COMANDA SISTEMELOR DE ACTIONARE ELECTRICA

Comenzi numerice cu automate programabile (AP).

Structuri ce inlocuiesc elementele clasice din schemele de comanda secventiale pentru AE

I. Scheme clasice de comanda pentru AE

Sistemele de actionare se pot clasifica dupa mai multe criterii:

Dupa modul de reglare al vitezei SAE cu viteza constanta sau cu reglare in trepte SAE cu viteza reglabila servosisteme SAE cu reglare in pozitie (sau cu reglarea unghiului

de rotatie) (aplicatii in robotica etc.)

D.p.d.v. energetic: SAE cu pierderi mari (clasice) SAE cu pierderi mici (sisteme actuale, moderne)

D.p.d.v. al comenzii: SAE cu comanda prin relee si contactoare (clasice) SAE cu comanda prin logica programabila (PLC)

Scheme comanda cu relee si contactoare Pornirea, inversarea sensului, franarea motoarelor

Schema de pornire directa -se foloseste pentru motoare de puteri mici care functioneaza in serviciul S1;

- puterea max. a motorului depinde de puterea trafo. de distributie de la barele de 0.4 kV (nu trebuie sa depaseasca 20% din puterea aparenta a trafo.);

- este o metoda cu pierderi mari randamentul dinamic (la pornire) este de 50%;

- energia disipata in cupru si in fier este egala cu energia cinetica a maselor puse in miscare la pornire

2

2

12 0.51

2

ud

totalCu Fe

JWW J p p dt

Schema de comanda pentru pornire si inversare de sens

Functionarea schemei de forta - Se cupleaza separatorul Q1 - Se cupleaza contactorul K1 sau K2 (pot fi interblocate mecanic)

Particularitati - Separatorul Q1 este ales in functie de IN motor - Contactoarele K1 si K2 sunt alese in functie de IN si de regimul de conectare - Releul de protectie termica F5 ales in functie de IN

Functionarea schemei de comanda - Se apasa butonul S2 sau S3 - Cuplarea contactorul K1 sau K2 - Autoblocarea lui K1 sau K2

Un proiect de AE respecta norme de proiectare care permit intelegerea de catre executant si beneficiar a schemelor electrice, a echipamentului necesar si a functionarii SAE. Schemele electrice adoptate trebuie sa respecte toate conditiile tehnologice si sa asigure protectia masinilor si a personalului de exploatare contra evenimentelor nedorite (arderea motorului, pornirea nedorita, protectia impotriva electrocutarii, protectia impotriva incendiilor etc.)

Proiectul are un borderou de desene. Acesta nu permite ca ulterior sa se extraga si sa se desfiinteze parti din proiect.

Continut:

1. memoriu justificativ,

2. scheme desfasurate de forta si de comanda,

3. specificatia de aparataj,

4. scheme de amplasare a aparatelor in panouri,

5. tabel de conexiuni interioare,

6. scheme de legaturi intre panou si elemente de camp (traductoare, limitatoare de cursa etc),

7. scheme de amplasare a echipamentelor in teren,

8. jurnal de cabluri.

2.1 Avantajele utilizrii automatelor programabile:

II. Utilizarea AP pentru comanda AE

siguran n exploatare mrit ocup spaii reduse fa de sistemele clasice de comand sunt flexibile i pot fi adaptate foarte repede i uor pentru a controla alte procese (logica de comanda se poate modifica usor)

functii de autodiagnosticare incluse costurile sunt mult mai mici comparativ cu sistemele convenionale n cazul aplicatiilor complexe

consumul de energie este diminuat timpul de rspuns al sistemului este mult mbuntit datorit vitezei de operare a PLC-ului, ceea ce duce la creterea productivitii puterea de calcul permite o comand mult mai complex rezist n condiii aspre de mediu cablajul se reduce cu pn la 80 %

2.2 Structura automatelor programabile:

o unitate central de procesare (CPU central processing unit) cu rolul de a extrage, decoda, stoca i procesa informaia i de a executa programul din memoria PLC-ului un sistem de intrri/ieiri prin intermediul cruia automatul s poat monitoriza i controla procesul, sursa de alimentare este partea care asigur alimentarea cu tensiune a automatului programabil; aceast surs poate fi extern sau intern

Unitatea central de procesare:

microprocesorul este partea care codeaz, decodeaz i proceseaz informaia sistemul de memorie este partea care stocheaz att programul de control ct i informaiile de la echipamentele conectate la PLC

2.2.1 Intrri i ieiri ale automatului programabil

Att intrrile ct i ieirile se clasific n dou tipuri de baz: -logice, -analogice. Cele logice pot avea doar dou stri: on (nchis, 1)i off (deschis, 0). Intrrile i ieirile analogice pot avea un numr infinit de stri.

Intrri n PLC La bornele de intrare n PLC se conecteaz senzori care transform fenomenele fizice n semnale electrice. Cele mai utilizate tipuri de senzori sunt: senzori de proximitate intrri logice care utilizeaz inductana, capacitatea electric sau lumina pentru a detecta prezena unui obiect ntreruptoare intrri logice poteniometre intrri analogice

Intrri n PLC

Valorile tipice ale tensiunilor de alimentare a intrrilor sunt: 100-120 Vca, 12-24 Vca/cc 48 Vcc, 12-24 Vcc, 10-60 Vcc, 24 Vca, 5 Vcc (TTL)

* Tensiunile de intrare n PLC sunt transformate n tensiuni TTL (5 Vcc).

Circuite de intrare ale automatelor programabile (intrri logice)

n cazul intrrilor analogice aceste circuite conin i convertoare analog numerice al cror principiu de baz l reprezint aproximarea logic succesiv.

Circuite de intrare ale automatelor programabile (intrri analogice)

Ieiri din PLC Cel mai adesea ieirile din PLC sunt relee electromecanice, dar pot fi i dispozitive semiconductoare: tranzistoare pentru ieirile de curent continuu sau triace pentru cele de curent alternativ. La fel ca i intrrile analogice, i ieirile analogice necesit module speciale, ce conin, de data aceasta, convertoare numeric analogice. De obicei, modulele de ieire sunt alimentate de la surse externe iar ieirile se comport ca nite ntreruptoare, ele permind sau nu trecerea curentului. Valorile tipice ale tensiunilor de alimentare a ieirilor sunt: 230 Vca, 120 Vca, 12-48 Vca, 24 Vcc, 12-48 Vcc, 15 Vcc.

Releele electromecanice sunt cele mai flexibile, pot fi folosite att n curent continuu ct i n curent alternativ. Dezavantaje - mai lente fata de semiconductoarele de putere (timpi de comutaie uneori mai mari de 10 ms), mai voluminoase, mai scumpe i se uzeaz mai rapid. Tranzistoarele (utilizate la ieiri de curent continuu) si triacele (iesiri de curent alternativ) au timpi de rspuns mai mici de 1 ms. La ieire, automatul programabil trebuie s converteasc nivelurile logice TTL (5 Vcc) n tensiuni de ieire.

Unele ieiri de curent alternativ utilizeaz detecia de tensiune nul astfel nct comutaia s se realizeze la tensiune nul i, respectiv, curent nul, evitndu-se pe ct posibil apariia supratensiunilor.

Circuite de ieire ale automatelor programabile (ieiri logice)

Circuite de ieire ale automatelor programabile (ieiri analogice)

Un modul de ieire de 24 Vcc

Sursa de alimentare este conectat direct la cele dou relee (se observ c acum sunt necesare dou conexiuni de la surs la modul, spre deosebire de exemplul anterior cnd nu era nevoie dect de una singur). Astfel este posibil ca fiecare ieire s fie izolat fa de urmtoarea deci un modul de ieire cu relee poate avea ieiri de curent continuu situate lng cele de curent de alternativ.

2.2.2 Programarea PLC-ului

Pentru ca intrrile i ieirile automatului programabil s se activeze sau dezactiveze, acestea trebuie s urmreasc anumite instruciuni implementate ntr-un program software introdus n memoria PLC-ului. Diferite modele de automate programabile ofer variate tipuri de instruciuni, ns toate automatele programabile folosesc dou instruciuni de baz: contacte bobine Un contact este o instruciune care monitorizeaz statutul unei intrri, n timp ce o bobin monitorizeaz statutul unei ieiri.

Practic, automatul programabil realizeaz o scanare care const n trei etape: monitorizarea intrrilor executarea programului modificarea corespunztoare a statutului ieirilor.

Limbajele de programare PLC, standardizate pe plan mondial de ctre norma IEC 61131-3: List de instruciuni (IL: Instruction List): limbaj de tip text de aceeai natur cu asamblarea (programarea microcontrolerelor);

Limbaj literal structurat (ST: Structured Text): limbaj informatic de aceeai natur cu limbajul Pascal; utilizeaz funcii ca if ... then ... else ...;

Limbaj cu contacte (LD: Ladder Diagram): limbaj grafic dezvoltat pentru electricieni; utilizeaz simboluri precum contacte, bobine i blocuri funcionale i se organizeaz n reele; este cel mai utilizat.

Blocuri funcionale (FBD: Function Block Diagram): limbaj grafic n care funciile sunt reprezentate de blocuri care sunt programate (bibliotec) sau programabile; utilizat de programatorii familiarizai cu blocurile logice din algebra boolean. Diagrama functionala secventiala (SFC: Sequential function chart ): limbaj grafic; standardul SFC este definit in IEC 848; are la baza limbajul GRAFCET, la randul lui acesta provenind din retelele Petri binare; poate gestiona in paralel fluxuri de control multiple.

Q0.1

Instruction List (IL)

III. Structuri ce inlocuiesc elementele clasice din schemele de comanda secventiale pentru AE

Numerele binare sunt compuse din biti. Numarul de biti utilizati pentru reprezentare variaza in functie de tipul AP-ului. Instructiunile si datele sunt grupate in octeti (byte). Doi octeti, adica 16 biti, formeaza un cuvant (word).

Reprezentarea informatiei

Unele dispozitive de intrare si iesire asigura o interfata de afisare in sistem zecimal unde fiecare digit corespunde unui numar de 4 intrari sau iesiri binare ale PLC-ului. Cea mai utilizata forma a acestui sistem de reprezentare este binary-coded decimal (BCD).

Sistemul hexadecimal permite reprezentarea unui numar mai mare de biti intr-un spatiu mic, de exemplu pe ecranul dispozitivului de programare. Un caracter hexazecimal reprezinta statusul a 4 biti.

Contactele

contactele pot fi asociate intrrilor PLC, ieirilor PLC sau unor variabile interne

La intrri pot fi conectate dispozitive care au dou stri de funcionare: contactele auxiliare ale contactoarelor i releelor, contactele n.. sau n.d. ale butoanelor de comand, contactele n.. sau n.d. ale limitatoarelor de curs, contactele n.. sau n.d. ale detectoarelor de mrimi fizice, contactele n.. sau n.d. ale elementelor de protecie, ieirile digitale ale unor aparate de msur, protecie sau comand, ieirile digitale ale altor AP sau sisteme de comand etc.

Bobinele

Sunt elemente de programare care modeleaz funcionarea bobinelor contactoarelor i releelor electromagnetice.

Pot avea dou stri: alimentate sau nealimentate. Pot fi asociate ieirilor automatului dar i unor variabile interne modelnd astfel releele auxiliare din cadrul schemelor electrice cu contacte.

La aceste ieiri pot fi conectate dispozitive care au dou stri de funcionare: bobinele contactoarelor sau releelor, elemente de semnalizare acustic sau luminoas, sarcini de putere mic, intrrile digitale ale unor aparate de msur, protecie sau comand, intrrile digitale ale altor AP sau sisteme de comand etc.

bobina cu memorie (retentive memory coil)

Temporizatoarele

Temporizatoarele sunt elemente de programare care modeleaz funcionarea releelor de timp i a contactelor temporizate. Sunt utilizate pentru a realiza aciuni ntrziate sau ce dureaz un anumit interval de timp.

Temporizatoarele utilizate n programele PLC au o flexibilitate i o funcionalitate mult mai mare dect temporizatoarele utilizate n schemele electrice.

Temporizatoarele simple permit realizarea unei aciuni ntrziate cu un anumit interval de timp ce poate fi programat. Temporizatoarele complexe au n vedere obinerea unor temporizri variabile, n funcie de anumite condiii care apar la un moment dat. Valoarea prestabilit poate fi exprimat n uniti de timp (s). Temporizatoarele au cel puin o intrare de iniializare, la activarea creia ncepe temporizarea i o ieire. n unele variante, temporizatoarele sunt prevzute i cu o intrare de validare i nc o ieire care reprezint negata primei ieiri.

TON - Timer ON TOF - Timer OFF RTO - Retentive Timer ON RTF - Retentive Timer OFF

Temporizatoarele de tip retentive insumeaza toate intervalele de timp in care au fost in starea on, respectiv off, chiar daca temporizarea nu s-a realizat complet. Temporizatoarele nonretentive incep contorizarea intervalului de timp de la zero de fiecare data cand sunt fi activate. Aplicatii: - temporizator retentive contorizarea intervalelor de timp dupa care se realizeaza mentenanta, - temporizator nonretentive introducerea unei scurte intarzieri intre butonul de start si pornirea unei benzi transportoare.

Figura anterioara ilustreaza functionarea unui temporizator de tip TON (nonretentive) (temporizare la actionare), programat pentru o intarziere de 4 secunde. A este intrarea (corespunde alimentarii releelor clasice). Daca la intrare avem 1 logic si bitul de enable EN va avea valoarea 1. Daca valoarea acumulatorului ACC va fi egala cu cea presetata pentru temporizare bitul DN va trece in 1. In caz contrar, bitul TT va fi 1 logic iar valoarea acumulatorului va continua sa creasca. Prima oara, intrarea A este adevarata pentru 3 secunde, timp insuficient pentru finalizarea temporizarii. La trecerea in 0 a intrarii, acumulatorul se reseteaza. La a doua activare, intrarea A ramane in 1 logic un timp mai mare de 4 s, timp suficient ca valoarea ACC sa o egaleze pe cea presetata. Dupa 4 s bitul DN trece in 1 iar TT in 0. Cand A devine fals ACC se reseteaza iar DN trece in 0. In figura urmatoare functionarea este similara, cu exceptia faptului ca se utilizeaza un temporizator RTO.

Schema de comanda a unui cuptor.

- Sistemul porneste cu butonul Start, care activeaza modul de lucru Auto. -Oprirea se face prin apasarea butonului Stop. -La pornirea modului Auto, temporizatorul TON este utilizat pentru activarea hupei timp de 10 s pentru a semnala pornirea cuptorului. - Dupa 10 s se opreste hupa si porneste incalzirea. - Cand se opreste cuptorul, ventilatorul continua sa functioneaza timp de 300 s.

Numrtoarele Numrtoarele sunt elemente de programare care pot primi o serie de impulsuri. Acestea sunt analizate n cadrul programului LD pentru a detecta numrul de apariii ale unor evenimente: numrul de pai efectuai de un motor pas cu pas, numrul de conectri-deconectri ale unui aparat, numrul de sticle care au fost umplute ntr-o staie de mbuteliere, etc.

Exist mai multe tipuri de numrtoare, printre cele mai uzuale fiind: numrtoarele unidirecionale cresctoare numrtoarele unidirecionale descresctoare numrtoarele bidirecionale ,care pot numra att descresctor ct i cresctor.

Pentru fiecare numrtor se precizeaz valoarea prestabilit, aceasta reprezentnd valoarea maxim pe care o va numra numrtorul dup care va activa ieirea.

Numrtorul are cel puin dou intrri, una de numarare i una de iniializare (la activarea acesteia numrtorul ncepe s numere impulsurile sosite la intrarea de numrare) i o ieire.

Alte variante de numrtoare sunt prevzute i cu o intrare de validare i o ieire care reprezint negata primei ieiri.

Programul din figura este utilizat pentru indepartarea, de pe o banda transportoare, a 5 piese la fiecare 10, cu ajutorul unui piston pneumatic. Cand este detectata o piesa, ambele numaratoare isi cresc valoarea cu o unitate. La a 6-a piesa primul numarator ajunge la valoarea presetata si permite pistonului sa indeparteze piesele. Al doilea numarator continua pana cand detecteaza piesa nr. 11, dupa care ambele numaratoare se reseteaza.

Master control relays (MCR)

Intr-un circuit electric de comanda, releul MCR este utilizat pentru oprirea unei parti a unui sistem electric. Aceasta optiune a fost implementata si in AP-uri. O sectiune a programului ladder de mai jos este amplasata intre doua linii de comanda continand un MCR. Cand prima bobina MCR este activa, toate liniile intermediare sunt executate, pana la a doua bobina MCR. Cand prima bobina MCR este inactiva, liniile intermediare sunt scanate, dar toate iesirile acestora sunt oprite.

Relee intermediare (interne)

Releele intermediare (internal relays) denumiri echivalente: auxiliary relays, markers, flags, coils, bit storage

Caracteristici: - in PLC, releele intermediare nu sunt elemente de comutatie reale (nu exista fizic);

- in cadrul unui program se comporta asemenea releelor electromecanice, fiind compuse, ca si acestea, dintr-o bobina si unul sau mai multe contacte;

- pentru a se diferentia de relee de iesire ale PLC, releele intermediare au notatii si tipuri de adrese diferite. In functie de producator, acestea sunt numite: flag, cu notatia F0.0, F0.1, etc. (Siemens), marker, cu notatia M100, M101 , etc. (Mitsubishi), internal relay , cu notatia R000, R001 , etc. (Toshiba), bit storage, cu notatia B3/001, B3/002, etc. (Allen-Bradley)

Exemplu: Un sistem trebuie activat la indeplinirea a doua seturi diferite de conditii. Acest lucru ar putea fi programat cu ajutorul unei functii SI. Totusi, daca un anumit numar de intrari trebuie urmarit, este mai simplu sa se utilizeze un releu intermediar. Ridicarea automata a barierei la apropierea unei persoane: - intrarile 1 si 3 fotocelule pt. detectarea persoanelor care se apropie de bariera pe una din parti (sosire senzor 1, plecare senzor 3) - intrarea 2 este un intrerupator de autorizare (enable) care permite oprirea sistemului - cand intrarile 1 si 2 sau 3 si 2 sunt activate releul intern se inchide (1 logic) - daca intrarea 4 (limitator de cursa) detecteaza ca bariera este inchisa, trece in 1 logic. In acest caz este activata iesirea Out 1 care porneste motorul barierei. - daca limitatorul de cursa semnaleaza bariera deschisa, intrarea 4 trece in 0 logic, iesirea se dezactiveaza, se opreste motorul, iar contragreutatea poate inchide bariera.

Releul intermediar conecteaza doua parti ale schemei de comanda: detectia prezentei persoanei si detectia pozitiei inchis sau deschis a barierei.

- intrarile 1 si 3 fotocelule

- intrarea 2 - intrupator de autorizare (enable)

- intrarea 4 (limitator de cursa) detectia pozitiei inchis sau deschis a barierei

-iesirea Out 1 pornire motor

SET si RESET

Instructiunea SET comanda automentinerea releului in starea on (1 logic) (latch). Starea se pastreza pana la primirea instructiunii RESET (unlatch). Pentru aceste relee se mai utilizeaza si denumirea flip-flop. In figura de mai jos, bobina SET (S) comuta in stare on (este alimentata) cand intrarea input se inchide si ramane on pana cand se primeste comanda RESET. Bobina RESET (R) trece in stare off (este resetata) cand intrarea corespunzatoare acesteia trece in 1 logic si ramane off pana cand se primeste comanda SET.

Releele SET si RESET pot fi combinate intr-un singur bloc. Acesta este un bloc cu memorie de tip SR, cu prioritate RESET sau RS, cu prioritate SET.

Prioritate SET Prioritate RESET

Exemplu: Sistem de alarma Activarea oricaruia dintre cei 3 senzori porneste alarma. Oprirea acesteia se face prin resetarea blocului SR prin inchiderea contactului Clear alarm switch.

Exemplu: Banda transportoare La apasarea butonului Start, iesirea Motion comanda pornirea unei benzi transportoare ce deplaseaza o piesa (workpiece). Deplasarea continua pana cand piesa transportata ajunge in aria de detectie a unei fotocelule (light sensor). Este disponibil si un buton Stop pentru oprirea manuala a benzii.

Instructiunile JUMP si CALL Instructiunea Jump permite trecerea peste anumite linii de comanda fara ca acestea sa fie executate, in cazul in care este indeplinita o anumita conditie.

Exemplu: Daca temperatura creste peste 60 0C este pornit un ventilator, daca temperatura este mai mica nu trebuie luata nicio masura.

Instructiuni Jump multiple.

Mitsubishi PLC

Subrutinele sunt mici programe ce executa o operatie specifica, care pot fi chemate pentru a fi utilizate intr-un program complex. Instructiunea de activare a unei subrutine este CALL.

Intrarea 1 cheama subrutina P (CALL P). Aceasta se executa, iar instructiunea SRET indica terminarea subrutinei si punctul din care se reia executarea programului principal. Pentru a indica punctul de terminare al programului principal se utilizeaza FEND

Allen-Bradley PLC

Siemens PLC

Sequencer (secventierea)

Ex. : - cutia muzicala mecanica - primele versiuni de semafoare utilizau un tambur cu came care inchideau sau deschideau releele prin care se alimentau lampile - implementarea unor astfel de temporizari succesive se poate face cu ajutorul bloculului Sequencer.

SQO(start, mask, destination, control, length) - sequencer output from table to memory SQI(start, mask, source, control, length) - sequencer input from memory address to table SQL(start, source, control, length) - sequencer load to set up the sequencer parameters

Un bloc sequencer utilizeaza o lista de cuvinte din memorie. Actualizeaza cuvintele din memorie in ordine, cate unul si le transfera in alta locatie de memorie sau catre iesiri. Cand se ajunge la sfarsitul listei de cuvinte procedura se reia de la primul cuvant din lista. Instructiunea SQO din figura anterioara preia cuvinte din lista incepand cu sequence[0]. Lungimea este 4, deci sfarsitul listei va fi la sequence[0]+4 (lungimea totala este 5 lista de 5 cuvinte). De fiecare data cand intrarea A este adevarata se preia un cuvant din lista si este trimis catre output lights. La finalul listei, blocul sequencer revine la pozitia a doua, sequence[1]. Primul cuvant din lista este sequence[0], dar acesta va fi trimis la iesire doar daca intrarea A este adevarata la scanarea initiala a programului, in caz contrar primul cuvant preluat va fi sequence[1]. Valoarea numerica a mastii este 000F sau 0000000000001111, astfel numai ultimii 4 cei mai putini semnificativi biti vor fi transferati la iesire, ceilalti biti ai iesirii ramanand nemodificati.

Controlul continuu

Multe sisteme cu reglare continua sunt controlate cu ajutorul elementelor de executie de tip logic (inchis, deschis). Un exemplu comun il constituie sistemele HVAC (heating, ventilation and air conditioning). Referinta este data de un termostat. Regulatorul va incerca sa mentina temperatura intr-o marja de cateva grade, asa cum se vede in figura urmatoare. Daca temperatura este mai mica decat limita inferioara prescrisa, va fi pornita incalzirea. La atingerea limitei superioare de temperatura, incalzirea este oprita si ramane astfel pana cand se atinge din nou pragul inferior . Daca distanta dintre cele doua praguri de temperatura prescrise este mare, incalzirea va porni mai rar, dar va fi activa un timp mai lung, iar variatiile de temperatura vor fi mari. Metoda de reglare nu este exacta, iar intarzierile duc adesea la aparitia supraregajelor.

Control PID

Ecuatia regulatorului PID:

Implementarea numerica a ecuatiei necesita stocarea erorii de la pasul anterior si a referintei. Calculul se face cu o perioada de esantionare T (T reprezinta timpul necesar unei scanari a programului si actualizarii). In acest scop, ecuatia regulatorului se rescrie:

Kd/Kp =TD (derivative action time) Kp/Ki = TI (integral action time)

IEC 1131-3 simbolizare standard

=Kpe