Titular curs:

Conf. dr. ing. Valeriu BOSTAN

Comanda Sistemelor Industriale IntegrateComanda Sistemelor Industriale Integrate

Sistem integrat – definiție:

un ansamblu de elemente proiectat să îndeplinească un set

de funcții bine definit ce are cel puțin un microprocesor;

Caracteristici principale:

- trebuie sa funcționeze în “timp real”;

- este produs în serie mare – trebuie să aibă cost redus;

- trebuie sa conțină “periferice” – echipamente ce asigurălegatura cu “mediul înconjurator”;

- fiabilitate și siguranță în funcționare;

- ușor de configurat și de utilizat – interfață “prietenoasă”

- consum redus de energie.

Sisteme integrate - “Embedded systems”

Direcții de studiu în domeniul sistemelor integrate:- arhitectură;

- configurare;

- comandă;

- proiectare;

Exemple:- linii de producție automatizate/robotizate;

- comanda numerică a motoarelor electrice;

- echipamente medicale;

- automobile;

- aplicații în domeniul militar;

- telecomunicații;

- bunuri de larg consum;

- …

Sisteme integrate - “Embedded systems”

Clasificarea sistemelor integrate:

I) Sisteme integrate pe scară redusă

(sau “sisteme de comandă cu microprocesor”)

II) Sisteme integrate pe scară largă

(Sisteme de monitorizare și control - “Supervisory Control

And Data Acquisition” – sisteme SCADA)

Sisteme integrate - “Embedded systems”

Exemplul 1:

Sistem de comandăpentru un motor electric de curent continuu

I) Sisteme integrate pe scară redusăI) Sisteme integrate pe scară redusă

Structura generală a unui sistem

de comandă

Referință de vitezăBaterie 9V

Motor electric

Sursă de tensiune

12V

Adaptare semnal

Buffer

Microcontroler

Sursă de alimentare

în punte

Tahogenerator

încorporat

Viteză măsurată

Etape ale proiectării părții decomandă a sistemelor integrate

Et. 1: Alegerea modelului matematic adecvat aplicației;

Et. 2: Proiectarea regulatorelor;

Et. 3: Modelarea părții de comandă (de ex. în Matlab –

Simulink;

Et. 4: Modelarea sistemului integrat de comandă în

ansamblul său (de ex. în mediul „Proteus”);

Et. 5: Realizarea și testatea experimentală sistemului.

Et. 1: Modelul matematic al motorului

de curent continuu

Model de ordin I :

Tem = JR/k^2 – constanta de timp electro-mecanică.

Et. 2: Proiectarea sistemului de comandă

folosind regulatorare tip PI

Metodă folosită: alocarea polilor;

Impunerea performanțelor dinamice:

ƺ = 0.8 ω0= 1/Tem

Calculul coeficienților regulatorului:

Kp=(2ƺω0 –a)/b

KI = ω0^2/b

Et. 3: Modelarea părții de comandă – modelareMatlab/Simulink

Modelul servomotorului

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

1

2

3

4

5

6

Timp [s]

Vite

za

[V

]

viteza referinta

viteza motorului

Aplicarea unui cuplu

de sarcină

Et. 4: Modelarea sistemului integrat

utilizând mediul „Proteus”

+88.8

AN

AL

OG

IN

AT

ME

GA

328P

-PU

1121

Reset B

TN

ON

ww

w.T

heE

ng

ineerin

gP

roje

cts

.co

m PD0/RXD

PD1/TXD

PD2/INT0

~ PD3/INT1/OC2B

PD4/T0/XCK

~ PD5/T1/OC0B

~ PD7/AIN1

PC5/ADC5/SCL

PC4/ADC4/SDA

PC3/ADC3

PC2/ADC2

PC1/ADC1

PC0/ADC0

RESET

PB0/ICP1/CLKO

~ PB1/OC1A

~ PB2/OC1B

~ PB3/MOSI/OC2A

PD7/AIN1

PB4/MISO

PB5/SCK

AREF

0

1

2

3

4

5

67

89

10

11

12

13

A5

A4

A3

A2

A1

A0

ARD1

ARDUINO UNO

C21000p

R2100k

C30.47u

R35k

+88.8

Volts

66%

RV1

5k

TACHO+1

TACHO-11

CC2

OPIN+4

OPIN-10

V+

9

GND

12

C8

E5

FLT3

U2

LM2907

R41k

C1100u

IN15

IN27

ENA6

OUT12

OUT23

ENB11

OUT313

OUT414

IN310

IN412

SENSA1

SENSB15

GND

8

VS

4

VCC

9 U1

L298U3

NOT

A

B

C

D

referinta

viteza reala

+88.8

Volts

V2

9V D1DIODE

D2DIODE

D3DIODE

D4DIODE

D5

LED-YELLOW

Convertor frecvență tensiune

(permite modelarea unui

tahogenerator)

Sursa de alimentare a motorului

Comanda de tip PWM numeric

Blocul de adaptare de semnal

𝑉𝑜𝑢𝑡 = −22𝑘

10𝑘 + 10𝑘𝑉𝑖𝑛 −

22𝑘

22𝑘𝑉𝑟𝑒𝑓

Tensiunea de iesire poate varia între 0 și 5 volți.

ISR(TIMER1_COMPA_vect)

{

// achiziție date de intrare

viteza_referinta = analogRead(potPin);

viteza_reala = analogRead(potTG);

// calcule – conform algoritmului de comandă

eroare = viteza_referinta - viteza_reala;

parte_prop = eroare*Kp;

parte_integrala = parte_integrala_ant + eroare*Ki;

output = parte_prop + parte_integrala;

parte_integrala_ant = parte_integrala;

Programul de comandă

if(output > 5110){

output = 5110;

parte_integrala_ant = parte_integrala - Ki*eroare;

}

if(output<10){

output = 10;

parte_integrala_ant = parte_integrala - Ki*eroare;

}

// comandă (pentru stabilirea factorului de umplere)

OCR1B = output ;

}

Programul de comandă

Rezultate experimentale

Funcționarea sistemului de comandă considerând reversări succesive:

Exemplul 2:

Sistemul „MINDSTORMS NXT”

I) Sisteme integrate pe scară redusăI) Sisteme integrate pe scară redusă

Sistemul „MINDSTORMS NXT”

Software:- NXC - (Not eXactly C);

API (Application Programming Interface) – librarie de funcţii predefinite NXC;

- MATLAB/SIMULINK - toolbox MINDSTORMS NXT (Remote & Embedded Control);

- LabVIEW - toolkit-ul MINDSTORMS NXT;

Unitatea centrală:- Microcontroler principal pe 32 biți (256 KB FLASH; 64 KB RAM; 48 MHz);

- Microcontroler auxiliar pe 8 biți ( 4 KB FLASH; 512 Byte RAM; 8 MHz);

Interfață: - USB/Bluetooth/I2C (Inter-Integrated Circuit);

- Butoane/Display;

Sistemul „MINDSTORMS NXT”

Senzori: - de ultrasunete/de contact/optic/acustic;

Actuatoare: - 3 servomotoare de cc, cu reductoare și encodere;

Sistemul „MINDSTORMS NXT”

Sisteme SCADA

Sisteme de monitorizare și control

(Supervisory Control And Data Acquisition)

II) Sisteme integrate pe scară largăII) Sisteme integrate pe scară largă

IED = Intelligent Electronic DeviceRTU = Remote Telemetry Unit

= Remote Transmission Unit

Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)

Date despre disciplină:

- Titular curs (2h/săpt): Conf. Dr. Ing. Valeriu BOSTAN

- Titular aplicații (1h/săpt): Conf. Dr. Ing. Valeriu BOSTAN

Conf. Dr. Ing. Sanda Victorinne PAȚURCĂ

Conținut curs – partea I:

- Arhitectura și funcționarea sistemelor de comandă integrate;

- Structuri de comandă serie, parallel, mixte. Criterii de selecție, exemple;

- Analiza regulatoarelor PID utilizate în mediul industrial;

- Metode uzuale de proiectarea a sistemelor de comandă: alocarea polilor,

metoda modelului impus, criterii optimale;

- Particularități ale sistemelor de comandă numerice;

- Sisteme de comandă în timp real. Utilizarea întreruperilor;

Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)

Conținut curs – partea II:

(Sisteme SCADA - „Supervisory Control And Data Acquisition”);

- Componentele de baza ale sistemelor SCADA:

- Senzori și elemente de executie;

- Unități de telemetrie – “remote telemetry units” (RTU);

- Unitățile centrale SCADA (“master units”);

- Rețeaua de comunicație;

- Funcții specifice sistemelor SCADA:

- Achiziția de date;

- Comunicație;

- Prezentarea datelor, arhivare și memorare;

- Control;

- Avertizare (alarmă);

Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)

- Comunicații industriale:

- Standardul OSI – „Open System Interconnection”.

- Protocolul Modbus;

- Protocolul Profibus/Fieldbus;

- Protocoale pentru sisteme SCADA;

- Avantaje ale sistemelor SCADA:

- Monitorizare și control în „timp real”;

- Detectarea și corectarea rapidă a problemelor în timpul funcționării;

- Detectarea punctelor de „blocaj” sau de ineficiență economică;

- Controlul sistemelor complexe cu personal mai puțin specializat;

- Marirea eficienței și a profitabilității.

Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)

Conținut laborator:

- Sistemele de comandă integrată:

- Structura și funcționarea sistemului „Mindstorms NXT;

- Senzori și actuatoare;

- Limbaje și medii de programare utilizate în comanda sistemelor integrate:

C (PIC C), NXC (BricxCC), Matlab;

- Proiectarea, construcţia şi implementarea comenzii de mişcare

a unui braţ de robot, cu două grade de libertate;

- Prezentarea unei aplicaţii-proiect de monitorizare a funcţionării

unui sistem de comandă integrată în mediul LabVIEW;

- Studiu experimental pe un sistem de comandă integrată controlat cu

microcontroller PIC. Interfaţarea senzorilor şi actuatoarelor.