Universitatea Politehnica Bucureşti

Facultatea de Automatică şi Calculatoare

Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENŢĂ

Simulator de proces pentru controlul unei

platforme industriale

Absolvent

Saşa-Ştefan Childesco

Coordonator

SL.dr.ing. Cătălin Dimon

2

CUPRINS

1. Introducere in automatizări

2. Instalaţia tehnologică

2.1. Descrierea instalaţiei

2.2. Elemente componente

3. Modelarea procesului tehnologic

3.1. Modelarea procesului de curgere

3.2. Calculul modelului dinamic al unei conducte scurte

4. Controlul procesului tehnologic

4.1 Soluţia de automatizare

4.2 Calculul regulatorului

4.3 Simulări

5. Implementarea soluţiei de automatizare

5.1 Implementarea hardware

5.2 Implementarea software

6. Concluzii

7. Bibliografie

3

1. Introducere în automatizări

Încă din antichitate omul a fost dornic să işi uşureze muncă cu ajutorul unor instalații sau mecanisme create prin intermediul tehnologiei aferente cu epoca din care faceau parte,

crearea instalaţiilor tehnologice fiind un atribut esenţial al ingineriei. Ingineria constă în

cunoaşterea şi utilizarea materialelor şi forţelor naturii pentru beneficiul umanitaţii, de regulă

cu ajutorul unor sisteme fizico-tehnice (construcţii, maşini si instalaţii) concepute, realizate şi

utilizate în cadrul unor organizaţii socio-economice. Astfel, inginerul automatist are sarcina,

pe baza cunoştițelor acumulate asupra sistemelor fizico-tehnice, să conceapă şi să realizeze

automatizarea acestora. În mod firesc această profesie este multidisciplinară, deoarece

exercitarea ei competentă necesită cunostinţe de matematică, fizică, chimie, biologie,

electrotehnică, electronică, tehnică de calcul, informatică şi, nu în ultimul rând, de automatică.

Cu alte cuvinte, inginerul automatist trebuie să aibă o vastă cultura stiinţifică şi tehnică,

dublată de o viziune formată intr-un mod sistematic, astfel încât acestea să-i asigure o

abordarea şi o soluţionare cat mai optima a diverselor probleme de automatizare existente în

multitudinea de procese fizico-tehnice (mecanice, termice, fluidice, chimice, biologice sau

combinaţii ale acestora). Primele exemple considerate ca fiind procese automatizare, chiar

dacă acestea sunt extreme de rudimentare ca si tehnologie folosită, şi nu se apropie cu

procesele automate cunoscute nouă, sunt: ceasul cu apă inventat în secolele IV-III î.H. si

incubatorul lui Drebbel care a aparut in jurul anului 1600.

Figura 1.1. Primele 2 procese automate inventate de om: în stânga imaginii: Ceasul cu apă, iar în dreapta Incubatorul lui Drebbel

4

Automatica este tehnologia invizibilă care produce rezultate cât se poate de vizibile; de

exemplu: utilizarea reacției de fisiune nucleară in condiții de stabilitate, conducerea liniilor de

fabricațtie in condiții de flexibilitate, si lista poate continua cu nelimitate exemple.

Automatizarea este cunoscută ca şi tehnologia invizibilă pentru că, deşi utilizează obiecte si

utilaje cat se poate de fizice, ea rezidă in primul rând in relațiile dintre aceste obiecte, utilaje

implicate în procesul nostru. Mai mult automatica este acea ramură a ştiinţei şi a tehnicii care

inglobează totalitatea metodelor şi a mijloacelor tehnice prin care se formează legături

corespunzătoare între instalaţiile proceselor tehnologice şi acele dispozitive introduse care se

ocupă cu automatizarea instalaţiei sau a procesul respectiv, astfel încât conducerea proceselor

de producţie să se desfăşoare in automat fără intervenţia directă a omului.

Termenii de “automat” şi “automatizare” fac parte din categoria celor mai utilizați

termeni inginereşti şi nu numai, aceşti termeni încep sa fie din ce în ce mai folosiți în viața de

zi cu zi. Acest lucru este întaritat de faptul că automatele si procesele automatizate sunt din ce

in ce mai prezente în viețiile noastre si sunt folosite în toate domeniile, deoarece folosirea

automatelor duc la o creştere a productivitați, la o scădere a consumurilor specifice (materii

prime, material, combustibil, energie, etc.), creşterea siguranței în functionare, asigurarea

preciziei execuției si nu în ultimul rând scoaterea factorului uman din medii nocive, rezultate

ce sunt urmărite în toate domeniile nu numai în domeniul industrial sau postindustriale. Însă,

introducerea pe scară largă a automatizării proceselor impune o continuă preocuparea pentru

pregătirea de cadre şi o creştere a calificării muncitorilor, tehnicienilor şi inginerilor pentru a

lucra, proiecta şi crea în cele mai bune condiţii aparatura de automatizare de înaltă tehnologie.

Cele mai importante categorii de automatizări sunt:

de reglare,

de comanda,

de protective,

de măsurare,

de semnalizare, etc.

acestea având ca rezultat final efectuarea unor operații, mişcări sau acțiuni în mod automat.

5

2. Instalația tehnologica

2.1 Descrierea instalației

Instalatia tehnologica consta in cinci rezervoare interconectate pe care se pot regla

diversi parametri tehnologici, precum: debit, nivel, temperature, presiune, etc. dupa cum se

poate observa in Figura …

In cadrul acestei lucrari suntem interesati de modelarea si reglarea curgerii unui fluid,

considerat incompresibil, printr-o conducta. Scopul urmărit de această instalație este de a

regla debitul de intrare în primul rezervor din instalatia tehnologica. Debitul de fluid, de

intrare este dat de către o pompă, care pompează un debit de până la 10.5 m3/h, sau de către

un robinet manual, ambele racordate la instalația de apă a clădiri. Pentru măsuratori mai

exacte am folosit conectarea instalației la pompă.

Instalația procesului este formată dintr-un rezervor, în care se acumulează cantitatea

de fluid, un traductor de debit care măsoară valoarea debitului de intrare în procesul

tehnologic, un element de execuție care închide sau deschide conducta instalației cu un

procent aflat în intervalul 0 – 100 %, cu ajutorul unui robinet cu diafragmă, şi instalația se

termină cu o pompa de circulație cu rotor umed care asigură instalației un debit constant de

până la 10.5 m3/h.

2.2 Elemente componente

Traductor debit- Burkert magnetic inductive flow transmitter

Este un traductor de debit de mare precizie cu largă gamă de posibilități de prindere:

de la DN06 pană la DN400 pe nenumărate tipuri de țevi: PVC, PP, PVDF, PE, inox, alamă.

6

Figura 2.2. Traductor de debit Burkert

Are incorporate funcții de:

-monitorizare

-transmitere de date

-afişare a valorii debitului în timp real pe display-ul acestuia

-control a stării de funcționare (ON/OFF)

-control a valori măsurate

Domeniul de funcționare a traductorului:

- temperatura: - de la 0 până la 50oC pentru țevile de tip PVC

- de la 0 până la80oC pentru țevile de tip PP

- de la -15 până la 100oC pentru țevile de tip PVDF

- de la -15 până la 160oC pentru țevile de inox sau alamă

- presiune: - 232.16 PSI (PN16) pentru țevile de metal

- 145.1 PSI (PN10) pentru țevile de plastic

Modul de instalare a traductorul de debit pe instalația tehnologică:

- Traductorul se poate monta fie orizontal fie vertical pe țevile instalației

tehnologice

- Însă trebuie ținut cont de cateva reguli în legatură cu montarea acestuia, iar în

figura 4.2 de mai jos putem obseva câteva cazuri de instalare corectă a traductorului şi cum nu

trebuie montat acesta

7

Figura 2.3. Câteva exemple de instalare a traductorului pe instalația tehnologică

- Pentru o măsuratoare exacta este recomandat montarea traductorului pe un canal

de deviație in forma de “U” pentru ca traductorul sa fie sub nivelul mediu de curgere a

instalației, precum vedem în ultimul exemplu din figura 4.2

Traductorul se alimenteaza la tensiuni cuprinse între 18 si 36 VDC şi semnal de

comandă, unificat în curent continuu 4-20mA

Figura 2.4. Schema de alimentare a traductorului, precum şi pozitionarea LED-urilor

Traductorul are o interfață grafică pe care utilizatorul poate modifica parametrii, şi

poate confirma schimbarea acestora, poate vizualiza stare LED-urilor si valorile debitului în

timp real.

8

Figura 2.5 Interfața de vizualizare a datelor în timp

Actuator rotativ cu robinet cu diafragmă – BELIMO LR 24 S

Este un element de execuţie pentru controlul țevi de circulație a fluidului instalației

sau controlul la până 3 căi de curgere a fluidului.

Figura 2.6. Actuator rotativ BELIMO LR 24 S

9

Este extreme de uşor de montat, se montează pe țeava instalației folosind doar un singur

şurub. Are o protecție la suprasarcină, actuatorul se opreşte când se atinge nivelul maxim.

Actuatorul mai prezintă posibilitatea de a fi acționat şi manual, nu doar în mod automat.

Acest element de execuție este extreme de fiabil deoarece fiecare piesă component poate fi

înlocuită sau reparată, acest lucrul îl face să devină un actuator foarte bun şi extreme de

folosit în toate procesele industriale.

Date tehnice:

- Alimentare 19 – 28 VAC/ VDC

- Voltaj nominal AC 24 V 50/60 Hz

DC 24 V

- Cuplu 5 Nm la votaj nominal

- Comanda şi control 0 – 10 VDC

- Feedback poziție 2 – 10 VDC

- Acuratețe poziție ±5%

- Buton forțare manuală

- Poziționare la 90o

- Temperatură de funcționare 0 …. +50oC

- Temperatură ]n regim de avarie -40 …. +80oC

Figura 2.7. Schema de comandă pentru cele 2 moduri: pentru o singură conductă de curgere a fluidului, respectiv

cu 3 căi de curgere

10

Pompă circulație WILO typ TOP – s30/10

Figura 2.8. Pompa de circulatie cu rotor umed WILO TOP-S

Wilo Top-S este o pompă de circulație cu rotorul umed, cu racordul filetat sau cu flanşă.

Puterea poate fi adaptată manual cu două trepte de turație la pompele de 1~230V sau trei

trepte de turație.

Pompa Wilo Top-S poate fi utilizată în instalații de încălzire cu apă caldă de diferite tipuri,

instalații de climatizare, circuite închise de răcire, instalații industriale de recirculare.

Specificații tehnice:

- Putere motor 410 W

- Tensiune alimentare 230 V

- Debit maxim 10.5 m3/h

- Rotații motor 2600 rpm

- Presiune maxima de lucru 10 bari

- Înălțime maxima de pompare 12 m

- Înălțime minima de pompare -20 m

11

3. Modelarea procesului tehnologic

Pe baza caracteristicilor tehnice ale componentelor tehnologice descrise in paragraful

precedent se poate deduce modelul dinamic ce descrie variatia debitului de lichid care circula

prin conducta de alimentare a primului rezervor. Modelul dinamic leaga variatia acestui debit

de caderea de presiune de pe conducta (cadere de presiune considerate intre elemental de

executie si traductor). In functie de aceasta distanta pot fi evidentiate doua cazuri: curgere

printr-o conducta scurta sau curgere printr-o conducta lunga.

In cele ce urmeaza este detaliat modul de determinare al modelul dinamic pentru cele

doua cazuri, conform (Popescu et al., 2006), fiind totodata propusa, spre final, si o solutie de

automatizare.

3.1 Modelarea procesului de curgere

Pentru modelarea procesului de curgere se calculează modelul dinamic al unei conducte

tehnologice prin care curge un fluid, delimitată de elementul de execuţie şi traductorul pentru

măsurarea debitului. Un sistem de reglare automată (SRA) a debitului are reprezentarea

convenţionala din figura 2.1, unde:

F este debitul de fluid;

L este lungimea conductei;

D este diametrul conductei;

∆P este căderea de presiune pe conductă;

F0 este valoarea presupusă a debitului.

Figura 3.1 . Reprezentarea convețională a unui SRA pentru debit

In functie de dimensiunile elementelor componente se pot evidentia doua cazuri:

a) conducte scurte cu L ~ D

b) conducte lungi cu L >> D

Pentru primul caz se echivaleaza tronsonul de conductă cu o rezistență, pentru care este

valabilă relația:

2 P

F S

, (3.1)

în care:

F este debitul care trece prin restricție;

∆P este căderea de presiune pe restricție;

α este coeficientul de debit;

ρ este densitatea fluidului.

12

În cel de-al doilea caz, in care avem o conductă lungă, se presupune că forță de reacțiune

este forța de frecare a fluidului cu pereții conductei, astfel în acest caz debitul depinde

esențial de lungimea conductei, L:

2 PF L

k

. (3.2)

in care:

F este debitul care trece prin restricție;

∆P este căderea de presiune pe restricție;

ρ este densitatea fluidului

Dacă dorim sa obținem relațiile pentru un fluid compresibil ecuațiile precedente sunt

corectate cu un coeficient de compresibilitate.

3.2 Calculul modelului dinamic al unei conducte scurte

In cazul procesului tehnologic analizat ne situam in primul caz, cel al curgerii printr-o

conducta scurta. Folosind ecuațiile de la modelul curgerii prin conducte scurte, vom calcula

funcția de transfer a procesului.

Pornind de la ecuația fundamentală a mecanicii newtoniene F=m*a, vom scrie aceasta

ecuație în cazul nostru. În cazul procesului nostru F este diferența dintre forța activă şi forța

reactivă. Scriem forța ca fiind produsul dintre căderea de presiune de pe conducta şi secțiunea

acesteia: F(t)=p(t)*S

Deci ecuația noastra devine:

Δpa(t)*S- Δpr(t)*S=M*dt

tdv )( (3.3)

,unde: Δpa(t) este caderea de presiune activă

Si Δpr(t) este caderea de presiune reactivă

Folosind formula forței din modelul curgerii prin conducte scurte:

F(t)=α*S*

)(p2 tr, (3.4)

Scoatem din aceasta ecuație, formula caderii reactive de presiune:

Δpr(t)= 22

2

**2

)(*

S

tF

(3.5)

Înlocuind acesta formula în ecuația (3.3) obținem:

Δpa(t)*S -22

2

**2

)(*

S

tF

*S=M*

dt

tdv )( (3.6)

Mai stim că masa este egala cu lungimea țevii înmulțită cu secțiunea acesteia şi cu

coeficientul adimensional al apei la curgere (M=ρ*L*S), iar viteza este egala cu forța

13

împartită la secțiunea țevii (v(t)=S

tF )(). Înlocuind şi aceste relații in ecuația (3.3), acesta

devine:

Δpa(t)*S -22

2

**2

)(*

S

tF

*S= ρ*L*S *

S

1*

dt

tdF )( (3.7)

Observa că putem simplifica secțiunea din fiecare termen, astfel obținem:

Δpa(t) - 22

2

**2

)(*

S

tF

=

S

L**

dt

tdF )(. (3.8)

Centram variabilele relației pentru a obține o variție ΔF(t), respectiv Δpa(t), în jurul punctului

static de funcționare ales, caracterizat printr-o valoare constantă a debitului F0, respectiv a

căderii de presiune Δpa0(t):

F(t)=F0+δF(t) (3.9)

Δpa(t)= Δpa0+δ(Δpa(t))

În regim dinamic căderea de presiunea este egală cu Δpr(t)= 22

2

**2

)(*

S

tF

, iar în regim staționar

Δpr0= 22 **2 S

*

2

0F .

În regim staîionar relatia (3.3) devine:

Δpa0*S – Δpr0*S= M*dt

tdv )(=0, (3.10)

unde Δpa0= Δpr0=Δp0

Introducem ecuațiile rezultate în urma centrarii în ecuația (3.8):

Δpa0+ δ(Δpa(t)) - 22 **2 S

*[ F0+δF(t)]

2=

S

L**

dt

tFFd )]([ 0 (3.11)

[ F0+δF(t)]2=F0

2+2*F0* δF(t)+ (δF(t))

2, termenul (δF(t))

2 fiind egal cu 0 in urma liniarizari.

Δpa0+ δ(Δpa(t)) - 22 **2 S

* F0 -

22 **2 S

*2* F0*δF(t)=

S

L*[

dt

tFd

dt

dF ))((0 ] (3.12)

stiind că Δpr0= 22 **2 S

* F0

2= Δpa0= Δp0 (3.13)

rezultă

δ(Δpa(t)) - 22 * S

* F0*δF(t)=

S

L**

dt

tFd ))(( (3.14)

Normarea:

y(t)=0

)(

F

tF

14

un(t)=0

))((

a

a

p

tp

După ce introducem valorile dupa normare în ecuația (3.13), obținem:

un(t)* Δpa0 - 22 * S

* F0

2*y(t)=

S

L**F0*

dt

tdy )(, (3.15)

arajăm termeni pentru o mai buna vizualizare:

S

FL 0***

dt

tdy )(+

22

2

0

*

*

S

F

*y(t)= Δpa0* un(t) (3.16)

Înmultim relația (3.16) cu 2

0

22

*

*

F

S

, rezultă:

2

0

22

*

*

F

S

*

S

FL 0***

dt

tdy )(+y(t)=

2

0

22

*

*

F

S

*Δpa0* un(t) (3.17)

conform relației (3.13) stim ca Δpa0= 22 **2 S

*F0

2, deci produsul:

2

0

22

*

*

F

S

*Δpa0 este egal cu :

2

0

22

*

*

F

S

*

22 **2 S

* F0

2, iar dupa simplificari acesta este egal

cu 2

1.

Relatia (3.17) ajunge la forma:

0

2 **

F

LS*

dt

tdy )(+ y(t) =

2

1* un(t), (3.18)

care reprezinta modelul dinamic al unei conducte scurte.

Functia de transfer asociata este:

1

sT

kH

P

P

p , (3.19)

unde: 0

2 **

F

LS = TP

2

1 = kP

3.3 Calculul

Din relația funcției de transfer asociată procesului de curgere HP

HP=1* sT

k

P

P ,

kp este cunoscut, el fiind egal cu 2

1, trebuie sa calculam doar Tp

15

TP=0

2 **

F

LS,

unde:

α - este coeficientul adimensional de curgere al apei

S - este secțiunea țevi procesului

L - este lungimea țevi procesului

Știind că α =0.33, S=0.28*10-4

m2, L=1m , şi valoarea constantă a debitului este F0=10l/min=

0.16*10-3

m3/s , atunci Tp este egal cu 1.75*10

-1s

Rezultă HP=1*10*75.1

2

1

1 s,

Pentru a afla funcția transfer a întregului proces tehnologic HF, trebuie sa mai calculăm

funcțiile de transfer aferente traductorului, HT si a elementului de execuție.HEE.

HF=HP*HT*HEE

Traductorul:

Figura 3.2. Caracteristica statica a traductorului de debit

Dupa cum se observa in figura de mai sus, traductorul de debit al procesului

tehnologic, are o caracteristică statică liniară, astfel funcția de transfer a traductorului este:

16

HT=

0

0

F

F

I

I

=

0

minmax

0

minmax

F

FF

I

II

=

10

02012

420

=

10

2012

16

=2

3

4

=3

2≈0.67, (3.20)

pentru calculul functiei de transfer a traductorului am folosit valoarea constanta a debitului

F0= 10 l/min = 0.16 * 10 -3

m3/s, iar valoarea iesirii traductorului, aferente intrarii debitului

constant F0 este Io=12mA.

Elementul de execuție:

Figura 3.3 Caracteristica statica a elementului de executie

i elementul de execuție are tot o caracteristică liniară, asemenea traductorului, însă,

spre deosebire de traductor care masoară valoarea debitului care trece prin dreptul acestuia, şi

exprima valoarea acestuia în curent unificat 4-20mA la ieşire, elementul de execuție are ca

intrare un curent unificat 4-20mA iar la ieşire oferă un procentaj, care semnifica cât la sută din

țeava procesului tehnologic este blocată de diafragma elementului de execuție.

Procentajul de 0% semnifica faptul ca conducta este complet deschisă, iar 100% că aceasta

este complet închisă. Debitul maxim produs de catre pompa procesului, care trece prin

elementul de execuție este de 3 *10 -3

m3/s. Pentru a afla iesirea elemetului de execuție la

valoarea debitului constant F0=10 l/min, trebuie să calculăm cât la sută trebuie sa închidem

diafragma elementului de execuție pentru a trece prin dreptul acestuia fix acel debit.

1

25.6

16

100 , rezulta faptul că pentru fiecare modificare a procentajului de închidere a

diafragmei, ieşirea se modifica cu o unitate. Iar pentru a avea exact debitul de 10 l/min

17

diafragma trebuie închisă la 94,28%, vom nota valoarea procentului cu Pr. Deci ieşirea

elementului de execuție la aceast procentaj va fi de 19,08 mA, astfel funcția de transfer a

elementului de execuție este:

HEE=

0

0Pr

Pr

I

I

=

0

minmax

0

minmax

Pr

PrPr

I

II

=

08.19

42028.94

0100

=

08.19

1628.94

100

=83.0

06.1≈1.27. (3.21)

Funcția de transfer a întregului proces tehnologic este egală cu produsul:

HF=HP*HT*HEE=1*175.0

2

1

s*0.67*1.27=

1*175.0

425.0

s (3.22)

Pentru a calcula comanda regulatorului, trebuie mai intai sa discretizam functia de transfer, cu

ajutorul comenzii „c2d‟ din Matlab

HP(z-1

)=c2d(HP,0.043,‟tustin‟)

Am ales perioada de esantionare de 0.043 s deoarece TP, constanta de timp este de 0.175.

Functia de transfer rezultata este:

HP(z-1

)=75.0

053.0053.01

1

z

z =

133.1

07.007.01

1

z

z (3.23)

4. Controlul procesului tehnologic

4.1 Soluția de automatizare

Un SRA pentru debit este realizat ca o structură simpla după eroare, aşa cum se observa

în Figura 3.1. Un astfel de SRA este folosit pentru menținerea debitului la anumită valoare,

sau poate fi integrată într-o structură de reglare în cascadă a debitului cu nivelul, temperatura,

concentrația, etc.

O modalitate de implementare a unui sistem de reglare automată a debitului in structura

de reglare după eroare (abatere) este data în Figura 3.3.

Figura 4.1. Implementarea SRA pentru debit cu aparatură cu semnal unificat de curent

Este folosită o aparatură de automatizare cu semnal unificat de curent ( 4 20 mA ). De

asemenea este folosit si un traductor cu diagramă, pentru măsurarea debitului, astfel încât

valoarea debitului se obține la ieşirea extractorului de radical prevăzut după traductorul de

presiune diferențială. Deoarece elementul de execuție al sistemului este prevăzut cu un

servomotor pneumatic, comanda regulatorului, un semnal electric unificat, este convertită prin

blocul electropneumatic şi apoi aplicată elementului de execuție.

4.2 Calculul regulatorului

Plecand de la modelul obtinut in (3.23) se va calcula un regulator de tp RST folosind

programul WinREG.

În urma rulării programului WinREG am obţinut:

R(z-1

)= -19.16+14.69z-1

S(z=1

)= 1-z-1

T(z-1

)= -14.28+14.11z-1

-4.3z-2

,

19

Si am simulat cum se comporata iesirea sistemului la o intrare de tip treapta, respectiv de tip

sinusoida:

Figura 4.2. Iesirea sistemului la intrarea de tip treapta

20

Figura 4.3. Iesirea sistemului la o intrare de timp sinusoida

4.3 Simulari

21

5. Implementarea soluţiei de automatizare

5.1 Implementare hardware

OMRON CJ1M - PLC modular pentru comandă şi control

Automatul programabil Omron CJ1M extinde seria CJ1 pentru o mai bună funcționalitate,

memorie mai mică şi posibilitatea de a ataşa exact câte intrări/ieşiri avem nevoie pentru

fiecare proces în parte, datorită faptului că PLC-ul CJ1M fiind un automat modular. Acest

PLC reprezintă o soluție low-cost pentru aplicațiile cu puține intrări/ieşiri şi cu mai puțin

cod.

Caracteristici tehnice:

- Memorie flash de până la 64 MB pentru salvarea programelor

- Comunicația serial de tip PLC Link permite comunicarea între 9 PLC-uri (1

master şi 8 slaves)

- Are încorporat porturi periferice si RS-232

- Este cel mai mic PLC din familia CJ1, din punct de vedere fizic, are o lătime

de doar 31.75 mm

- Este compatibil cu toate modulele de intrări/ieşiri de tip CJ1

- Soft-uri de programare compatibile: CX-Programmer Version 3.0 sau mai

recente

- Are încorporate 10 intrări şi 6 ieşiri, însă doar la CPU 22 şi CPU 23

- Timpul de execuție a unui ciclu de program este de 0.1µs pentru instrucțiunile

de bază şi de 0.3µs pentru instrucțiunile special

- Acceptă până la aproximativ 400 de linii de cod în limbaj ladder

- Dimensiuni:

- 31x90x89mm la modulele de 16 intrări/ieşiri

- 20x90x83.6mm la modulele de 32 intrări/ieşiri

- 31x90x83.6mm la modulele de 64 intrări/ieşiri

22

Figura 5.1. PLC modular OMRO N

Automatul programabil modular Omron CJ1M poate fi format din următoarele module:

CJ1W-PA202 modul tip sursa alimentare configurație PLC

CS1W-CN118 cablu adaptor RS232

CJ1M-CPU11 modul tip unitate central configurație PLC care conține maxim 160

intrări/ieşiri şi până la 10 module de extensie intrări/ieşiri, 2 porturi de

comunicație seriale, memorie program 5kSteps şi memorie de date 32 kWords

CJ1W-ID211 modul cu 16 intrări digitale

CJ1W-OC201 modul cu 16 ieşiri digitale

CJ1W-AD081-V1 modul cu 8 intrări analogice în semnal unificat ±10V/0-10V/4-20mA

CJ1W-Dao8C modul cu 8 ieşiri analogice în semnal unificat 4-20MA

CJ1W-OD211 modul cu 16 iesiri digitale

23

5.2 Implementare software

CX-One este un set unificat de software, prin instalarea acestui program, utilizatorii pot

crea, configura şi programa o varietate de dispozitive, cum ar fi PLC-uri, terminale

programabile, convertizoare de frecventa si dispozitive inteligente de control servo, cum ar fi

termokontrollery, senzori de măsurare, de control al miscarii multi-axa, şi, desigur, industriale

rețea. CX-One ajută foarte mult munca unui inginer, iar cu un minim de cunoştințe în

limbajul de programare ladder si cu ajutorul tutorialelor oferite de cei de la Omron oricine

poate creea un program de complexitate mică şi chiar medie sau poate configura sisteme de

automatizare.

CX-One este o platformă multisoft din care fac parte următoarele soft-uri:

CX-Programmer – este folosit pentru a crea programe în limbaj ladder pentru toate tipurile

de plc-uri Omron, de la micro PLC până la sisteme de processor duplex. Acest soft

permite o uşoară conversie şi chiar reutilizarea de cod ladder.

CX-Simulator – acest soft este un mediu de depanare echivalent cu mediul real care face

posibilă evaluarea funcționării programului, verifică timpul ciclului şi pentru a reduce

timpul de depanare înainte ca procesul să înceapă efectiv.

CX-Designer – este un soft folosit pentru a creea obiecte funcționale. CX-Designer poate

verifica funcționarea obiectelor create pe computer, si de asemenea, permite

procesului o dezvoltare eficientă pentru crearea de obiecte funcționale, simulare şi

implementare de proiect. CX-Designer are aproximativ 1.000 de obiecte funcționale

standard, cu grafice asociate şi funcții avansate, astfel încât chiar şi utilizatorii

începători pot crea obiecte cu uşurință doar prin aranjarea acestora pe ecran.

CX-Integrator - este software-ul principal de configurare pentru CX-One. Acesta oferă

bune performanțe pentru multiple operațiuni, cum ar fi monitorizarea stării de

conectare a diverselor rețele, setarea parametrilor, si diagnosticarea retelelor. CX-

Integrator contruieşte şi configurează rețele Controller Link, DeviceNet, CompoNet,

CompoWay şi rețele Ethernet

CX-ConfiguratorFDT – bazat pe tehnologia FDT/DTM, acest soft poate fi folosit pentru a

configura dispozitivele de la orice furnizor conectat la o rețea Profibus

CX-Protocol – creează procedure de comunicații de date pentru a face schimb de date între

dispozitivele seriale standard şi PLC, folosind o unitate serială de comunicație.

Network configurator – este folosit pentru a configure si monitoriza legăturile din datele de

tip tag pentru unități de tip CJ2 CPU şi EtherNet/IP.

CX-Motion Pro – asigură o programare de control al mişcări clar , simplu şi rapid

CX-Motion – acest soft poate fi folosit pentru a crea, edita şi imprima diverşi parametri,

date de poziție, şi programe de control al mişcării necesare pentru a opera controlerele

de mişcare, a transfera date către unități de control al mişcări, şi a monitoriza

operațiile unitați de control al mişcării. CX-Motion asigură o creştere a productivității în fiecare etapă a procesului de control al mişcării, de la dezvoltarea programului de

control al mişcării la funcționarea sistemului.

CX-Drive – setează şi controlează datele pentru invertoare şi servomotoare. Acest soft

acopera gama completă actuală a Omron Yaskawa, cu acces deplin la toți parametrii

(cu 3 nivele diferite de operare). Este inclusă de asemenea şi o mică privire de

ansamblu care include filtere pentru a găsi valorile care sunt diferite de o valoare

prefixată, diferita de invertor, sau setări invalide.

CX-Position – simplifică fiecare aspect al controlului de poziție, de la crearea sau editarea

datelor folosite în unitatea de control de pozitie, pentru a comunicarea on-line şi

24

monitorizarea funcționării. Acest soft este echipat cu funcții care pot imbunătații productivitatea, cum ar fi generarea automata a datelor de proiect şi reutilizarea celor

deja existente.

CX-Motion NCF – acest soft de configurare crează soluții de mişcare rapidă point-to-point

pentru sistemele bazate pe Mechatrolink-II.

CX-Motion MCH – este un program avansat de aplicații de mişcare care foloseşte unitatii

de control al mişcării (CS1W-MCH71 şi CJ1W-MCH71), setează parametrii, datele de

poziție, programele activitațiilor de mişcare şi datele CAM.

CX-Thermo - este un produs pentru configurarea şi monitorizarea pentru controlerelor de

temperatură din seria E5CN si E5ZN. Acest software oferă o configurare uşoară,

înregistrare on-line de date şi monitorizare în timp real. Utilizatorii pot crea, edita şi

downloada seturi de parametri din calculatoare lor personale cu mare uşurință,

reducând astfel efortul necesar pentru a seta parametrii procesului. Este posibila

monitorizarea datelor a 31 de controlere de temperatură în acelaşi timp

CX-Process - simplifică fiecare aspect a buclei de control, de la crearea şi transferul de

blocuri funcționale, până la rularea operațiilor de depanare (reglajul parametrilor PID).

Programele cu blocuri funcționale pot fi create cu uşurință prin copierea blocurilor

funcționale dorite în fereastra de lucru a programului.

CX-Sensor - acest soft permite configurarea şi monitorizarea întregi game de senzori

Omron ZX prin intermediul unei interfețe extreme de uşor de folosit. Graficele permit

analiza şi compararea în acelasi timp a ieşirilor de la mai mulți senzori , permitând

astfel configurarea proceselor complexe. CX-Sensor include, de asemenea, un driver

care permite accesarea datelor oferite de senzori prin intermediul unei unitati Omron

de control serial şi de la alte aplicatii Omron, cum ar fi CX-Supervisor. Cu ajutorul

aplicației Omron CX-Server OPC este chiar posibil monitorizarea în timp real a

datelor provenite de la senzori cu ajutorul programului Microsoft Excel.

În cazul aplicației noastre vom folosi doar CX-programmer şi CX-Supervisor

25

CX-Programmer

Figura 5.2. Imaginea de start a soft-ului CX-Programmer

Programarea automatului Omron CJ1M se realizează prin intermediul software-ului

CX-Programmer, un soft integrat în platforma multisoft CX-One a producatorului de

sisteme de automatizări Omron. Acesta ofera posibilitatea de a folosi mai multe stiluri de

limbaj de programare, cum ar fi :

Ladder Diagram LD

Sequential Function Chart SFC

Structured Text ST

Figura 5.3. Programul Cx-Programmer

26

CX-Programmer este folosit pentru crearea programelor de automatizare pentru

diferite aplicații industriale, care vor rula pe sisteme hardwre Omron.

Acest software are in componența sa de la cele mai simple instrucțiuni de programare

de limbaj ladder: contacte normal deschise, contacte normal închis, bobine, însă prezintă

şi o largă varietate de funcții ce pot fi folosite pentru dezvoltarea la un nivel avansat a

aplicațiilor din domeniul automatizărilor. Crearea programelor pentru automatele

programabile în CX-Programmer se realizeaza printr-o simpla operație de drag&drop

Lista completa a instructiunilor disponibile în cadrul CX-Programmer este:

Instructiuni secvența intrare

Instructiuni secvența ieşire

Instructiuni secvența control

Instructiuni temporizator şi numerator

Instructiuni de comparative

Instructiuni de shiftare

Instructiuni aritmetice

Instructiuni logice

Instructiuni conversie

Instructiuni matematice

Instructiuni matematice speciale

Instructiuni de subrutina

Instructiuni de comunicație

Instructiuni de rețelistica

Instructiuni de întreruperi

Aplicația CX-Programmer este extrem de uşor de utilizat, chiar şi pentru cei care au

cunoştințe reduse de lucru cu automate programabile. Sub-meniul programului este foarte

bine structurat, astfel permite vizualizarea tuturor elementelor din cadrul proiectului

nostru.

Figura 5.4. Sub-meniul proiectului realizat in Cx-Programmer

27

Programul ilustrat in figura de mai sus este structurat in urmatoarele sectiuni:

Grafcet – sectiunea unde sunt definite ecuatiile grafcet (starile si tranzitiile)

Comenzi – sectiunea unde sunt definite comenzile associate starilor grafcet

Blocuri_functionale – sectiunea unde este realizata manipularea blocurilor

Butoane – este definite actiunea asociata butoanelor de pe consola operator

Electrice – este sectiunea unde se genereaza comenzile catre elementrele electrice

din process

CX-Supervisor

Figura 5.5 Imaginea de start a soft-ului CX-Supervisor

CX-Supervisor este un software special creat pentru dezvoltarea de programe SCADA

( Supervisory Control And Data Acquisition), acesta nu este integrat în platforma

multisoft CX-One.

SCADA este un system ce achiziționează informația de la senzori din fabrică sau de la

senzori montați în locații remote ce transmit informația prin GPRS prin intermediul unui

calculator central care gestionează informația primită şi o trimite mai departe către

automatele programabile din fabrică sau alte elemente de comandă.

Soft-urile SCADA sunt folosite în:

- Industria alimentară

- Industria automobilă

- Sisteme de control a apei

- Centrale electrice şi nucleare

- Sisteme de gestionare de trafic

- Sisteme de transport în comun

- Uzine de producție

- Etc.

Software-ul CX-Supervisor este format din două părți, prima este pentru dezvoltare de

programe tip SCADA, în care se afla librării cu simboluri de componente de automatizări

şi instrumentație, iar cea de-a doua este o aplicație de sine stătătoare pentru rularea

sistemului SCADA pe un PC industrial

28

Soft-ul permite alocarea punctelor de pe interfața creată oricăror valori din memoria

automatului, disponibilă operatorului, cât şi funcți de interacțiune cu valori alocate

dinamic.

Soft-urile SCADA de la OMRON sunt disponibile în două variante: Machine Edition

şi Plus Edition. Machine edition este pentru maximum 500 de puncte şi maxim 20 PLC-

uri, iar Plus edition este pentru maximum 8000 de puncte şi 256 PLC-uri.

Prin SCADA se pot crea interfețe grafice, user-friendly, prin care se pot controla,

asista şi superviza orice proces de automatizare, se pot prelua date, se pot realiza grafice

în timp real, ți se pot analiza rezultate pe tot parcursul procesului.

Tutorial CX-One

In cele ce urmeaza voi prezenta un mic tutorial pentru o utilizare mai accesibila a platformei

multi soft CX-One.

Primul pas in crearea unui proiect de automatizare a procesului tehnologic, folosind un

automat programabil Omron, incepe prin deschiderea soft-ului CX-Programmer, si crearea

unui nou proiect, astfel:

Figura 5.6.Crearea unui nou proiect in CX-Programmer

Pentru o mai uşoară familiarizare cu programul CX-Programmer în figura de mai jos sunt

prezentate toate zonele existente dintr-un proiect realizat cu ajutorul soft-ului CX-

Programmer.

- Bara de titlu – indică numele proiectului salvat în CX-Programmer

- Zona cu meniuri – permite selectarea oricărui element al meniurilor

29

- Toolbar-urile – oferă posibilitata de a selecta doar acele funcții pe care le dorim, acest

lucru se face prin selectarea meniului [View] -> [Toolbars] şi aici putem

selecta toolbar-urile care le vrem sa fie afişate. Putem utiliza funcția dorită

doar printr-un simplu click pe aceasta

- Secțiunea – oferă posibilitatea de a împărți programul într-un număr dorit de

secțiuni/blocuri,fiecare dintre acestea pot fi editate şi vizualizate

- Workspace-ul proiectului şi structura proiectului – controlează proiectul şi datele din

acesta.Putem copia date element cu element, sau grupuri mai mari cu

operațiunea de „Drag and Drop”, din diferite proiecte sau în interiorul aceluiaşi

proiect

- Zona de lucru ladder – o fereastră în care putem lucra, crea şi edita cod în limbaj

ladder

- Status Bar – arată informații precum numele automatului programabil, starea

automatului (online/ofline), locația unei intrări/ieşiri active

- Fereastra ieşirilor: arată posibilele erori la compilare

arată rezultatele căutări a contactelor/ieşirilor

arată detalile erorilor care pot aparea în timpul încărcării

proiectului

- Fereastra de informații – este o mica fereastră pentru a afişa shortcut-urile de bază

folosite în cadrul CX-Programmer. Pentru afişarea/închiderea acestei ferestre

mergeți la [View] –> [Information Window].

Figura 5.7. Fereastra principală a programului CX-Programmer

30

Dupa crearea noului proiect, trebuie sa ne setam intrarile si iesirile procesului.

Figura 5.8 Setarea intrărilor şi ieşirilor

31

Dupa ce am creat o intrare avem posibilitatea de ai modifica parametric, putem sa o

active/dezactiva, sa ii setam gama de actiune a acesteia, etc.

Figura 5.9. Modificarea parametrilor intrărilor şi ieşirilor

Secțiunea.

Secțiunea este o functie pentru crearea şi vizualizarea blocurilor de program împărțite

pe funcții. Aceasta poate îmbunătați nu numai calitatea de vizualizare a programului ci şi

prductivitatea dezvoltării prin refolosirea componentelor şi/sau a codului dacă programul

permite acest lucru, multiplicarea fiind posibilă în structura proiectului.

32

Figura 5.10. Secţiunea

- Schimbarea numelui unei sectiuni:

Figura 5.11. Schimbarea numelui unei secţiuni

33

- Introducerea unei noi secțiuni:

Figura 5.12. Introducerea unei noi secţiuni într+un proiect CX-Programmer

34

- Crearea programului în cod ladder

Introducerea unui contact normal deschis:

Înainte de a introduce orice tip de element in programul nostrum ladder trebuie sa

selectam prima spatiu/celulă liber/ă dacă este primu element introdus, sau pe poziția dorită

pentru inserarea simbolului.

Figura 5.13. Introducearea unui contact normal deschis

35

Introducerea unui contact normal închis

Figura 5.14. Introducerea unui contact normal închis

Introducerea unei bobine/iesiri

Figura 5.15 Introducearea unei ieşiri bobine

36

Editarea sau copierea unui symbol

Figura 5.16. Editarea, copierea sau stergerea unui symbol din programul CX-Programmer

37

6. Concluzii

Din analiza procesului tehnologic de curgere a unui fluid incompresibil pe conducte

scurte, prezentat în această lucrare, am calculat modelul dinamic aferent procesului, şi anume,

cazul modelului cu conducte scurte, am am obţinut funcţia de transfer a întregului proces

tehnologic, care este format din funcţiile de transfer ale traductorului de debit, elementului de

execuţie şi a procesului propriu-zis de curgere a fluidului. Cu ajutorul acestei funcţii de

transfer am calculat funcţia de transfer discretă a întregului proces, cu ajutorul programului

Matlab, pentru ca mai departe să introducem această funcţie discretă în programul WinREG

pentru a calcula polinoamele R,S,T, care ne dau de altfel comanda regulatorului pentru

procesul nostru industrial. Rezultatele în urma utilizării programului WinREG pot fi

vizulizate în figurile 4.2, respectiv 4.3 ( pentru o intrare de tip treaptă, respetic de tip

sinusoidă). De asemenea, am realizat şi simulări în Simulink, din cadrul programului Matlab,

în care se pot observa performanţele regulatorului, calculat cu ajutorul metodei RST, în

urmărirea referinţei. Cele mai sus menţionate făcând parte din capitolele 3. Modelarea

procesului tehnologic şi 4. Controlul procesului tehnologic.

Soluţia hardware, pentru instalaţia tehnologică, este un automat programabil fabricat

de firma OMRON. Acest tip de automat programabil, foloseste ca software, pentru

programarea de cod în vederea automatizări proceselor industriale, o platforma multi soft CX-

One, dezvoltată de către aceaşi firmă OMRON. În cadrul acestui program am realizat un cod

în limbaj ladder, pentru automatizarea procesului nostru de curgere. Codul ladder implementat

poate fi vizualizat mai jos, în figura 6.1. Am scris acest cod pentru o situaţie pe care am

propus-o eu, şi anume o situaţie în care rezervorul instalaţiei tehnologice, ar avea montat trei

senzori de detectare de nivel de fluid, în trei zone: sus, jos şi la mijlocul rezervorului. Astfel

atunci când unul din cei trei senzori este activ, elementul de execuţie va debita un volmul

specific de fluid: pentru cel de jos va fi un debit maxim pentru o umplere mai rapidă a

rezervorului, pentru senzorul din secţiunea mediana a rezervorului va fi un debit de o valoare

medie, iar pentru senzorul cel mai sus plasat elementul de execuţie va debita un volum de

fluid mai mic decât cel de ieşire al rezervorului.

Pentru o mai uşoară familiarizare cu acest soft, din cadrul platformei multi soft CX-

One, am realizat un tutorial am software+ului CX-Programmer, cu ajutorul instrumentaţiei

oferite de către cei de la firma OMRON. Acesta fiind prezentat în cadrul capitolului 5.

Implementarea soluţiei de automatizăre

38

Figura 6.1 Codul ladder implementat în cadrul soft+ului CX+Programmer pnetru automatizarea procesului tehnologic

7. Bibliografie

1. C. Lupu, M. Alexandru, C. Petrescu, M. Mateescu, D.Popescu, Sisteme de Conducere a

Proceselor Industriale, Ed. Printech, Bucureşti, 2004.

2. http://industrial.omron.co.uk/en/products/catalogue/automation_systems/programmable_l

ogic_controllers/modular_plc_series/cj1m/default.html

3. http://www.belimo.ch/pdf/e/LR24A_1_0_en.pdf

4. http://www.buerkert.com/COM/Products/Sensors-Transmitters-and-Controllers/Flow-

sensors/8041.html

5. http://productfinder.wilo.com/en/COM/product/00000009000287740001003a/fc_product

_datasheet

6. Manuale on-line din cadrul platformei multi soft CX-One: CX-Programmer Introduction

Guide R132-E1-02.pdf şi CX-One Introduction Guide R145-E1-01.pdf

7. http://electronica-automatizari.blogspot.ro/