru functionareaechipmentelor. Se pot conecta pe o magistrala HART pana la 15instrumente, fiecare instrument fiind identificat de o adresa unica. Inconfiguratia multidrop instrumentele sunt conectate in paralel.

Prin intermediul senzorilor inteligenti cu interfata HART si care au algoritmulPID integrat in adaptorul electronic se pot controla local variabile de proces.Adaptorul electronic a senzorului implementeaza algoritmul PID sigenereaza semnalul de comanda 4 - 20 mA pentru elementul de control.

Formatul datelor

Elementele telegramei HART efectueaza urmatoarele operatii:• Preamble – Consta in 3 sau mai multe caractere hexazecimale pentru sincronizarea

semnalelor de la participanti.• Start Byte (SB) – Indica care tipul de participant (master sau slave) care va efectua o

actiune• Adresa – Identifica participantul. Daca este master se foloseste 1 bit (primar sau

secundar), iar daca este slave se folosesc 4 biti (maxim 15 slave).• Comanda HART – Identifica tipul de date care urmeaza a fi transmise - 1 byte.• Numar de bytes – Indica numarul de caractere din mesaj, adica lungimea mesajului.• Status – Cei 2 biti de status sunt inclusi numai in raspunsul echipamentelor slave si

indica daca mesajul a fost receptionat corect si daca echipamentul de campfunctioneaza corect. Cand echipamentul de camp functioneaza corect, amandoi bitiisunt 0.

• Data – Date in format intreg, floating point sau ASCII care urmeaza a fi transmise.• Informatii (I4...I0) – Informatii in format binar pe 5 biti care vor fi transferate catre slave• Parity Byte – Byte-ul de paritate este folosit pentru detectarea erorilor

PROFIBUS

Profibus (Process Field Bus) este o retea standardizata de comunicatii digitala de tip deschis, care permite interconnectarea unitatilor de calcul, interfetelor on-masina, echipamentelelor de control si echipamentelor de camp inteligente, senzori si actionari.

La nivel de camp protocolul Profibus interconecteaza echipamentele de control cu echipamente periferice distribuite, module de intrari-iesiri, senzori, variatoare de turatii, actionari pentru ventile, panouri operator, etc. Transmiterea datelor de proces se face ciclic, in timp ce alarmele, parametrii si interogarile de tip diagnostic se transmit numai atunci cand este necesar, intr-un mod neciclic.

La nivel de control se interconecteaza echipamentele de control cu unitatile de calcul locale, interfetele om-masina si se initiaza comunicatia cu echipamentele de camp.

La nivelul supervizor, prin protocolul de comunicatii Ethernet, automatele programabile si unitatile de calcul de diverse tipuri comunica intre ele prin schimbul de pachete mari de date, utilizand functii de comunicatii de nivel superior.

Structura retelei Profibus

Profibus DP (Decentralized Periphery) este varianta de Profibus pentrusisteme de automatizare industriale, optimizata pentru comunicatia dintreechipamentele de control si echipamentele de camp descentralizate.

Se foloseste atunci cand este necesar accesul la echipamente de campdistribuite si inlocuieste transmisia analogica clasica a semnalelor in curent 4 –20 mA, in tensiune 24 VDC sau de tip HART.

Schimbul datelor de intrare – iesire intre master si slave se face ciclic intr-untimp de ciclu dat. Profibus DP permite comunicatia intre echipamentele masterdin retea (calculatoare si echipamente de control), intre echipamentele mastersi slave, dar si direct intre echipamentele slave.

Caracteristici ale protocolului de comunicatii Profibus DP:

• Profibus DP se foloseste pentru controlul direct a echipamentelor de campinteligente, cum ar fi actionari, senzori inteligenti, echipamente de controllocale, module de intrari-iesiri distribuite si interfete om-masina.

• Transmiterea datelor se poate face prin cablu ecranat torsadat cu doua firefolosind transmisia seriala RS-485, prin fibra optica sau wireless printehnologie in infrarosu.

• Lungimea maxima a retelei depinde de viteza de transmitere a datelor de alungul retelei si poate fi pana la 10000 m in cazul transmisiei seriale RS-485,mai mare de 15 km in cazul fibrei optice si pana la 15 m prin wireless.

Viteza de transmisieKbit/s

Lungime maxima segmentm

Tip de transmisie

9.6; 19.2; 45.45; 93.75 1200 RS-485187.5 1000 RS-485500 400 RS-485

1500 200 RS-4853000; 6000; 12000 100 RS-485

31.25 1900 MBP

Tipul fibrei optica Diametrul fibrei[µm]

Lungimea maximade transmisie

Fibra de sticla de tip multi-mode 62.5 / 125 2 – 3 kmFibra de sticla de tip single-mode 9 / 125 > 15 kmFibra plastica 980 / 1000 Până la 100 mFibra plastica HCS 200 / 230 Aprox. 500 m

• Viteza de transmitere a datelor poate fi 9.6 Kbps, 19.2 Kbps, 45.45 Kbps, 93.75Kbps, 187.5 Kbps, 500 Kbps, 1.5 Mbps, 3 Mbps, 6 Mbps, 12 Mbps

• Numarul maxim de noduri pe segment de cablu este de 32, iar pe intreagaretea este 127, numarul maxim de repetoare intr-o retea este 9. Intr-un nod sepoate conecta un echipament master sau un echipament slave de camp.

• Topologia retelei Profibus DP in cazul RS-485 poate fi magistrala sau arboreutilizand repetoare, in cazul fibrei optice este magistrala si prin wireless este detip punct cu punct.

Profibus PA (Process Automation) este un protocol particularizat pentruautomatizarea proceselor si implementeaza comunicatia digitala directa intreechipamentele de masura si control. De regula, Profibus PA este integrata intr-oretea de nivel superior Profibus DP. Echipamentele de masura si control pot fisenzori inteligenti si actionari de tip solenoid sau pneumatice cu interfata ProfibusPA.

Profibus PA implementeaza functii de siguranta si protectie anti-explozie aproceselor la nivelul echipamentelor de camp.

Caracteristici ale protocolului de comunicatii Profibus PA:

• Permite transmiterea simultana a datelor digitale si permite alimentareaechipamentelor de camp.

• Transmiterea datelor se face prin cablu dublu ecranat cu doua fire folosindtehnologia MBP (Manchester Coded Bus Powered), conceputa pentruimbunatatirea siguranta transmiterii datelor si pentru posibilitatea alimentarii.

• Lungimea maxima a retelei este de 1900 m

• Numarul maxim de noduri pe segment de cablu este de 32, iar pe intreaga reteaeste 127, numarul maxim de repetoare intr-o retea este 4. Intr-un nod se poateconecta un echipament master sau un echipament slave de camp.

• Viteza transmitere a datelor este de 31.25 Kbit/s, iar timpul de comunicatie cuun echipament de camp este de 10 ms.

Comunicatia Profibus intre elementele active (master)si pasive (slave)

Profibus este un protocol hibrid de acces la retea, prin care echipamenteleactive master comunica intre ele pe un inel logic cu acces prin jeton (tokenlogical ring), iar comunicatia cu echipamentele pasive este de tip master-slave.

Toate nodurile active (master) formeaza inelul logic cu acces la retea prinjeton, ordinea de parcurgere a nodurilor active in inelul logic este aceeasi sinu depinde de pozitia fizica a nodului in retea.

Accesul la retea este dat de jeton. Jetonul este transferat dupa un anumittimp de la un nod activ la alt nod activ in ordinea logica din inel.

Daca un nod activ (master) a primit jetonul atunci poate trimite un mesajcatre un alt nod activ (master). Timpul in care jetonul sta la un master estepredefinit si este configurabil. Daca nodul nu are d etrimis un mesaj, jetonuleste transmis la urmatorul nod activ din inelul logic.

Daca un nod activ (master) are jetonul, atunci poate sonda un nod pasiv(slave) din retea (ex. sa citeasca valoarea variabilei de proces) sau poatetrimite date catre un slave (ex. sa trimita o valoare de referinta).

Jetonul este transmis intre nodurile active si nu va ajunge niciodata lanodurile pasive.

Schimbul de date cu lungime variabila intre master si slave

In figura este prezentat principiul schimbului de date intre master si slavefolosind o telegrama cu camp variabil de date. Masterul formuleaza o cereresub forma de telegrama, iar slave-ul trebuie sa raspunda imediat.

Tipuri de telegrame de date Profibus:

Telegrama fara camp de date (6 bytes de control)

Telegrama cu camp variabil de date (de la 0 la 244 bytes de date si 6bytes de control)

Telegrama cu camp fix de date (8 bytes de date si 6 bytes de control)

Scurta recunoastere (1 byte)

Telegrama jeton (token) pentru accesul la noduri master (3 byte)

Elementele telegramei Profibus:

• SDx (Start Delimiter) – Delimiteaza start-ul pentru telegrama de tip x.

• LE (Lenght) – Precizeaza lungimea campului de date la telegramele culungime variabila.

• LEr (Repeated Lenght) – Precizeaza repetat lungimea campului de datedin motive de siguranta.

• DA (Destination Address) – Identifica adresa nodului destinatie.

• SA (Source Address) – Identifica adresa nodului sursa.

• FC (Function Code) – Identifica tipul si prioritatea mesajului.

• DU (Data Unit) – Contine datele care urmeaza a fi transmise intre nodulsursa si nodul destinatie.

• FCS (Frame Check Sequence) – Byte-ul de control al paritatii telegramei

• ED (End Delimiter) - Byte-ul de final de telegrama

CAN

CAN (Controller Area Network) este o retea de comunicatii industriale de tipserial care permite comunicatia intre echipamente cu microprocesor.

Reteaua CAN are o arhitectura multimaster la care comunicatia intre nodurieste de tip peer to peer (de la egal la egal), iar topologia este de tip magistrala.Fiecare nod din retea este prevazut cu microprocessor, un controller CAN si ointerfata de retea de tip transceiver (transmitator-receptor).

Magistrala CAN are ca suport fizic un cablu torsadat cu doua fire, ecranatsau neecranat, prevazut la ambele capete cu rezistente de 120 Ω, pentruevitarea reflectarii semnalului.

Magistrala CAN este de tip diferential, intre cele doua semnale CAN_H siCAN_L exista o diferenta de potential. Tensiunea pe cele doua fire este 3.5V pe CAN_H si 1.5 V pe CAN_L in starea dominanta (considerata 0 logic) si2.5 V pe ambele linii in situatie recesiva (considerata 1 logic).

Viteza de transfer a datelor in reteaua seriala CAN este depedenta delungimea retelei. Cu cat lungimea retelei este mai lunga scade viteza cucare se pot transmite datele.

Viteza de transmitereKbit/s

Lungimea reteleim

1000 25800 50500 100250 250125 50050 100020 250010 5000

Transmiterea datelor in reteaua seriala CAN se face prin intermediulmesajelor denumite si cadre (frames). Mesajele sunt de doua feluri: cadrede date (data frame) – date transmise catre un alt nod si cerere de date(data request) – date cerute de la un alt nod.

Diferenta dintre cele doua tipuri de mesaje - cadre de date si cerere de date- consta in prezenta campului de date.

Elementele componete ale mesajului CAN :

• SOF (Start of Frame) – Indica inceputul cadrului (frame) de date printr-un singur bitdominant (0 logic).

• Identificator (Identifier) – Identificator pe 11 biti in formatul CAN standard si 29 biti informatul extins care stabileste prioritatea mesajului.

• RTR (Remote Transmission Request) – In cazul in care bitul RTR este dominant (0logic), mesajul este de tip cerere de date. Se solicita date de la un alt nod.

• IDE (IDentifier Extension) – Identifica daca mesajul este in format CAN standard sauextins. Daca bitul IDE este dominant (0 logic) atunci mesajul este standard.

• r0 – Bit rezervat setat, de regula, dominant.

• DLC (Data Length Code) – Indica numarul de biti folositi in campul de date (Data Field)

• Data Field – contine pana la 8 bytes (octeti) (64 biti) de date, care vor fi transmise denodul master curent catre un alt nod master.

• CRC (Cyclic Redundancy Check) – Verifica integritatea mesajului si este folosit pentrudeterminarea erorilor.

• ACK (ACKnowledgement) – Fiecare nod care primeste un mesaj corect suprascrie bitulACK din starea recesiva (1 logic) in stare dominata (0 logic), indicand transmiterea faraerori a mesajului.

• EOF (End of Frame) - Bit-ul final de mesaj

• IFS (Intermission Frame Space) – Reprezinta numarul minim de biti care separamesaje consecutive.

MODBUS

Modbus este un protocol de comunicatii serial de tip mater/slave care permiteinterconectarea a mai multor echipamente prin diferite tipuri de retele. Echipamentulmaster initiaza comunicatia prin trimiterea in retea de cereri, iar echipamentele slaveraspund prin furnizarea datelor sau actiunilor cerute de catre master. Cerereaechipamentului master poate fi adresata specific unui anumit slave sau catre toateechipamentele slave din retea.

Principalele avantaje pentru folosirea protocolul Modbus pentru comunicatia insisteme distribuite:

• Protocolul Modbus a fost dezvoltat pentru aplicatii de control industriale;

• Comunicatia fiind seriala utilizand biti si bytes, nu sunt impuse multe restrictiiproducatorilor de echipamente;

• Este public si poate fi folosit gratuit de catre producatorii de echipamente decontrol, de actionari si de masurare;

• Este simplu, usor de folosit si de intretinut.

Datorita faptului ca se folosesc mai multe tipuri de comunicatii, protocolul Modbus sepoate folosi in controlul proceselor distribuite la toate nivelele (supervizor, de controlsi de camp), precum si in toate tipurile de sisteme de control distribuite.

Modbus se utilizeaza pentru conectarea serverului supervizor MTU (Master TerminalUnit) cu terminalele RTU (Remote Terminal Unit) in sistemele SCADA (SupervisoryControl And Data Acquisition).

In sistemele de control distribuite cu automate programabile (PLC) si module deintrari-iesiri distribuite (remote I/O), protocolul Modbus se foloseste pentru conectareadeverselor servere si unitati de calcul cu echipamentele de control.

Unii producatori de echipamente numerice folosesc protocolul Modbus pentrucomunicatia CNC - PLC si intre PLC si echipamente din camp, cum ar fi limitatoarede cursa, butoane pentru comenzi externe, bariere de protectie, senzori deproximitate, senzorul de temperatura al lichidului de lubrefiere, etc.

Formatul general al mesajului Modbus pentru comunicatia seriala siModbus Plus:PDU – Protocol Data Unit defineste protocolul simplu de transmitere adatelor;ADU – Application Data Unit identifica, suplimentar fata de PDU, adresaechipamentului si verifica transmiterea corecta a mesajelor.

a) Formatul general Modbus

b) Formatul mesajului Modbus TCP-IP

Adresa echipamentului (Device Address) identifica in comunicatia master -slave echipamentul care urmeaza a fi accesat, iar in comunicatia slave –master echipamentul care va raspunde. Formatul adresei este pe 8 biti (1byte), in domeniul 1...247. Adresa 0 se foloseste pentru trimiterea demesaje catre toate echipamentele din retea.

Headerul MBAP (Modbus Application Protocol Header) este reprezentat pe7 bytes si contine identificatorul de tranzactie (2 bytes), identificatorul deprotocol (2 bytes), campul de lungime (2 bytes) si identificatorul subreteleislave seriale sau Modbus Plus (1 byte).

Codul functiei (Function Code) defineste scopul transmisiei de date.Reprezentarea codului functiei este pe 8 biti, cu valori intre 1...255. Functiilepot fi de citire, scriere, test, simulare, configurare, etc.

Campul de date contine informatiile care urmeaza sa fie transmise.Formatul standard al datelor este multiplu de 8 biti (n * 8 biti).

Verificarea erorii (CRC check) se face pentru verificarea integritatii datelordupa efectuarea transmisiei. Calculul se face luand in considerare toatecaracterele transmise in mesaj, iar formatul campului este pe 16 biti.

ControlNet

ControlNet este o retea de comunicatii de viteza ridicata implementata la nivelul de control a unui proces distribuit, care interconecteaza calculatoare (statii de lucru), automate programabile, module de intrari-iesiri distribuite, interfete om-masina, pentru a asigura schimbul direct de informatii si date intre subprocesele procesului distribuit.

Suportul fizic al retelei ControlNet este cablul coaxial RG-6 cu conectori BNC saufibra optica pentru comunicatia pe distante lungi.

Cablul coaxial are un conductor central de cupru protejat de un izolator dieletric siinvelis multistrat dublu ecranat cu folie de protectie.

Fibra optica este acoperita de un manson reflector care face ca impulsurileluminoase sa se propage de-alungul fibrei. Fibra este acoperira de straturiprotectoare care impiedica deteriorarea fizica a fibrei.

Numarul maxim de noduri adresabile intr-o retea este 99, iar viteza maxima detransmitere a datelor este de 5 Mb/s.

Lungimea maxima a retelei cu cablu coaxial fara repetoare este de 1000 m cu 2noduri si de 250 m in configuratia cu 48 de noduri, iar cu repetoare este de 5000 m.Numarul maxim de repetoare in serie care se pot folosi este 5, iar reteaua poateavea maxim 6 segmente in serie si 48 in paralel.

Lungimea maxima a retelei cu fibra optica fara repetoare este de 3000 m si curepetoare este de peste 30 de km.

Redundanta retelei ControlNet

In reteaua ControlNet se poate instala intre noduri un al doilea cablu de reteapentru asigurarea redundantei. Nodul receptor compara cele doua semnaleprimite si selecteaza cel mai bun cablu pentru a primi mesajul urmator.

In cazul in care apare o intrerupere de cablu sau un contact imperfect pe unuldintre cabluri, datorita redundantei comunicatia va fi asigurata de celalalt cablu.

Accesul la reteaua ControlNet

Functia principala a retelei controlNet este de a transporta informatii si mesajede tip intrare/iesire in aplicatii in care timpul este critic. Mecanismul de acces almagistralei se numeste CTDMA – Concurrent Time Domain Multiple Access.

Axa timpului este impartita in intervale egale de timp denumite timp de updateal retelei NUT (Network Update Time). Fiecare Nut este impartit in timp pentruactivitati programate, timp pentru activitati neprogramate si timp pentruintretinere retea.

Fiecare nod a retelei poate transmite o singura data in timpul pentru activitatiprogramate. Datele transmise sunt critice si pot fi date de tip analogic, digitalsau interlock. In timpul activitatilor neprogramate nodurile au posibilitatea de atransmite prin rotatie mesaje necritice. In timpul intretinerii retelei, nodul cuadresa cea mai mica, numit moderator, transmite un cadru catre toate nodurilepentru sincronizare.

Formatul cadrului ControlNet

DEVICENET

DeviceNet este un protocol deschis de comunicatii folosit in automatizareaproceselor industriale pentru interconectarea echipamentelor din camp cucele de control. DeviceNet a fost dezvoltat initial de Allen Bradley, insa dinanul 1995, managementul si suportul tehnic pentru producatori a fosttransferat catre ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). Formatulcadrelor de date conform nivelului legaturii de date (Data Link Layer) dinmodelul OSI este preluat de la CAN (Controller Area Network).

DeviceNet este o retea de camp de viteza ridicata, cu comunicare la nivelde bit, la care schimbul de date se face poate face:

• ciclic - intre senzori/actuatori si echipamentele de control

• non-ciclic - in cazul modificarii configuratiei sau diagnosticariiechipamentelor de camp

Device Net suporta comunicatii multiple ierahizate si prioritizarea mesajelor.Este o retea de tip producator-consumator, la care toate nodurile retelei potaccesa simultan datele provenite de la o singura sursa. In fiecare nod aretelei poate fi un echipament de control sau de camp.

Topologia retelei

Este de tip trunchi (trunk) cu linii coborâtoare (drop lines) care pot fi inaranjament stea, magistrala sau arbore.

Linia trunchi principala are la capete rezistente terminatoare de 121Ω, 0.25W. Reteaua DeviceNet are nevoie de sursa de alimentare de curentcontinuu 24 VDC.

Suportul fizic al retelei DeviceNet este un cablu cu 4 fire, dintre care 2 firesunt pentru semnalul util CAN_H (alb) si CAN_L (albastru), iar celelalte 2fire sunt pentru alimentare V+ (rosu) si V- (negru).

Cablurile pot fi rotunde sau plate, cele rotunde fiind de doua feluri groase sisubtiri. Cablurile rotund gros si plat se folosesc, de regula, pentru liniatrunchi principala si cablul rotund subtire pentru coborari la noduri.

a) Cablu rotund b) Cablu plat

Viteza de transmitere a datelor in reateaua DeviceNet este dependentade tipul cablului si de lungimea retelei.

Lungimea coborarilor de la linia trunchi principala la noduri si intre nodurieste limitata. Reteaua DeviceNet suporta pana 64 de noduri, identificateprin adrese.

Viteza de transmitere 125 Kbit/s 250 Kbit/s 500 Kbit/sCablu rotund gros 500 m 250 m 100 m

Cablu rotund subtire 100 m 100 m 100 mCablu plat 380 m 200 m 75 m

Lungime maxima coborare 6 m 6 m 6 mLungime cumulata coborare 156 m 78 m 39 m

Protocolul de comunicatii DeviceNet poate fi de tip peer to peer (de laegal la egal) in care fiecare echipament din retea poate genera si primimesaje sau de tip master/slave vazut ca model simplificat peer to peer.

Conexiunile master-slave sunt predefinite, masterul trimite si primestemesaje de date intr-un format predeterminat la si de la echipamenteleslave.

Formatul mesajului de date DeviceNet are la baza formatul cadrului dedate CAN cu identificator standard pe 11 biti:

• SOF (Start of Frame) – Indica inceputul cadrului (frame) de date printr-un singur bitdominant (0 logic).

• Identificator (Identifier) – Identificatorul pe 11 biti in formatul CAN standard stabilesteprioritatea mesajului.

• RTR (Remote Transmission Request) – In cazul in care bitul RTR este dominant (0 logic),mesajul este de tip cerere de date. Se solicita date de la un alt nod.

• Campul de control (Control Field) – Indica numarul de biti folositi in campul de date• Data Field – contine pana la 8 bytes (octeti) (64 biti) de date, care vor fi transmise de nodul

curent catre un alt master.• CRC (Cyclic Redundancy Check) – Verifica integritatea mesajului si este folosit pentru

determinarea erorilor.• ACK (ACKnowledgement) – Fiecare nod care primeste un mesaj corect suprascrie bitul

ACK din starea recesiva (1 logic) in stare dominata (0 logic), indicand transmiterea faraerori a mesajului.

• EOF (End of Frame) - Bit-ul final de mesaj• IFS (Intermission Frame Space) – Reprezinta numarul minim de biti care separa mesajele

de date consecutive.

FOUNDATION FIELDBUS

Structura retelei Foundation Fieldbus

Controlul local al variabilelor de proces - Foundation Fieldbus

ETHERNET INDUSTRIAL

Reţea industrială unificată prin tehnologia Ethernet

Suportul fizic

• Cablurile coaxiale – au fost utilizate în primele reţele de tip Ethernet;

• Cablurile torsadate (răsucite) – sunt cele mai răspândite soluţii utilizate. Existădouă tipuri de cabluri torsadate: neecranate sau UTP (unshielded twisted-pair) şiecranate - STP (shielded twisted-pair) divizate în mai multe categorii: CAT 5,CAT 5e şi CAT 6

• Fibra optică – utilizată pentru magistrale, datorită vitezelor şi distanţelorsuperioare de transmisie

1 - Conductor din cupru

2 - Izolaţie din polietilenă (PE)

3 - Folie din aluminiu

4 - Tresă din fire de cupru cositorit

5 - Înveliș exterior din compuşi polimer

Viteza de transmitere a datelor

• 10BASE-T Ethernet – asigură o viteză maximă de 10 Mbps; versiuneautilizează ca suport de comunicaţie două perechi de fire ale cabluluiUTP. Pe o pereche se transmite, pe cealaltă se recepţionează.

• Fast Ethernet – furnizează o creştere a vitezei de 10 ori faţă de modelul10BASE-T (100 Mbps), păstrând majoritatea specificaţiilor tehnice. FastEthernet are trei niveluri de implementare: 100BASE-TX (utilizează douăperechi CAT5+), 100BASE-FX (foloseşte două conexiuni prin fibrăoptică) şi 100BASE-T4, care utilizează patru perechi de fire din cablu decategoria 3 sau superioară.

• Gigabit Ethernet – extinde protocolul de comunicare, mărind viteza la1Gbps. Se poate implementa în trei variante: 1000BASE-SX Fiber(pentru conexiuni pe orizontală), versiunea 1000BASE-LX Fiber (pentruconexiuni pe verticală), 1000BASE-CX Copper (cablaj Cupru-Twinax), şi1000BASE-T.

• 10 Gigabit Ethernet – a fost ratificat ca standard în iunie 2002 şi oferăsuport pentru servicii inteligente de reţea, este inter-operabil cuarhitecturile existente şi asigură rate de transfer de până la 10 Gbps.

Formatul mesajului de date

Bloc Dimensiune (octeţi)

Explicaţieconform IEEE 802.3

Preamble

Start Delimiter7+1

Asigură componentelor din rețea timpul necesar detectării prezenței cadrului înainte de sosirea datelor.

Adresa

MAC Dst6

Adresa MAC a destinaţiei. Poate să indice o adresă individuală, sau o adresă de tip multicast

(corespunzătoare unui grup de staţii)Adresa

MAC Src6

Conţine adresa MAC a sursei care trimite cadrul. Întotdeauna va reprezenta o adresă individuală.

Tip

Ether2

Indică tipul protocolului de comunicaţie utilizat pentru transmisia datelor (de exemplu: TCP/IP).

Date 46-1500 Conţine informaţia de transmis.FCS

(Frame Check Sequence)

4

Conţine suma de control CRC (Cyclic Redundancy Check) a cadrului, utilizată pentru monitorizarea erorilor de transmisie.

CAPITOLUL VIII

ECHIPAMENTE DE CÂMP INTELIGENTE

SENZORI INTELIGENŢI

Senzorul inteligent este alcătuit din elementele componente obișnuite alesenzorului clasic împreuna cu module de conversie, procesare locală adatelor, operare și de interfață cu sistemul de control distribuit.

ACȚIONĂRI INTELIGENTE

Acționările inteligente, față de cele clasice, au capacitatea de a controlalocal energia necesară introdusă în proces și să comunice sigur și eficientcu alte echipamente din sistemul de control distribuit. Acestea presupunintegrarea în acţionare a componentelor: unitate de calcul, interfaţă localăHMI, module de măsurare și un circuit de conversie pentru generareasemnalului de comandă pentru amplificatorul de putere.

Acţionări inteligente pentru controlul mişcării

Servoacţionările inteligente presupun implementarea locală a algoritmilorde control a mișcării pentru asigurarea poziționărilor rapide și precise aaxelor cinematice și asigurarea unei comunicații eficiente cu elementelemașinii sau, în general, cu echipamente din procesul industrial distribuit.

metode si echipamente de control a proceselor industriale - prezentare 2014

Documents