Curs 5 - Dezvoltare Tehnologica Si Tehnologii Educationale

i

Cuprins

A - Activit t i de predre

A1 - Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale Sisteme industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea tehnologic. Platforme mecatronice educaionale (hardware). Instrumente software pentru dezvoltarea aplicaiilor industriale.

A2 - Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale Studiu comparativ ntre sistemele electrice hidraulice - pneumatice. Structura circuitelor hidraulice i pneumatice.

A3 - Controlul sistemelor industriale I Sisteme de control industriale de tip PLC. Structur, limbaje standardizate. Limbajul industrial LDR (Ladder Diagram). Operanzi. Operatori. Instruciuni.

A4 - Controlul sistemelor industriale II Proiectarea Logic Structurat. Metoda Biilor Secveniali. Metoda Grafcet.

A5 - Tehnologii industriale Tehnologii industriale de dezvoltare a aplicaiilor. Medii de simulare i dezvoltare a aplicaiilor industriale. Dezvoltarea (simularea) aplicaiilor industriale. Platforme educaionale: Mechlab, MPS i alte platforme educaionale.

ii

B Aplict ii Industrile

B1 - Platforme mecatronice n educaie i formare Platforme mecatronice educaionale (hardware). Instrumente software pentru dezvoltarea aplicaiilor industriale. Dezvoltarea circuitelor de acionare hidraulice i pneumatice. Circuite de acionare specifice: simulare utiliznd FluidSIM-H i FluidSIM-P. Implementarea real a circuitelor utiliznd echipamentele transparente. Aplicaii demonstrative.

B2 - Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale Sisteme electropneumatice. Sisteme electrohidraulice. Sisteme electrice. Servosisteme. Circuite specifice de control a vitezei/forei. Proiectarea asistat a circuitelor servohidraulice i servopneumatice (FluidSIM). Implementarea real a circuitelor pe standurile experimentale.

B3 - Controlul sistemelor industriale I Aplicaii elementare de programare a sistemelor modulare de producie. Medii de dezvoltare a aplicaiilor. Limbaje de programare. Proiectarea aplicaiilor. Limbajul Ladder Diagram - operanzi (SBO,MBO), operatori, instruciuni. Controlul micrii in sistemele electropneumatice. Diagrame funcionale. Temporizatore (TP, TON, TOFF). Numrtoare.

B4 - Controlul sistemelor industriale II Proiectarea Logic Structurat . Dezvoltarea aplicaiilor industriale (aplicaii pe PLC-uri).

B5 - Tehnologii industriale Tehnologii industriale de dezvoltare a aplicaiilor. Simularea aplicaiilor industriale. Dezvoltarea de aplicaii industriale pe platforme mecatronice. Controlul parametrilor micrii n servosisteme pneumatice, hidraulice, electrice. Utilizarea controlerelor de tip PLC n programarea aplicaiilor. Aplicaii demonstrative.

iii

Bibliogrfie Orgnizre ctivit t ilor

Zile/Activiti A Activiti de predare B Aplicaii Industriale

Ziua 1 A1 B1

Ziua 2 A2 B2

Ziua 3 A3 B3

Ziua 4 A4 B4

Ziua 5 A5 B5

Ziua 6 Evaluare

A1 - Pag 1

Sisteme Industriale Moderne

Tehnologii Educaionale

1. Sisteme industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea tehnologic 2. Platforme mecatronice educaionale 3. Instrumente software pentru dezvoltarea aplicaiilor industriale

Sisteme industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea tehnologic

Evoluia omenirii a fost nsoit de o dezvoltare lent a uneltelor, dispozitivelor i sistemelor create

i realizate de om, ncepnd din paleolitic si pn n secolul 18, cnd odat cu inventarea mainii cu abur (James Watt 1788), care a marcat nceputul revoluiei industriale, sistemele tehnice au cunoscut o evoluie rapid. Maina cu abur s-a constituit ntr-una dintre primele borne ale procesului de nlocuire a muncii fizice, prestate de oameni i animale, cu lucrul mecanic efectuat de maini. Cteva repere importante de-a lungul acestui drum:

1775 - prima main orizontal de gurit i alezat evile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 ciocanul mecanic cu abur; 1795 presa cu transmisie hidraulic; 1797 primul strung cu crucior i ppu mobil, acionate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (nceputul secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19).

Pe parcursul secolului al 19-lea apar i se dezvolt motoarele cu ardere intern, ca rezultat al

preocuprii unor inventatori de geniu de a realiza mijloace de transport rutiere:

1807 brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu funcionare cu gaz i cu aprindere cu ajutorul unei scntei electrice;

1872 invenia motorului cu benzin i supape laterale motorul Otto; 1887 motorul Daimler, cu ardere intern, cu doi cilindri n V, la care aprinderea combustibilului

avea loc la fiecare rotaie a arborelui (capacitatea cilindrica de 1,5 l; puterea de 7,5 CP).

A1

1

Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii educaionale n societatea bazat pe cunoatere

A1 - Pag 2

Caracteristica esenial a sistemelor tehnice de pn n jurul anilor 1900 este aceea c acestea erau pur mecanice. Mecanica pura a permis realizarea unor adevrate bijuterii tehnice, cum ar fi precursorul genial al calculatorului electronic, reprezentat de maina de calcul a lui Charles Babbage, sau maina de scris mecanic; s-au pus nsa n eviden i limitele acestor sisteme.

Germenii unei ere noi apar odat cu dezvoltarea motoarelor electrice motorul de curent continuu

n 1870 i cel de curent alternativ n 1889, care au permis, realizarea, la nceputul secolului 20, a unor sisteme mecanice cu acionare electric (pompe, maini unelte etc.). Electrotehnica a permis i saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, avnd ca exponeni avioanele, mainile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele.

Perioada de dup cel de-al doilea rzboi mondial este caracterizat prin realizri tiinifice i

strpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic numeric n 1945, tranzistorul cu germaniu n 1948, cel cu siliciu n 1952, tiristorul n 1958, primul circuit integrat n 1959, laserul etc.

n 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a realizat i s-au fcut demonstraii cu o

main de frezat cu comand numeric. Ca nceput al mainilor unelte cu comand numeric poate fi considerata utilizarea benzii perforate n rzboiul de esut automat (de ctre Jaquard) i n pianola mecanic cu program. Un rol important n perfecionarea acestor maini l-a avut utilizarea calculatorului n locul benzii perforate, ajungndu-se la comanda numeric, cu ajutorul calculatorului, a mainilor unelte.

La nceputul anilor 1960 sunt realizai i primii roboi industriali. Fabricarea i utilizarea roboilor a

fost facilitat de rezolvarea anterioar a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcionarea roboilor:

problema manipulrii pieselor la distan, cu ajutorul mecanismelor articulate, denumite

telemanipulatoare; o dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impus de necesitatea manipulrii materialelor

radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, n procesul utilizrii energiei nucleare. Astfel c:

1947 - a fost construit primul telemanipulator cu servo-acionare electric, n care operatorul uman nu controla fora de prindere;

1948 - a fost introdus legtura invers (feed-back), realizndu-se astfel telemanipulatorul cu bucl nchis.

fabricarea manipulatoarelor cu operator uman a implicat rezolvarea unor probleme eseniale pentru proiectarea i realizarea unui robot:

o modelarea cu ajutorul mecanismelor a micrilor braului i antebraului omului (mecanisme de poziionare);

o modelarea cu ajutorul mecanismelor a micrilor de orientare specifice ncheieturii minii omului (mecanisme de orientare);

o modelarea micrilor degetelor minii, specifice operaiilor de prindere.

problema automatizrii mainilor unelte prin intermediul comenzii numerice a permis stpnirea comenzii incrementale a micrilor i a poziionrii de mare precizie, prin dezvoltarea de servo-motoare, servo-comenzi i senzori de poziie/deplasare;

problema automatizrii calculelor i a controlului cu ajutorul calculatoarelor electronice. Iat cteva repere semnificative n evoluia roboticii:

A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale

A1 - Pag 3

1961 instalarea primului robot industrial UNIMATE la General Motors. i n urmtoarele decenii industria automobilului a fost fora motrice pentru producia roboilor industriali. Astfel, n 2002, n Germania erau 120 de roboti la fiecare 10.000 de angajai, dar n industria automobilului proporia era de 1 robot la 10 muncitori productivi.

1963 Cercettorii de la Rancho Los Amigos Hospital din California au construit Rancho Arm pentru sprijinirea persoanelor handicapate. Avea 6 articulaii, dispunea de gradele de mobilitate ale minii umane i a deschis drumul spre construirea roboilor antropomorfi.

studentul n construcia de maini, Victor Scheinman, a realizat la Stanford Artificial Intelligence

Laboratory, robotul Stanford pentru microchirurgie. Avea 6 grade de mobilitate i era primul robot conceput pentru comanda cu calculatorul. A fost precursorul unor roboti industriali remarcabili, ca PUMA (Programmable Universal Manipulator for Assembly), robotul cu cel mai mare succes de pia pn n prezent.

1979 Robotul mobil Stanford Cart a reuit prima parcurgere a unei incinte mobilate cu scaune. Se

baza pe o camer video, montat pe o sanie, i i stabilea drumul pe baz de grafuri i algoritmi de cutare. Primele maini mobile reprezentative au fost nsa broatele estoase Elsie i Elmer ale englezului Grey Elmer, n 1950, capabile s identifice o priz electric i s-i ncarce bateriile.

1973 La Universitatea Waseda din Tokyo a fost realizat primul robot umanoid n mrime natural

Wabot-1. Japonezii sunt cei mai ferveni susintori ai dezvoltrii unor roboi cu aspect umanoid, care s fie acceptai mai uor ca parteneri n servicii, munci casnice, ajutorarea persoanelor handicapate. Exemple semnificative: roboii P3 (Honda) i Asimo (Advanced Step in Innovative Mobility). Acesta din urma, realizat n 2001, are o nlime de 1,20 m, o greutate de 43 kg, iar prin modificarea centrului su de greutate se poate deplasa i n curbe.

doi roboi umanoizi renumii de la M.I.T. Kismet (Soarta), are buze de cauciuc, urechi rozalii,

care arat ca dou erveele mpturite, ochi mari, n care sunt montate camere miniaturale i poate vedea, auzi i vorbi cu ajutorul unui sintetizator; Cog (Cognition = Cunoatere), este constituit dintr-un trunchi de robot, care poate prinde obiecte i le poate aduce n dreptul celor doi ochi, materializai prin dou camere video.

Cteva dintre realizrile din domeniul roboticii par a fi desprinse din science-fiction i ele nu ar fi

fost posibile fr dezvoltarea spectaculoas a tehnicii de calcul i, n special, a microelectronicii, care este un pilon de baz al sistemelor. n finalul acestui paragraf se vor puncta cteva dintre principalele etape ale dezvoltrii tehnicii de calcul.

Prelucrarea automat a informaiilor a fost revoluionat de apariia i dezvoltarea calculatoarelor

electronice numerice. Prima generaie a fost realizata cu tuburi electronice, primul calculator din aceast generaie fiind ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator), construit ntre 1942-1946 la Universitatea Pennsylvania.

A urmat generaia a doua, cu tranzistoare, ntre anii 1950-1960, pentru ca naterea

microelectronicii s genereze salturi revoluionare, marcate de urmtoarele etape semnificative:

1959 - anul de natere a microelectronicii; primul circuit integrat (TEXAS INSTRUMENTS); 1971 - producerea primului microprocesor de 4 bii - INTEL-4004; 1974 - apariia microprocesoarelor de 8 bii - INTEL-8080;


A1 - Pag 4

1978 producerea primului microcontroler; 1981 - primul calculator personal IBM PC-XT; 1985 - lansarea sistemelor software AUTOCAD, dBASE III, IV i a unor noi limbaje de programare de

nivel nalt: PASCAL, C; 1986 - limbaje de programare destinate rezolvrii problemelor de inteligen artificial: LISP,

PROLOG; procesare n limbaj natural; 1987- explozie tehnologic n arhitectura hardware lansarea calculatoarelor echipate cu hard-

disk-uri.

Alte etape importante parcurse din 1987 i pn n prezent:

mrirea continu a capacitii de stocare a discurilor hard; dezvoltarea tehnicilor de procesare n paralel; introducerea discurilor optice read/write; utilizarea de microprocesoare din ce n ce mai performante; dezvoltarea unor noi sisteme de operare, cu performante superioare; mrirea capacitii memoriei interne; creterea vitezei de prelucrare; extinderea posibilitilor de lucru n mod grafic etc.

Succinta prezentare a evoluiei sistemelor tehnice, de la sisteme pur mecanice la sisteme

mecatronice, sintetizat i n figura 1.3, permite evidenierea ctorva concluzii:

I. integrarea electronicii i a tehnicii de calcul a condus la simplificarea substanial a componentelor mecanice i la sisteme mai ieftine;

II. pri mecanice au fost nlocuite cu componente electronice, mai ieftine, mai fiabile i mai uor de

ntreinut, ntruct pot facilita auto-diagnoza;

III. aceste sisteme sunt mai precise, ntruct precizia nu se bazeaz pe rigiditatea i stabilitatea mecanic, ci pe sisteme electronice de msurare i reglare;

IV. simplificarea construciei mecanice a fost facilitat i de comanda descentralizat, cu ajutorul

microcalculatoarelor, a acionrilor electrice, ca, de exemplu, la maini de scris, maini de cusut, manipulatoare cu mai multe cuple;

V. n perspectiva unor construcii mai uoare, s-au realizat sisteme relativ elastice, cu o amortizare

mecanic redus, dar la care o comand cu reacie adecvat, bazat pe electronic, senzori i actuatori adecvai, asigur o amortizare electronic. Exemple: roboi elastici, transmisii de putere elastice, macarale uriae, sisteme hidraulice, conducte i construcii n spaiul cosmic;

VI. introducerea unor sisteme de reglare pentru poziie, vitez, for etc. permite nu numai meninerea

n limite rezonabile de precizie a mrimilor programate, dar i obinerea unei comportri quasi-liniare, chiar daca sistemul mecanic comandat este neliniar.


A1 - Pag 5

Tabel 1. Evoluia tehnologic

Sisteme pur mecanice Pn n 1900

1788 maina cu abur; 1872 motorul Otto; 1887 motorul Daimler; maina de calcul a lui Babbagge; maina de scris mecanic.

Sisteme mecanice cu acionare electric

1920 Maini unelte; Pompe.

Sisteme mecanice cu control automat Anii 1930 Avioane, Automobile, Turbine cu abur, Maina de scris electric.

Sisteme mecanice cu: control electronic analogic; control secvenial; control numeric.

ncepnd cu anii 1950 pna la mijlocul anilor 1980

Lifturi cu control automat; Maini unelte cu comand numeric; Roboi industriali; Periferice de calculator.

Sisteme mecatronice integrare mecanic & electronic &

tehnic de calcul Sinergie; software-ul determin funciile; noi instrumente de proiectare.

De la mijlocul anilor 1980

Roboi mobili; Linii flexibile; Controlul electronic al automobilului (ABS, ESP); Uniti CD-ROM.

1870 motorul de c.c. 1889 motorul de c.a.

Relee electrice Amplificatoare Regulatoare

1948, 1952 - tranzistorul 1955 - tiristorul 1959 circuitul integrat 1971 - microprocesorul

1878 - microcontrolerul 1981 PC-ul magistrale de proces noi senzori i actuatori integrarea componentelor


A1 - Pag 6

Clasificarea sistemelor mecatronice

La sfritul anilor 1970, Societatea Japonez pentru promovarea industriei de maini (JSPMI) a clasificat produsele mecatronice n patru categorii:

1. Clasa I Primele produse mecanice cu electronic ncorporat n scopul mbuntirii funcionalitii. Exemple sugestive: maini unelte controlate numeric i maini de prelucrare cu vitez variabila.

2. Clasa II Sisteme mecanice tradiionale cu electronic semnificativ ncorporat. Interfeele

externe cu utilizatorul rmn nemodificate. Exemple sugestive: maina de brbierit automat i sistemele de fabricare automate.

3. Clasa III Sistemele care menin funcionalitatea sistemelor mecanice tradiionale, dar

mecanismele interioare sunt nlocuite cu cele electronice. Exemplu sugestiv: ceasul digital.

4. Clasa IV Produse ce nglobeaz tehnologii mecanice i electronice prin integrare sinergetic. Exemple sugestive: fotocopiatoare, usctoare inteligente, roboi de buctrie i cuptoare automate. Performanele produselor electromecanice atinse n cadrul fiecrei clase, sunt strns legate de

progresul tehnologic din domeniile de control al sistemelor, microcontrolerelor i a puterii de calcul. Startul produsele aferente clasei a I-a a fost dat de tehnologia servo, electronica de putere i teoria

de control a sistemelor. Produsele aferente clasei a II-a au prins via odat cu apariia primelor calculatoare, dispozitivelor

de memorie i posibilitatea de realizare a circuitelor de comand.

Produsele clasei a III-a ncep s surprind conceptul de integrare ntr-un mod tot mai vizibil, sistemele mecanice fiind tot mai mult nlocuite cu microprocesoare i circuite integrate.

Produsele clasei a IV-a au marcat nceputul adevratelor sisteme mecatronice, prin integrarea sistemelor electronice cu cele mecanice. A nceput dup 1970 cnd Intel Corporation a lansat pe pia microprocesoarele, dispozitive electronice care puteau integra sistemele mecanice cu cele electronice. Practic tot ceea ce numim produs de nalta tehnicitate este produs mecatronic. Automobilul modern, roboii, tehnica de calcul, tehnica de telecomunicaii, aparatura biomedical, sistemele de transport inteligent, aparatura de cercetare, aparatura electrocasnic, aparatura cine-foto i audio-video, mainile agricole moderne etc., sunt exemple reprezentative de produse mecatronice.

Ca i concluzie final, este evident c orice definiie a mecatronicii am alege, mecatronica modern

implic procesarea informaiei ca i ax central. ncorporarea microcontrolerelor pentru modularea puterii mecanice i adaptarea sistemului la

diferite puncte de funcionare sunt esena mecatronicii moderne i produselor inteligente.


A1 - Pag 7

Sisteme mecatronice reprezentative

Mecatronica atrage din ce n ce mai mult atenia. Termenul este tot mai des folosit ntr-o gam tot mai larg de produse i aplicaii inginereti.

Termenul de mecatronic se refer la mbinarea sinergetic dintre ingineria de precizie, controlul

electronic i gndirea integratoare n procesul de proiectare al produselor i proceselor de fabricaie. Este un subiect cu caracter interdisciplinar ce se bazeaz pe discipline de baz inginereti dar n acelai timp include discipline neasociate n mod direct cu disciplinele de baz.

Conceptul de baz n aceast definiie este ideea de abordare a sistemului ca ntreg. Acest lucru

implic proiectarea i optimizarea sistemului ca un ntreg i nu ca o secven incremental de pai. Totui, nu orice produs realizat prin intermediul conceptului mai sus amintit face subiectul unui produs mecatronic.

n cadrul proiectrii produselor mecatronice este esenial munca n echip. Specialiti din domeniul

mecanic, electric, control i tiina calculatoarelor trebuie s coopereze n cadrul unei echipe n toate fazele de proiectare pentru a converge la o soluie integrat.

De la gramofon la CD Player

Gramofonul este unul dintre primele dispozitive de redare a sunetelor. Ca medii de stocare se foloseau discurile de vinil. Discurile de vinil erau clasificate n funcie de viteza lor de redare, viteza maxim fiind de 78RPM (rotaii/minut). La fel ca i n prezent, se punea problema meninerii vitezei de redare la o valoare constant. La vremea respectiv soluia a constat n utilizarea unor platane greoaie a cror inerie dictau practic viteza de redare, n concluzie nu exista nici o informaie (feedback) din partea gramofonului cu privire la turaia real de redare. Performanele aparatului erau dictate de miestria i priceperea fabricantului platanelor. Pickup-ul a reprezentat urmtorul pas pe scara evoluiei gramofonului. Versiunea modern a acestuia (Fig. 1.1), denumit generic i Vinil Player evideniaz puternic conceptul de integrare a componentei electronice, mecanice i cel mai important a celei informaionale. Acesta utilizeaz un senzor de turaie i un platan mult mai uor. n acest caz conceptul de feedback este clar evideniat, turaia este msurat continuu de ctre senzor, transmis mai departe ctre un microcontroler, care are rolul de a modula puterea actuatorului pentru a menine turaia n parametrii impui. ns adevratul produs mecatronic l-a reprezentat aa numitul CD Player. CD Player-ul este un produs mecatronic de nalt tehnicitate unde capul de citire standard al gramofonului a fost nlocuit cu un cap de citire laser. Viteza de redare a CD-ului nu este una constant ci variaz ntre 300 i 500 RPM scznd odat cu creterea diametrului pistei citite. Informaia citit este procesat digital, sub form de bii i octei, este memorat ntr-o zon memorie tampon i procesat ulterior de ctre un convertor digital/analogic (DAC). Acest procedeu elimin toate fluctuaiile de vitez. Aceste performane nu ar fi putut fi atinse niciodat cu un sistem pur mecanic, chiar dac am avea la dispoziie un sistem foarte bun de control al turaiei. n cazul de fa, meninerea turaiei CD-ului la parametrii foarte strici nu este obligatorie, ci trebuie doar s previn umplerea sau golirea zonei de memorie tampon. Fluxul informaiei n cadrul CD Player-ului se poate observa n Fig. 1.2.


A1 - Pag 8

Fig.1.1. Dezvoltarea tehnologic a gramofonului

Fig.1.2. Fluxul informaional n cadrul unui CD Player

Flexibilitatea introdus prin combinarea mecanicii de precizie i a electronicii n partea de control, a permis dezvoltarea CD-ROM Player-elor , acestea din urm rulnd la viteze de peste 30 ori mai mari dect CD Player-ele originale. Un nou mod de gndire a fost necesar pentru a da natere unei astfel de soluii.

n momentul de fa tehnologia Blu-Ray reprezint vrful n domeniul stocrii informaiei pe suport optic. Tehnologia permite stocarea a maximum 50 GB de informaie pe un disc, ns tehnologia viitoare va aparine Discurilor Holografice. Acestea vor putea stoca pn la 3.9 TB de informaie. Dispozitivul de citire va avea dou capuri laser de citire, un laser rou i unul verde. Informaia va fi citit i prelucrat de cele dou capuri laser i convertit n final ntr-o form utilizabil.

Oscilator

La vechile gramofoane turaia de redare era dictat de

ineria platanului.

Versiunea modern a gramofonului utilizeaz un senzor de turaie n

combinaie cu un platan foarte uor.

Adevratul produs mecatronic l-a reprezentat CD Player-ul. Discul

este citit la viteze variabile n funcie de diametrul pistei de citire.


A1 - Pag 9

Automobilul modern

Un alt exemplu sugestiv l reprezint automobilul modern (Fig. 1.3). Pn n anii 1960 radio-ul a fost singura component electronic semnificativ din componena automobilului. Toate celelalte funcii erau pur mecanice sau electrice, ca sistemul de rencrcare a bateriei i sistemul de pornire al motorului. Nu existau sisteme inteligente de protecie cu excepia barelor de protecie i structura de rezisten a caroseriei.

Centura de siguran a fost introdus de-abia la nceputul anilor 1960 cu scopul de a mbuntii condiiile de siguran ale pasagerilor i era acionat complet mecanic. Toate sistemele auxiliare ale motorului erau controlate de ctre ofer i/sau alte sisteme mecanice. De exemplu, nainte de apariia senzorilor i microcontrolerelor, generarea scnteii la bujii era realizat prin intermediul unui distribuitor mecanic. Variabila controlat era timpul de generare a scnteii. Aceast metod nu era optim din punct de vedere al eficienei carburantului i arderii. Prin modelarea matematic a procesului de aprindere, a reieit c pentru a crete eficiena arderii, exist un moment optim de generarea a scnteii. Acest moment depinde de ncrcarea mainii, de vitez i ali parametrii msurabili.

Sistemul de aprindere electronic a fost unul dintre primele sisteme mecatronice introduse n

automobile la sfritul anilor 1970. Sistemul de aprindere electronic este constituit din: senzor pentru determinarea poziiei arborelui cotit, axului cu came, debitul aerului, poziia i viteza pedalei de acceleraie i un microcontroler dedicat pentru determinarea timpului optim de generare a scnteii. Implementarea timpurie a acestui sistem avea n componen doar un senzor cu efect Hall pentru determinarea poziiei rotorului din cadrul distribuitorului. Ulterior, distribuitorul a fost eliminat complet, iar scnteia a fost controlat direct utiliznd un microcontroler.

Sistemul de antiblocare a roilor la frnare (ABS) a fost introdus tot la sfritul anilor 1970. Sistemul ABS sesizeaz blocarea unei roi i moduleaz presiunea hidraulic n aa fel nct alunecarea s fie minim (meninerea traciunii la frnare).

Sistemul de control al traciunii (TCS) a fost introdus n automobile la mijlocul anilor 1990. Sistemul

TCS sesizeaz alunecare roilor n momentul acceleraiei i moduleaz puterea roii care alunec (meninerea traciunii la acceleraie). Acest proces asigur oferul c automobilul accelereaz la puterea maxim indiferent de condiiile de drum.

Sistemul de control dinamic al automobilului (VDC) a fost introdus spre sfritul anilor 1990. VDC

funcioneaz similar cu TSC, cu meniunea c s-a adugat un senzor pentru determinarea unghiului de rotaie dup axa Z i un accelerometru pentru deplasarea lateral a mainii. Intenia oferului este determinat de poziia volanului n timpul mersului i apoi comparat cu direcia actual de mers. TCS este activat pentru controlul vitezei mainii i pentru minimizarea diferenei dintre poziia volanului i direcia de mers a mainii. n unele cazuri, ABS-ul este utilizat pentru a ncetinii maina cu scopul obinerii controlului dorit.

n automobilele moderne din ziua de astzi sunt utilizate microcontrolere de 8, 16 i 32 bii pentru

implementarea diverselor sisteme de control. Microcontrolerul are n structura lui intern memorie EEPROM/EPROM, intrri/ieiri digitale i analogice, convertoare A/D, PWM, temporizatoare, numrtoare, ntreruperi i n unele cazuri modul de procesare digital a semnalelor. Microcontrolerele pe 32 de bii sunt utilizate pentru managementul motorului, controlul transmisiei i airbag-uri; cele pe 16 bii sunt utilizate pentru ABS, TCS, VDC, sistemul de aer condiionat, i instrumentele de bord; iar cele pe 8 bii sunt utilizate pentru scaune, controlul oglinzilor retrovizoare i sistemul de deschidere al geamurilor. Exist ntre 30 i 60


A1 - Pag 10

de microcontrolere ntr-o main modern. Acest numr va crete tot mai mult n urmtorii ani, iar acest lucru evideniaz necesitatea mecatronicii n industria constructoare de maini.

Viitoarele sisteme mecatronice destinate industriei de fabricaie a mainilor ar putea include: autoparcare n lateral, nlocuirea unor sisteme hidraulice cu sisteme servo electromecanice, asistare la parcarea cu spatele. Deoarece numrul automobilelor este n continu cretere, standarde stricte cu referire la emisia de noxe sunt impuse de la an la an. Noile produsele mecatronice vor contribuii esenial n viitor pe aceast component.

Fig.1.3. Automobilul modern

Maina de splat modern

nc din cele mai vechi timpuri oamenii i-au splat hainele prin cufundarea acestora n apa rurilor

i lovirea acestora de pietre. Primele dispozitive inventate pentru splarea hainelor au fost grtarele de lemn. n 1858, americanul Hamilton Smith a patentat maina de splat rotativ. Dei avea o form care semna cu maina de splat modern, invenia lui Smith era nc acionat manual. Prima main de splat acionat electric a fost inventat n Statele Unite n 1908, modelul Thor fiind brevetat de ctre Alva Fisher i introdus pe pia de compania Hurley Machine Company of Chicago. n Europa, producia mainilor de splat automate nu a nceput dect la nceputul anilor 50 (Fig. 1.4).

Maina de splat modern este un adevrat produs mecatronic. nglobeaz un sistem senzorial

extrem de robust i performant monitorizat de un microcontroler care moduleaz energia mecanic, cea termic i aciunea chimic de curare a rufelor. Maina de splat a viitorului ar putea fi cea bazat pe tehnologia Xeros1. n 2008, Universitatea din Leeds a dezvoltat un model de main de splat care folosete doar 280 ml de ap la un ciclu de splare. Aceasta din urm ar putea revoluia felul n care funcioneaz mainile de splat economisind cantiti uriae de ap i energie.

1 http://www.xerosltd.com/


A1 - Pag 11

Model anii 1860

Model anii 1900 Model anii 1950

Prezent

Fig.1.4. Dezvoltarea tehnologic a mainii de splat


A1 - Pag 12

Platforme mecatronice educaionale

Educaia mecatronic Mecatronica s-a nscut n mediul industrial, termenul a fost brevetat de ctre concernul japonez

Yaskawa Electric. Strdaniile la nivel academic, pentru a asigura pregtirea specialitilor n acord cu cerinele noii tehnologii au condus la conturarea principiilor mecatronice n educaie.

Aceste principii vizeaz: dezvoltarea gndirii sistemice; formarea deprinderilor de a lucra n echip.

Educaia mecatronic asigur flexibilitate n aciune i gndire, trsturi definitorii ale specialistului

n economia de pia. Networking este cuvnt cheie n educaia mecatronic. Reeaua este structura care stimuleaz integrarea i faciliteaz controlul.

Oferind soluii eficiente pentru promovarea interdisciplinaritii, mecatronica a devenit suportul

demersurilor pentru stimularea iniiativei i a creativitii. Laboratoarele transdisciplinare de mecatronic constituie baza pentru materializarea principiilor: nvare prin practic, nvare prin cercetare.

Abordrile n acest sens sunt eseniale pentru mutarea accentului de pe latura de informare pe cea

de formare, pe toate treptele procesului educaional. Educaia mecatronic asigur dezvoltarea gndirii moderne, care, este: global, probabilist, modelatoare, operatoare, pluridisciplinar i prospectiv.

Coninutul termenului s-a mbogit continuu, ca urmare fireasc a evoluiei n dezvoltarea

tehnologic. Foarte curnd mecatronica a devenit filosofie. Pentru practica inginereasc, filosofia mecatronic a marcat saltul de la ingineria tradiional, secvenial, la ingineria simultan sau concurent.

n ultimii ani mecatronica este definit simplu: tiina mainilor inteligente. Mai recent, demersurile

pentru promovarea conceptului de integrare n educaie i cercetare, aduc n atenie problema mecatronicii ca: mediu educaional pentru integrare, respectiv, mediu de proiectare i fabricare integrat, pe fundalul cruia s-a dezvoltat conceptul de proiectare pentru control.

n literatura de specialitate au devenit consacrate extinderi n alte domenii precum: hidronic,

pneutronic, termotronic, autotronic, agromecatronic (agricultur de precizie) etc. Evoluia n dezvoltarea tehnologic nseamn: micromecatronic, nanomecatronic i biomecatronic. Tendina general este de intelectualizare a mainilor i sistemelor.

2


A1 - Pag 13

Platforme educaionale

Sistemele mecatronice folosesc pentru realizarea funciei impuse energia electric, hidraulic, pneumatic sau alte surse neconvenionale. Toate aceste forme de exploatare energetic i gsesc locul ntr-o gam larg de aplicaii moderne, pornind de la sistemele industriale, medicale i pn la tehnica militar i aerospaial.Funcie de specificul aplicaiei, pot fi n consecin exploatate avantajele fiecrui sistem de tranfer energetic: precizia i elegana n acionare a sistemelor electrice, simplitatea constructiv i sileniozitatea sistemelor pneumatice, densitatea de for i precizia sistemelor hidraulice, n general orice avantaj pe care o anumit transformare energetic l poate constitui pentru o anumit aplicaie.

Actuatorii fluidici spre deosebire de actuatorii electrici au marele avantaj al generrii simple a micrii liniare. Acest avantaj coroborat cu densitatea mare de for explic utilizarea pe scar larg a sistemelor de acionare hidraulic. Proprietatea intrinsec a acestor sisteme simbolic descris prin sintagma muchi de fier i tendoane de oel este mbogit cu noiunea de precizie (1 m) datorit fuziunii cu electronica.

Tehnicile de control modern au permis asocierea noiunii de precizie i cu sistemele pneumatice,

astzi fiind raportate precizii sub 10 m pentru aceste sisteme. Aadar, n pofida multiplelor neliniariti ce caracterizeaz sistemele fluidice, tehnicile de control modern, favorizate de utilizarea electronicii digitale, fac posibil exploatarea acestor sisteme n aplicaii ce necesit precizii deosebite.

Proiectarea mecatronic a sistemelor i produselor impune dezvoltarea unor cicluri de modelare, identificare, simulare, sintez, analiz, optimizare, testare, astfel nct produsul final s integreze intim, la nivel hardware i software, contribuiile tuturor componentelor. Acest mod de abordare a proiectrii stimuleaz efectul de sinergie prin corelarea tuturor resurselor i transformrilor, n scopul aceleiai funciuni. Condiiile de laborator limiteaz integrarea componentelor la nivelul software: sistemul cu componentele sale este dat, optimizarea funcionrii acestuia poate fi realizat doar prin intermediul strategiei de control, prin utilizarea i procesarea optimal a informaiei din sistem. Astfel, se pune problema achiziionrii informaiei cu privire la valoarea parametrilor de stare ai sistemului i apoi a dezvoltrii strategiilor de control optimale, adaptive, n baza acestor informaii.

Sistemele mecatronice modulare reproduc la scara redus diverse funcii existente n procesele

industriale. Prin interconectarea diverselor module se configureaz sisteme i procese complexe. Staiile de lucru permit: reconfigurri n conformitate cu diverse aplicaii, dezvoltarea diverselor strategii de control, dezvoltarea conceptelor de control n sistemele integrate, conducerea electronic a sistemelor (PLC i PC), optimizarea funcional a proceselor, implementarea tehnicilor de comunicaie standardizate, dezvoltarea tehnicilor de depistare si remediere a disfunciunilor. Sunt acoperite urmtoarele domenii tehnologice: sisteme mecatronice, sisteme de acionare (electrice, pneumatice, hidraulice), modelarea si simularea proceselor mecatronice, programarea PLC-urilor, tehnici de control a micrii/forei, programarea roboilor, tehnici de manipulare, tehnologii de asamblare, sensoric, tehnici de msurare i monitorizare a parametrilor proceselor, comunicaia standardizat.

Informaia cu privire la valoarea unor mrimi din sistem este indispensabil, att la nivelul de baz

al tehnicilor de control implementate, ct i la nivelul de management a funcionalitii sistemelor mecatronice. Utilizarea practic a acesteia implic achiziionarea ei prin intermediul senzorilor, respectiv prelucrarea semnalelor electrice.

Standurile permit studiul independent al unor grupe de senzori specifici sistemelor mecatronice, respectiv achiziia i prelucrarea semnalelor prin intermediul uneltelor Matlab/Simulink/Signal processing. Standurile includ: senzori analogici inductivi, capacitivi, optici, ultrasonici, mrci tensometrice, senzori de presiune piezoelectrici, poteniometre liniare, senzori numerici temposonici, encodere etc.


A1 - Pag 14

Fig.2.1. Staii de producie modulare: Distribuie, Testare, Procesare, Manipulare, Asamblare, Sortare. Tehnologia de control: PLCs (SIMATIC S7-313C, Festo FEC Standard), EasyPort, PC. Software: Siemens Step 7,

COSIMIRRobotics, COSIMIRPLC, FluidSIMP, Mechatronics Assistant.

Fig.2.2. Sisteme mecatronice pentru studiul i dezvoltarea algoritmilor de control a micrii: motoare de c.a

i pas cu pas, motoare pneumatice, transmisie mecanic prin curea dinat, senzori numerici incrementali de tipul encoderelor, controlere digitale n tehnologie PLC sau dSPACE, medii de dezvoltare Matlab/Simulink,

dSpace, Step 7, Festo FST. Conceptele mecatronice aplicate n educaie i cercetare permit dezvoltarea de aplicaii care

integreaz diverse tehnologii indiferent de natura energetic a transformrilor (Fig. 2.1 i 2.2).

Sistemele industriale comport anumite particulariti legate de arhitectura acestora, de limbajele specifice folosite, de standardul de comunicaie utilizat, de accesul limitat la resursele sistemului. n multe situaii, legile de micare nu pot fi introduse analitic, ci doar prin intermediul unui mediu pus la dispozitie de productor i n limitele permise de acesta. O asemenea situaie corespunde cazului analizat n continuare (Fig. 2.3).

PLC

FST 101

gripper,

magazie, brat

oscilant

panou de

comanda

Fig.2.3. Sistem servopneumatic pick & place


A1 - Pag 15

n cazul acestei aplicaii legile de micare dup cele dou axe sunt controlate de SPC200. Celelalte elemente ale sistemului sunt controlate de FST101, utiliznd limbaje industriale specifice PLC-urilor: statement list (STL), ladder diagram (LDR). Funcionarea sistemului, n configuraia dat, presupune sincronizarea funcionrii celor dou PLC-uri, ntruct ambele contribuie la executarea unei anumite sarcini, respectiv utilizarea a dou limbaje industriale pentru implementarea unei sarcini: cod G pentru legile de micare, statement list pentru ncadrarea acestor legi n contextul unei aplicaii.

Legile de micare obinute prin planificarea micrii, chiar ntr-un cadru limitat (industrial) de accesare a resurselor sistemelor, conduc la atenuarea ocurilor n funcionarea acestora, la mbuntirea funcionalitii.

Proiectarea i optimizarea funcional a sistemelor mecatronice implic proceduri de modelare, identificare, sintez, analiz i testare a produselor. Tehnica digital permite implementarea de algoritmi de control care confer flexibilitate, adaptabilitate i precizii sporite sistemelor. Optimizarea funcional a servosistemelor hidraulice implic construirea modelului matematic, analiza fenomenelor fizice asociate: curgerea turbulent prin diafragme, frecarea n motoarele liniare, compresibilitatea fluidului de acionare, micarea sertarului sub aciunea electromagnetului proporional. Determinarea constantelor modelului matematic, simularea numeric a procesului, identificarea experimental a procesului, analiza i testarea modelului sunt etape preliminare proiectrii strategiilor de control. Platformele de control dSPACE permit achiziionarea datelor din sistem, prelucrarea i vizualizarea parametrilor de stare, respectiv controlul servosistemului prin diverse strategii, simple sau complexe. n Fig. 2.4 se detaliaz standul i strategia de control pentru servosistemul considerat.

Sistemul de dezvoltare dSPACE face parte dintr-o platform de modelare, simulare i control a sistemelor mecatronice dezvoltat n cadrul proiectului CEEX, CONMEC. Alte abordri n domeniul cercetrii vizeaz tehnici de proiectare a sistemelor mecatronice n care pri ale sistemului sunt reale, altele sunt virtuale astfel nct procedurile de testare i validare a rezultatelor s poat fi derulate chiar n absena unor componente ale sistemului vizat. Alte direcii de cercetare au ca obiectiv optimizarea proceselor de urmrire a traiectoriilor i eliminarea ocurilor, reducerea zgomotului n sistemele mecatronice, optimizarea parametrilor micrii prin prelucrarea optimal a parametrilor de stare, optimizarea tehnicilor de control a impedanei mecanice. Platformele mecatronice constituie o baz ideal pentru instruire, educaie i cercetare mecatronic, pentru susinerea procesului de reconversie i orientare profesional n acord cu meseriile i cerinele UE.

Signa

l 1

Signal Builder

Signal

Generator

Saturation

Manual

Switchu

e3u3

K3

u

e2u2

K2

u

e1u1

K1

1

s

Integrator

-

K-Gain

3

du/dt

Derivative

DACDS1104 DAC_C1 ADC C7ADC C6ADC C5

ref

U=-k*x

K = matricea

de control

optimal

x2x1 xp

SERVOSISTEM HIDRAULIC

GENERARE

REFERINTA

CONTROLER

OPTIMAL

CONVERSIE

DATEdSPACE

DS1104

x1 x2 xpu

Fig.2.4. Optimizarea funcional a servosistemelor hidraulice


A1 - Pag 16

Concepte utilizate n dezvoltarea aplicaiilor Metode de dezvoltare precum Prototiparea Controlului (Control Prototyping), Software In the Loop

(SIL), Hardware In the Loop (HIL) sunt tot mai des utilizate n industrie n procesul de proiectare i cercetare (n special n industria auto), ele permind dezvoltarea fazelor proiectrii ntr-un mediu integrat, respectiv implementarea i testarea rapid a algoritmilor de control. Aceste metode implic o funcionare n timp real a platformelor de proiectare, indiferent de configuraia sistemului/procesului, atta vreme ct se nteracioneaz cu sisteme reale. Echipamentele din dotarea autolaboratorului platforma dSpace DS1104 permit implementarea acestor metode moderne. O succint detaliere a acestor tehnici de dezvoltare, simulare i testare n timp real este realizat n Fig. 2.5.

Fig.2.5. Metode de dezvoltare a aplicaiilor

Prototiparea Controlului (Control Prototyping): procesul este real i este controlat de un sistem de

control simulat prin utilizarea unui alt hardware dect cel ce va fi utilizat n final. Hardware-In-the-Loop (HIL): procesul este simulat i controlat pe baza unei strategii de control

implementat pe un hardware specific (cel care va fi utilizat n controlul sistemului). Software in the loop: procesul este simulat i este executat n timp real mpreun cu algoritmul de

control, care este de asemenea simulat. Tehnicile de dezvoltare amintite mai sus comport utilizarea unor componente hardware i

software dedicate, care s permit rularea n timp real a aplicaiilor. Cteva din elementele ce pot fi utilizate n arhitectura unui sistem de simulare-testare utiliznd resursele acestei platforme de cercetare sunt detaliate n cele ce urmeaz:

Componente hardware: module procesor, module intrare/ieire ce acoper cerinele HIL

(generatoare de semnal bazate pe algoritmi i forme de und, module de msurare etc.), simulatoare ale bus-urilor de comunicaie, elemente de condiionare de semnal, incluznd adaptoare de tensiune, simularea defectelor electrice, simulatoare de sarcin (electric, mecanic etc.)

Componente software: software de implementare (pentru implementarea i execuia n timp real a modelului), software pentru stabilirea i monitorizarea comunicaiei pe bus; modele virtuale ale sistemelor sau componentelor acestora, software pentru managementul experimentelor, software pentru testare, pentru programarea grafic i administrarea automat a testelor.

Componente opionale: animaie real-time 3D, integrarea i sincronizarea unor module adiionale, precum cele pentru diagnosticare i calibrare.

Simulare in timp real

Proces real

Controler simulatProces simulat

Controler simulatProces simulat

Controler real

CP

(Control Prototyping)SIL

(Software-In-the-Loop)

HIL

(Hardware-In-the-Loop)


A1 - Pag 17

Compatibilitatea dintre dSpace i Matlab-Simulink genereaz un mediu de dezvoltare extrem de puternic, grania dintre abordarea virtual i cea real aproape disprnd. n configuraia unei asemenea platforme de dezvoltare/simulare/testare pot fi introduse att componente reale ct i modele virtuale, funcie de obiectivul vizat. Astfel sunt posibile urmtorele abordri: testarea unei funcii noi pe un sistem existent fr a pune n pericol sistemul, testarea fiecrei componente din sistem prin conectarea la sistemul virtual, testarea comportamentului sistemului la apariia unor defeciuni, testarea unor noi strategii de control care optimizeaz funcionarea sistemului.

Instrumente software pentru dezvoltarea aplicaiilor industriale

Din punct de vedere educaional, respectiv din punct de vedere al tehnicilor de cercetare, se identific trei abordri privind studiul sistemelor:

studiul pe sistem real (proces real, controler real; toate componentele sistemului sunt reale, Fig.

3.1); studiul pe sistem simulat (proces simulat, controler simulat; toate componentele sistemului sunt

simulate - concept SIL, Fig. 3.2); studiul pe sistem parial real - parial simulat (hibrid - concept HIL, Fig. 3.3).

Fig. 3.1. Studiul pe sistem industrial real (proces real, controler real)

3


A1 - Pag 18

Fig. 3.2. Studiul pe sistem industrial simulat (proces simulat, controler simulat) - concept SIL

a) Controler simulat Proces real

b) Controler real Proces simulat

Fig. 3.3. Studiul pe sistem parial real - parial simulat (hibrid) (concept HIL)

Tehnologia SIEMENS-FESTO (Siemens Simatic STEP7 - Cosimir PLC - FluidSim H/P) permite urmtoarele abordri:

proces simulat n Cosimir PLC controler simulat n Siemens S7-PLCSIM (SIL) proces simulat n Cosimir PLC controler real prin interfaa EasyPort (HIL) proces simulat n Cosimir PLC controler simulat n FluidSim H/P (SIL)

proces simulat n FluidSim H/P controler simulat n Siemens S7-PLCSIM (SIL) proces simulat n FluidSim H/P controler real prin interfaa EasyPort (HIL) proces simulat n FluidSim H/P controler simulat n FluidSim H/P (HIL)

proces real prin interfaa EasyPort controler simulat n Siemens S7-PLCSIM (HIL) proces real prin interfaa EasyPort controler simulat n FluidSim H/P (HIL)

Legturile de date care favorizeaz comunicarea ntre cele trei medii sunt asigurate prin intermediul

unui server OPC. Comunicarea dintre medii se face simplu, selectnd tipul de simulare dorit, dup cum se poate observa n Fig. 3.4.


A1 - Pag 19

Fig. 3.4. Tipuri de conectare a sistemului parial real - parial simulat prin intermediul server-ului OPC Cosimir PLC este un simulator grafic 3D care pune la dispoziia utilizatorului diferite replici ale unor sisteme de producie industriale (Fig. 3.5). Toate aceste aplicaii software pot fi conduse prin intermediul unui PLC extern sau a unui PLC simulat, fiind permis simularea defeciunilor (defeciuni ale senzorilor, cabluri ntrerupte sau alte avarii), testarea diverselor strategii de control, monitorizarea parametrilor etc. Utilizatorul se familiarizeaz astfel cu modul de operare i structura unui sistem industrial, programeaz funcionarea sistemului utiliznd tehnologii i limbaje reale specifice mediului industrial, fr riscul de a deteriora instalaia (se aduce procesul n laborator n form simulat).

Fig 3.5. Mediul Cosimir PLC


A1 - Pag 20

S7-PLCSIM este simulatorul integrat al mediului de dezvoltare Simatic STEP 7 (Fig. 3.6). Funciile simulatorului:

testarea programelor de control fr a fi necesar conectarea la un PLC real. Vizualizarea i modificarea variabilelor programului (temporizatoare, numrtoare, etc.), Rularea pas cu pas a algoritmului de control.

Fig 3.6. Interfa S7-PLCSIM FluidSIM H/P este un software pentru crearea, simularea i studiul circuitelor electropneumatice, electrohidraulice i digitale (Fig. 3.7). Programul dispune de fotografii, animaii i explicaii ale principiului de funcionare pentru toate componentele hidraulice i pneumatice uzuale. Acest lucru il face extrem de bun pentru persoanele autodidacte. Ofer de asemenea o ntreag gam de posibiliti de comunicare cu alte programe prin intermediul interfeelor standardizate DDE i OPC. Cu ajutorul interfeei EasyPort D16 se poate asigura legtura cu procesul real.

Fig 3.7. Aplicaia FluidSIM


A1 - Pag 21

Interfaa EasyPort D16 (16 intrri/16 ieiri) asigur legtura dintre PLC-ul extern i PC/proces simulat, convertete semnalele logice externe i comunic cu PC-ul prin intermediul unui protocol de comunicaie RS-232 (Fig. 3.8). Intrrile i ieirile interfeei sunt izolate optic prin intermediul unor optocuploare.

Fig.3.8. Interfaa hardware EasyPort

Aplicaia EzOPC (server-ul OPC) asigur legturile bidirecionale de date dintre cele trei medii SIEMENS-FESTO (Fig. 3.9). Termenul OPC provine din Open Connectivity via Open Standards i este o interfa standardizat n mediul industrial ce asigur transferul de informaie dintre aplicaiile de tip Windows i echipamentele industriale. Server-ul OPC permite sarcini cum ar fi vizualizarea, msurarea sau achiziia de date s fie efectuat indiferent de echipamentele implicate. Astfel c, OPC este un standard ce nu este legat strict de o anumit aplicaie.

Fig.3.9. Aplicaia EzOPC


A1 - Pag 22

A2 - Pag 1

Sisteme de acionare

pentru aplicaii industriale 1. Studiu comparativ ntre sistemele electricehidraulice-pneumatice 2. Structura circuitelor hidraulice i pneumatice

Studiu comparativ ntre sistemele electrice-hidraulice-pneumatice

Orice proces industrial necesit manipularea unor obiecte sau exercitarea unor fore asupra lor.

Acest lucru este realizat uzual prin conversia energiei electrice, hidraulice sau pneumatice n lucru mecanic. n majoritatea cazurilor, sistemele de poziionare sunt controlate cu ajutorul motoarelor de curent continuu

sau a celor de inducie de curent alternativ. Micarea de rotaie se obine simplu, fiind starea normal de

funcionare a unui motor electric, iar cea de translaie prin utilizarea unor mecanisme de conversie:

transmisii prin urub, prin curele etc. Pentru obinerea unei simple fore sau a unei deplasri scurte se pot

utiliza solenoizii (exist o limit pentru fora ce poate fi obinut cu aceste dispozitive). Echipamentele

conduse cu ajutorul lichidelor se numesc sisteme hidraulice (din grecescul hydra = ap i aulos = conduct;

descriere ce implic utilizarea apei ca i fluid dei n practic se utilizeaz uzual uleiuri). Echipamentele

conduse cu ajutorul aerului se numesc sisteme pneumatice (din grecescul pneumn = suflare, vnt). Cel mai

utilizat gaz n sistemele pneumatice este aerul, ocazional azot (exemplu - roile de avion).

Fiecare tip de sistem are avantajele i dezavantajele lui i pentru ndeplinirea aceleai sarcini

industriale se pot utiliza sisteme din cele trei categorii mai sus amintite. Inginerul trebuie s analizeze

situaia i s aleag soluia constructiv cea mai favorabil care se preteaz pentru sarcina de realizat. De

exemplu, principalele avantaje i dezavantaje ale sistemelor pneumatice sau hidraulice sunt strns legate de

caracteristica fluidului ce le acioneaz: compresibilitatea ridicat a aerului i incompresibilitatea uleiului.

Compresibilitatea aerului face extrem de dificil controlul proporional al sistemelor pneumatice, n

industrie fiind utilizate n majoritatea cazurilor pentru sarcini de poziionare de tip ON/OFF sau cu mai multe

poziionri intermediare. n ultimii ani au aprut i soluii pentru controlul proporional al sistemelor

A2

1


A2 - Pag 2

pneumatice, ns trebuie avute n vedere costurile. Totodat: sunt rapide, robuste, simple i uor de

ntreinut, curate. Incompresibilitatea uleiului permite realizarea unui control proporional bun n cazul

sistemelor hidraulice, ns pot aprea scurgeri de ulei. Un sistem pneumatic industrial lucreaz uzual la o

presiune de 8 bar pe cnd unul hidraulic la o presiune de 150-300 bar (densitate mare de for). Comparnd

un motor electric cu unul hidraulic d.p.d.v. al densitii de for, primul dezvolt o presiune de maxim 15

bar, pe cnd cel de-al doilea 600 bar. Aceast diferen face ca raportul maselor celor doua motoare sa fie

de 14:1, raportul gabaritelor de 26:1, momentul de inerie masic de 72:1 (cu implicaii mari n timpul de

accelerare sau de rspuns la o excitaie treapta, adic performana dinamic a motorului). Un al doilea mare

avantaj este acela al realizrii mult mai simple a micrii liniare, la vitez mic, att de deficitar n

acionarea electric.

Avantajele si dezavantajele celor trei tipuri de sisteme vor fi exemplificate n cele ce urmeaz prin

analiza unui sistem de ridicare a unei sarcini pe o distan de 500 mm utiliznd acionare electric,

hidraulic i pneumatic. Astfel de procese sunt uzuale n industrie. Exemplul se va concluziona cu un tabel

n care se vor prezenta principalele caracteristici ale celor trei sisteme de acionare.

Sistem de acionare electric

n cadrul unui sistem de acionare electric avem trei soluii uzuale de acionare: solenoid, motorul

de curent continuu sau motorul de inducie de curent alternativ. Solenoidul produce o micare liniar, dar

cursa este limitat la o distan de aproximativ 100 mm. Motoarele de curent continuu i cele de curent

alternativ au nevoie de un mecanism de conversie a micrii lor naturale de rotaie ntr-una de translaie.

Acest lucru nu reprezint o problem; exist soluii comerciale care includ att motorul ct i mecanismul

de conversie. Alegerea motorului depinde n general de viteza dorit n cadrul aplicaiei. Un motor de curent

continuu echipat cu un tahometru i acionat de un circuit de putere cu tiristoare permite un control n

vitez foarte bun, dar necesit mentenan repetat a periilor i comutatorului. Motorul de inducie de

curent alternativ nu necesit mentenan, dar sunt dispozitive de acionare cu vitez fix impus constructiv

de numrul de poli i frecvena tensiunii de alimentare. Viteza poate fi modificat cu un convertizor de

frecven dar trebuie avut n vedere supranclzirea motorului, dat fiind faptul c multe dintre aceste

motoare sunt rcite de un ventilator intern prins pe rotorul motorului (blocarea la suprasarcin).

Vom presupune c o vitez constant de avans i retragere este suficient pentru aplicaia noastr,

prin urmare alegerea logic va fi un motor de inducie de curent alternativ mpreun cu un mecanism urub-

piuli. Motoarele electrice nu pot rmne blocate la capt de curs, asta ar nsemna absorbia unui curent

extrem de mare i n final distrugerea lor (exist totui motoare speciale de curent continuu care cu un

control foarte bun n curent i un sistem de rcire adecvat pot fi blocate la capt de curs), de aceea se vor

utiliza senzori pentru semnalizarea captului de curs pentru oprirea motorului din funcionare.

Astfel c sistemul nostru va arta precum cel din Fig. 1.1, fiind alctuit dintr-un mecanism urub-

piuli (cric) acionat de un motor de inducie de curent alternativ, doi senzori pentru semnalizarea

captului de curs i un dispozitiv de protecie a motorului n caz de suprasarcin.

A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale

A2 - Pag 3

Fig.1.1. Sistem de acionare electric

3 ~ 415V

Avans

Retragere

Siguran suprasarcin

Motor

Avans

Retragere

Retragere

Avans

Avans

Retragere

Siguran suprasarcin

Motor electric

W

SC1

SC2

SC1

Senzor capt de curs avans

Senzor capt de curs retragere

Cric mecansim urub-piulit

M


A2 - Pag 4

Sistem de acionare hidraulic

O soluie de acionare prin intermediul lichidelor este prezentat n Fig. 1.2. Actuatorul liniar

hidraulic este prezentat schematic n Fig. 1.2.a i este format dintr-o parte mobil, pistonul, care e conectat

direct la axul de ieire i o parte fix, carcasa. Dac fluidul este pompat n camera A, pistonul va avansa, iar

axul va fi extins; dac fluidul este pompat n camera B, pistonul se va retrage, iar axul va fi retras. Bineneles

c trebuie gndit o soluie pentru recuperarea fluidului din camera vecin. Fora maxim generat depinde

de presiunea fluidului i de aria seciunii pistonului. De exemplu, o presiune de 150 bar permite ridicarea a

150 kg pe cm2 arie a pistonului, deci o sarcin de 2000 kg poate fi ridicat cu un piston de diametru 4.2cm.

Sistemul de acionare hidraulic pentru ndeplinirea sarcinii este prezentat n Fig. 1.2.b. Sistemul are nevoie

de un lichid pentru a funciona, reeaua de furtunuri trebuie s fie nchis, s transfere fluidul de la tanc

pn la una din camerele pistonului i s returneze fluidul din camera vecin napoi la tanc. Fluidul este

pompat n sistem de o pomp ce asigur fluxul lichidului la o presiune necesar de 150 bar. Astfel de

pompe, denumite i pompe de debit, nu pot opera cu o sarcin care crete la infinit, deoarece ele debiteaz

un volum constant de fluid la fiecare rotaie a pompei. Pentru o sarcin care crete la valori periculoase,

presiunea din sistem trebuie limitat pentru a evita spargerea furtunurilor sau deteriorarea pompei. Acest

lucru se realizeaz prin utilizarea unei supape limitatoare de presiune care deverseaz lichidul pompat

napoi la tanc n cazul atingerii unei presiuni maximale n sistem.

Micarea cilindrului este controlat de un distribuitor 4/3 (4 conexiuni / 3 poziii de funcionare). Pentru

extinderea pistonului, camera A este conectat la linia de presiune, iar camera B la tanc. Pentru retragerea

pistonului se inverseaz procesul anterior. n poziia de centru a distribuitorului, fluidul rmne blocat n

cilindru (acesta pstrndu-i poziia) i furtunurile rmn blocate (tot lichidul pompat se rentoarce la tanc

datorit regulatorului de presiune).

Cteva lucruri de menionat:

viteza pistonului poate fi controlat foarte simplu prin controlul volumului de debit ctre piston;

controlul foarte precis la viteze mici este principalul avantaj al sistemelor hidraulice;

capetele de curs sunt determinate de cursa pistonului, deci nu este necesar un sistem de protecie n

caz de suprasarcin;

pompa de debit trebuie acionat de o surs de energie extern, n majoritatea cazurilor de un motor de

inducie de curent alternativ, care necesit un circuit de pornire i un circuit de protecie la

suprasarcin;

fluidele din instalaie trebuie s fie foarte curate, deci prezena unui filtru este obligatorie pentru a

ndeprta impuritile nainte ca acesta s treac din tanc n pomp;

ca ultim observaie, de remarcat faptul c scurgerile de fluid sunt neplcute i de nedorit, o defeciune

major n instalaie putnd fi catastrofal.

La prima vedere sistemul hidraulic din Fig. 1.2b pare mai complicat dect sistemul electric prezentat

anterior, dar de menionat faptul c toate componentele ncadrate n chenarul cu linie ntrerupt sunt

uzuale pentru diverse procese industriale i nu numai pentru cel studiat n acest exemplu.


A2 - Pag 5

Fig.1.2. Sistem de acionare hidraulic

Filtru

Motor electric

Supapa limitatoare

Fluid n exces

Avans OFF

Retragere

A

B

Cilindru

Distribuitor

Deversarea fluidului la tanc

Componente uzuale multor

sisteme hidraulice

W

Pomp

Camera A

Camera B

Avans

Retragere

W

a)

b)


A2 - Pag 6

Sistem pneumatic

n Fig. 1.3 sunt prezentate componentele unui sistem de acionare pneumatic. Acutatorul este un

cilindru cu piston unde fora maxim este dat de presiunea aerului i de aria seciunii pistonului. Presiunile

de lucru n sistemele pneumatice sunt mult mai joase dect n cele hidraulice; 10 bar permite ridicarea a 10

kg pe cm2 arie a pistonului, deci un piston cu diametru de 16 cm poate ridica sarcina de 2000 Kg specificat

n cazul sistemului hidraulic. Sistemele pneumatice necesit actuatori mult mai mari pentru a ridica aceeai

masa n comparaie cu sistemele hidraulice. Distribuitorul cilindrului este asemntor cu cel hidraulic.

Diferena dintre cele dou sisteme este dat de fluidul de lucru (aer). Aerul este tras din atmosfer prin

intermediul unui filtru i adus la presiunea necesar prin intermediul unui compresor (alimentat printr-un

motor de inducie de curent alternativ). Temperatura aerului crete considerabil n procesul de compresare,

de aceea nainte ca aerul s poat fi utilizat acesta trebuie rcit, iar acest lucru implic apariia procesului de

condensare. Compresorul trebuie s fie urmat de un sistem de rcire i tratare a aerului. Sistemul de tratare

al aerului este urmat de un acumulator. Sistemele hidraulice utilizeaz o supap de presiune pentru a

deversa fluidul excedentar napoi la tanc, n cazul sistemelor pneumatice un comutator din cadrul

compresorului pornete motorul compresorului cnd presiunea scade i l oprete cnd presiunea atinge

nivelul dorit. Impresia general este aceea de complexitate, dar componentele ncadrate n chenar cu linie

ntrerupt sunt uzuale n majoritatea sistemelor pneumatice. Majoritatea interprinderilor produc aer

comprimat ntr-o staie central i l distribuie printr-o reea circular n toate zonele unde este nevoie,

precum se distribuie electricitatea, apa sau gazul.

Fig.1.3. Sistem de acionare pneumatic

Aer Filtru

3 ~ 415V

PSI

Motor electric

Compresor Comutator de presiune PSI

Sistem de rcire i tratare

a aerului Acumulator

OFF Avans Retragere

Distribuitor

Evacuare

W

B

A

Deschis la atingerea presiunii dorite n

sistem

Componente uzuale multor sisteme

pneumatice


A2 - Pag 7

Tabel 1. Studiu comparativ ntre cele trei sisteme de acionare

Sistem Electric Sistem Hidraulic Sistem Pneumatic

Surs de energie Uzual din surse exterioare

Motoare electrice sau diesel

Motoare electrice sau diesel

Stocarea energiei Limitat (baterii) Limitat (acumulatori) Bun (acumulatori)

Sistemul de distribuie Excelent, cu pierderi minime

Limitat, facilitate local Bun

Costul energiei Sczut Mediu Scump

Actuatori rotativi Motoare de curent continuu (control bun) i

alternativ (ieftine).

Viteze mici. Control bun. Pot fi blocate.

Viteze variate. Control deficitar al vitezei.

Actuatori liniari Deplasri mici cu ajutorul solenzoizilor sau mari prin mecanisme de

conversie.

Cilindri. Densitate de for mare.

Cilindri. Fore medii.

Controlul forei Posibil cu solenoizi i motoare de curent

continuu. Complicat din prisma necesitii unui

sistem de rcire.

Control bun pentru fore foarte mari.

Control bun pentru fore medii.

Densitate de for mic mare medie

Siguran Aproximativ egal pentru toate

Randament bun foarte sczut foarte sczut

Oferta de componente ieftin scump Relativ scump

De notat Pericol de ocuri

electrice.

Scurgeri nedorite. Murdrie. Risc de

incendiu. Zgomot


A2 - Pag 8

Structura circuitelor hidraulice i pneumatice

Structura sistemelor pneumatice

Sistemele pneumatice sunt instalaii de putere ce utilizeaz aerul comprimat ca i agent de lucru

pentru transmiterea energiei mecanice (Fig 2.1). Compresorul convertete energia mecanic n energie

potenial a aerului comprimat. Aceast transformare faciliteaz transmiterea i controlul puterii. nainte de

utilizare, aerul trebuie s fie filtrat, dezumidificat i amestecat cu vapori de lubrifiant. Aerul comprimat este

stocat n acumulatori i transmis prin conducte sau furtune flexibile. Puterea pneumatic este controlat

prin valve de presiune, valve de debit i/sau valve distribuitoare (sau mai simplu: distribuitoare). La final,

energie pneumatic este reconvertit n energie mecanic prin intermediul motoarelor sau a cilindrilor

pneumatici.

Motor cu ardere intern, motor

electricCompresor

h

Transmisie, stocare i

control

h

Motor circular sau cilindru pneumatic

Sarcin

T

T

F

v

Energie termic sau electric

Lucru mecanic

Energie mecanic

Energie mecanic

Energie pneumatic

Fig.2.1. Schema bloc a sistemelor pneumatice

Sisteme hidrodinamice

Sistemele hidraulice transmit puterea mecanic prin majorarea energiei lichidelor hidraulice. Exist

dou tipuri de astfel de sisteme: hidrodinamice i hidrostatice. Sistemele hidrodinamice (numite i sisteme

hidrocinetice) transmit puterea mecanic prin intermediul energiei cinetice a fluidului hidraulic. n general,

aceste sisteme includ o pomp rotodinamic, o turbin i cteva elemente adiionale de control.

2


A2 - Pag 9

Aplicaiile sistemelor hidrodinamice sunt limitate la micri circulare i nlocuiesc transmisiile clasice

datorit unui raport putere/greutate superior i al unui nivel mai ridicat de controlabilitate. n cadrul

sistemelor hidrodinamice se deosebesc 2 tipuri de echipamente: cuplajulul i reductorul hidraulic.

Cuplajul hidraulic (Fig. 2.2) este practic un ambreiaj pe baz de fluid hidraulic. Pompa 2, acionat

prin intermediul arborelui de intrare *1+, antreneaz fluidul cu vitez foarte mare spre paletele turbinei 3,

creia i transfer o mare parte din energia sa cinetic. Turbina antreneaz n micare arborele de ieire 4

care dezvolt o putere foarte apropiat de cea de intrare. Fluidul hidraulic este recirculat permanent.

Reductorul hidraulic (Fig. 2.3) este un cuplaj cu un element suplimentar: statorul 5, care const ntr-

o serie de palete ataate la carcas. Se utilizeaz atunci cnd se impun rapoarte de transmitere diferite de

unitate, n condiiile unui randament acceptabil.

3-Turbin

4-Arbore de ieire

2-Pomp

1-Arbore de intrare

1-Arbore de intrare 4-Arbore

de ieire

3-Turbin

2-Pomp

5-Stator

Fig.2.2. Cuplajul hidraulic Fig.2.3. Reductorul hidraulic

Structura sistemelor hidrostatice

Sistemele hidrostatice transmit i controleaz puterea variind presiunea fluidului hidraulic. Aceste

sisteme sunt utilizate n industrie, echipamente mobile, aeronautic i altele. Acestea poart denumirea de

sisteme hidraulice de putere. n Fig. 2.4 este evideniat principiul de funcionare i componena acestora.

Motor cu ardere intern, motor

electric sau turbin cu gaze

PompP

Q

Transmisie i control

P

Q

Motor circular sau cilindru

hidraulicSarcin

T

T

F

v

Energie termic, electric sau

termodinamicLucru mecanic

Energie mecanic

Energie mecanic

Energie hidraulic

Fig.2.4. Schema bloc a sistemelor hidraulice


A2 - Pag 10

Conceptele de energie, putere i transmiterea puterii hidraulice sunt explicate cu ajutorul

exemplului urmtor: se consider un motostivuitor hidraulic ce ridic o sarcin dat vertical, pe distana y,

n intervalul de timp t (Fig. 2.5). Pentru ndeplinirea acestei cerine, motostivuitorul acioneaz asupra

sarcinii cu fora vertical F. Dac frecerea este neglijat, la echilibru, fora va fi egal cu greutatea maselor

deplasate (F = mg). Lucrul mecanic efectual este:

La sfritul ridicrii, energia potenial a corpului ridicat crete cu valoarea E, unde

n care

Energia potenial este nmagazinat pe perioada a t secunde. Aceast energie, raportat la

unitatea de timp, ne indic puterea consumat, astfel

n care

Fig. 2.5. Ridicarea unei greuti cu motostivuitorul hidraulic

P puterea consumat pentru ridicarea sarcinii *W+ v viteza de ridicare [m/s]

E energia potenial *J+ F fora vertical aplicat *N+ g acceleraia gravitaional *m/s2] m masa sarcinii [kg] L lucrul mecanic efectual [J] y deplasarea pe vertical *m+


A2 - Pag 11

Sarcina este ridicat prin intermediul unui cilindru hidraulic cu tij unilateral, simpl aciune (se

extinde sub aciunea forelor de presiune i revine sub aciunea greutii sarcinii). Cilindrul (Fig. 2.6)

acioneaz asupra sarcinii cu fora F i se deplaseaz cu viteza v.

Uleiul hidraulic aflat la presiunea p este livrat cilindrului cu o valoare Q a debitului volumetric (m3/s).

Neglijnd frecarea dintre piston i cama cilindrului, fora de presiune dezvoltat se deduce din relaia:

Pe perioada t, pistonul este dislocat vertical pe distana y. Volumul uleiului ce a ptruns n incint

este V=Apy. Prin urmare, debitul poate fi exprimat:

Puterea furnizat de cilindru se determin cu relaia:

n care

Fig. 2.6. Ridicarea pe vertical prin intermediul unui cilindru hidraulic

Puterea consumat pentru ridicarea sarcinii este egal cu puterea hidraulic dezvoltat de cilindru

datorit ipotezelor prin care s-au neglijat frecrile i alte pierderi de energie.

Ap aria pistonului [W] v viteza de ridicare [m/s] Q debitul volumic [m3/s] V volumul descris de piston [m/s]


A2 - Pag 12

Componentele de baz ale unui sistem hidraulic

n Fig. 2.7 sunt prezentate comparativ schema cu seciuni funcionale i simbolizarea standard ale

unui sistem hidraulic simplu.

Din punct de vedere funcional, sistemul este alctuit din:

1. Un motor electric antreneaz n micare pompa cu roi dinate, care convertete energia mecanic

n energie hidraulic

2. Uleiul hidraulic este condus prin evi i furtunuri ctre diferite supape prin intermediul crora i se

controleaz curgerea. Instalaia prezentat conine o supap limitatoare de presiune, o supap

distribuitoare i un drosel variabil cu supap de reinere

3. Energia hidraulic este convertit din nou n energie mecanic la nivelul cilindrului hidraulic. n

practic, se utilizeaz i motoare hidraulice pentru conversia energiei hidraulice n energie mecanic

de rotaie.

Cilindru hidraulic

Drosel variabil cu supap de reinere

Distribuitor 4/3

Supap limitatoare de

presiune

Pomp

Filtru

Rezervor

Fig.2.7. Circuitul hidraulic: seciune i simbolizare

A3 - Pag 1

Controlul Sistemelor Industriale I

1. Sisteme de control industriale de tip PLC - structur, limbaje standardizate 2. Limbajul industrial LDR (Ladder Diagram) - operanzi, operatori, instruciuni

Sisteme de control industriale de tip PLC

Elementul central n cadrul unui sistem mecatronic l constituie sistemul de control electronic

care conduce, regleaz i optimizeaz procesul. Aceste funcii sunt asigurate de o structur fizic dedicat de tip controler, care poate fi realizat cu circuite logice integrate, microprocesoare, microcontrolere, automate programabile (PLC) sau se poate identifica chiar cu un calculator personal (PC). n cazul controlului aplicaiilor industriale, cea mai larg utilizare o au sistemele de control electronic de tip PLC (Programmable Logic Controller - Controler Logic Programabil/Automat Programabil), care, pe baza unor programe elaborate de utilizator, comand i regleaz aplicaia, vizualizeaz starea procesului, semnalizeaz anumite defeciuni, comunic ntre ele sau cu alte structuri de control prin reele standardizate.

n cadrul abordrii curente se urmrete tratarea problematicii privind programarea aplicaiilor industriale conduse prin intermediul PLC-urilor.

Scurt istoric. La sfrsitul anilor 60 Compania General Motors (prin Divizia Hydramatic -1968) a elaborat specificaia de proiectare pentru un calculator industrial care urma s nlocuiasc controlul pe baz de relee din industria de maini. Noul sistem de control trebuia s ndeplineasc urmtoarele cerine: s ofere o modalitate simpl de programare a aplicaiilor; s poat fi utilizat n mediile industriale (variaii de temperatur, tensiuni de alimentare variabile); modificrile de program s nu presupun modificri structurale; s aib dimensiuni reduse, siguran n funcionare, robustee; costurile de ntreinere s fie reduse.

Dou companii independente au rspuns cerinelor General Motors: Bedford Associates (astzi Modicon) i Allen Bradley. Primele asemenea sisteme erau alctuite dintr-o unitate central (central processor) conectat la exterior (proces) prin 4 module de cmp: intrri i ieiri de curent continuu i de curent alternativ. Proiectate ca nlocuitoare ale releelor, limbajul de programare conceput a fost inspirat din diagramele aplicaiilor conduse prin relee, adresat electricienilor i ca atare numit: Ladder Diagram (diagrame scar). Numele dat acestor sisteme a fost initial Programable Controllers, cu abrevierea PC. Odat cu apariia minisistemelor de calcul de tip Personal Computer (PC) i datorit dezvoltrii fulminate a acestora, pentru a evita confuziile ntre cele dou abrevieri s-a procedat la referirea acestor sisteme de control industrial, prin acronimul PLC (Programmable Logic Controller), marc nregistrat Allen Bradley

A3

1


A3 - Pag 2

pentru aceast gam de produse. La noi se utilizeaz formularea Automat programabil pentru aceast gama de produse.

Iniial, sarcina acestor controlere a fost s identifice starea logic a unor semnale de intrare i, funcie de valoarea de adevr a unei expresii logice (construite pe baza semnalelor de intrare), s comute ieirile corespunztoare.

Treptat, capacitatea de procesare s-a dezvoltat prin asimilarea funciilor temporizatoarelor, numrtoarelor, executarea operaiilor matematice, procesarea semnalelor analogice (msurarea forelor, deplasrilor). Evoluia tehnologiei a extins prelucrarea semnalelor binare, la semnalele analogice, devenind posibil implementarea controlului n bucl nchis.

Aadar, evoluia n timp PLC-urilor a fcut posibil procesarea semnalelor analogice, vizualizarea proceselor, comunicarea prin reele standardizate (CAN, PROFIBUS), accesarea aplicatiilor de la distan etc. Acest nivel de prelucrare a informaiei nu se mai regsete n denumirea controlerului (Controler Logic Programabil) ns denumirea se pstreaz n continuare: PLC.

PLC-uri Definiie, Limbaje standardizate, Structur, Funcionare

Termenul de PLC este definit prin IEC-1131: ,, Un sistem electronic (digital) de operare, proiectat pentru utilizarea n mediul industrial, ce folosete o memorie programabil pentru stocarea intern a instruciunilor necesare implementrii unor funcii specifice (logice, secveniale, temporizare, contorizare, calcul matematic), pentru a controla prin intrrile i ieirile digitale i analogice diferite tipuri de maini sau procese.

Aadar, un PLC este un computer proiectat pentru funcii de control.

Majoritatea PLC-urilor (Fig. 1.1b) permit montarea adiional a unor module prin care se lrgete setul (numrul) de semnale procesate sau care mbogesc gama funciunilor: module de intrare/ieire digitale i/sau analogice, module de poziionare, module de comunicaie etc.

Fig.1.1. PLC-uri : a) structur monobloc; b) structur modular.

a) b)

A3 Controlul Sistemelor Industriale I

A3 - Pag 3

Din punct de vedere funcional, n structura unui PLC se disting trei componente cu roluri bine

definite (Fig. 1.2): modulele de intrare preiau semnalele din sistemul controlat prin intermediul senzorilor i le

convertesc n semnale logice pentru a putea fi prelucrate de CPU; unitatea central de prelucrare(CPU) proceseaz semnalele primite pe baza instruciunilor unui

program, ia decizii i emite semnale numerice pe modulele de ieire n conformitate cu strategia de control;

modulele de ieire convertesc semnale de la CPU n semnale de comand n scopul acionrii diferitelor echipamente prin intermediul actuatorilor.

Programarea aplicaiilor se realizeaz n general pe un sistem de calcul auxiliar (PC) care

comunic cu PLC-ul printr-un port serial. Productorii controlerelor industriale asigur mediile software de dezvoltare i implementare a aplicaiilor: STEP 7, FST, CX Programmer, RS Logix etc. Aceste medii permit dezvoltarea aplicaiilor n diverse limbaje de programare, mai mult sau mai puin populare: Ladder diagram, Statement list, Structured text, Sequential function chart etc. Unele PLC-uri sunt prevzute suplimentar i cu dispozitive dedicate de programare i diagnosticare (console de programare).

n funcionarea PLC-urilor se disting ca elemente specifice pentru aceste tipuri de structuri: procesarea ciclic i imaginea de proces. Procesarea ciclic presupune parcurgerea programului ,,linie cu linie i, dup prelucrarea ultimei instruciuni, reluarea prelucrrii de la nceput (Fig.1.3). Rularea ciclic a programului va continua pn la comanda de oprire.

Imaginea de proces este o zon a memoriei n care este nregistrat configuraia intrrilor la nceputul ciclului i n care se actualizeaz configuraia ieirilor pe parcursul rulrii unui ciclu.

Tabela de imagine a intrarilor

Tabela de imagine a iesirilor

Program PLC

INTRARI

IESIRI

CPUUNITATEA CENTRALA DE

PRELUCRARE

MODULE

DE

INTRARE

MODULE

DE IESIRE

Fig.1.2. Structura unui PLC

Fig.1.3. Modul de funcionare al unui PLC


A3 - Pag 4

Aceste mod de funcionare presupune: nainte de procesarea primei linii, starea (valoarea) intrrilor va fi nregistrat ntr-o tabel

imagine a intrrilor; coninutul imaginii de proces a intrrilor nu se va modifica pe toat durata unui ciclu chiar dac

unele intrri se modific; pe parcursul unui ciclu programul va accesa aceast memorie pentru citirea intrrilor; pe msur ce ruleaz programul, n tabela imagine a ieirilor se nregistreaz starea (valoarea)

ieirilor; la sfritul ciclului configuraia ieirilor se va modifica n acord cu valorile furnizate de memoria

imagine de proces; un nou ciclu va presupune o nou nregistrare a strii intrrilor n memoria imagine i un nou

proces de actualizare a ieirilor cu execuie la sfritul ciclului.

Structura hardware a unui PLC Structura hardware de principiu a unui PLC este prezentat n Fig. 1.4. n continuare se detaliaz trei elemente importante ale acestora: unitatea central de procesare, memoria i interfeele de intrare/ieire.

PLC-ul este un echipament electronic de automatizare care poate conduce un proces numai dup efectuarea legturilor cu senzorii i cu elementele de execuie (actuatori), urmat de nscrierea programului de lucru n memoria automatului. Legtura dintre PLC i procesul condus se asigur prin intermediul interfeelor de intrare/ieire (module de intrare/ieire). Fiecare senzor trebuie conectat la o interfa de intrare a automatului i fiecare actuator trebuie conectat la o interfe de ieire a automatului.

Programul de lucru al PLC-ului se scrie ntr-un limbaj de programare adecvat, cu ajutorul unui dispozitiv de programare (ex. PC). Programul se stocheaz n memoria automatului i execuia programului este controlat de procesorul unitii centrale. Faptul c memoria automatului poate fi tears i apoi ncrcat cu un nou program ori de cte ori se dorete, sau c programul din memorie poate fi modificat dup dorin, ofer PLC-ului flexibilitate n utilizare.

PLC-ul este conceput totodat pentru funcionarea n mediu industrial: este insensibil la perturbaii electromagnetice, poate funciona ntr-un domeniu larg de temperatur i de umiditate, este compatibil direct cu procesul prin utilizarea unor semnale la tensiuni industriale etc.

Fig.1.4. Schema bloc a PLC-ului


A3 - Pag 5

Unitatea central. Reprezint "creierul" automatului programabil i are rolul de a pune n legtur interfaa de intrare, memoria de date i interfaa de ieire, pe baza programului descrcat de utilizator n memoria program. Unitatea central interpreteaz instruciunile din memoria program, pe baza crora efectueaz evaluri logice, calcule aritmetice, prelucrri numerice ale variabilelor de intrare i furnizeaz un rezultat memoriei de date sau interfeei de ieire.

Memoria. Memoria PLC-urilor este alctuit din circuite electronice integrate care sunt capabile s nregistreze informaii sub form binar (0 logic sau 1 logic). Informaia elementar este bit-ul, denumire care provine de la "binary digit" din limba englez. Memoria joac un rol important n funcionarea PLC-ului deoarece reprezint locul n care se nscrie programul de lucru al aplicaiei sub forma unei liste de instruciuni. Procesorul citete din memorie instruciunile programului i le execut. Memoria PLC-ului este organizat n: memoria de date i memoria program.

Memoria program pstreaz programul realizat i ncrcat de utilizator prin intermediul calculatorului sau al consolei de programare. Memoria program este nevolatil, de tipul flash sau EEPROM.

Memoria de date sau memoria de lucru, reprezint zona volatil a memoriei automatului programabil. Aici sunt stocate rezultatele ale operaiilor efectuate de unitatea central sau valori introduse de operator de la un terminal extern (consol de programare, terminal programabil) i care sunt apoi prelucrate de ctre unitatea central.

Aceast zon de memorie poate fi asimilat memoriei RAM de la calculatoarele personale (PC-

uri). Majoritatea automatelor programabile sunt prevzute cu baterie pentru a pstra coninutul unor zone din memoria de date i dup pierderea tensiunii de alimentare.

Din punctul de vedere a modului de stocare a informaiei nscrise n memorie se deosebesc dou

tipuri principale de memorii: memorii care pot fi terse (volatile); memorii care nu pot fi terse (nevolatile). Ambele tipuri de memorii se utilizeaz n PLC-uri.

Module (interfee) de intrare/ieire. Comunicarea unui PLC cu aplicaia se realizeaz prin intermediul canalelor de intrare i ieire (intrri, ieiri). Intrrile i ieirile unui PLC sunt necesare pentru monitorizarea i controlul procesului i pot s fie de dou tipuri: logice sau continue. Intrrile vin de la senzori care convertesc mrimile fizice n semnale electrice. Ieirile spre elementele de acionare permit PLC-urilor s genereze o anumit aciune n proces.

Ansamblul modulelor electronice de intrare amplasate ntre bornele de intrare ale automatului

i magistrala intern constituie interfaa de intrare. Interfaa de intrare este prevzut cu un anumit numr de canale de intrri logice sau analogice. Fiecrei intrari i se aloc o adres.

Modulele electronice amplasate ntre magistrala intern i bornele de ieire ale automatului constituie interfaa de ieire. Modulele de ieire sunt adesea construite pe baz de relee, dar deasemenea pot s includ, tranzistoare pentru ieirile de curent continuu sau triace pentru ieirile de AC. Interfaa de ieire este prevzut cu un anumit numr de canale de ieiri logice sau analogice. Fiecrei ieiri i se aloca cte o adres.

n PLC-urile monobloc intrrile i ieirile sunt integrate n aceeai unitate. Pentru PLC-urile modulare intrrile sunt achiziionate prin module sau carduri. n Fig. 1.5 se arat cum se face conectarea a dou intrri la un modul (card) de intrare. Ambele contacte (un buton de apsare i contactul unui releu termic) sunt conectate de o sursa de curent alternativ. Cnd contactele sunt nchise, se alimenteaz intrrile. Dac tensiunea de intrare pe o intrare este mai mare de o anumit valoare, se va activa intrarea respectiv (trece n 1 logic).


A3 - Pag 6

Aici neutrul pentru alimentarea de la reea este nulul sau tensiunea de referin. Toate

tensiunile sunt msurate relativ la el. Dac exist o a doua alimentare, trebuie s legm nulurile mpreun. Adesea nulul comun i masa pot fi confundate. Nulul este o referin, care se ntrebuineaz pentru 0V iar masa este folosit pentru prevenirea ocurilor si distrugerea echipamentelor. Masa este conectat la pmnt prin sistemul electric al unei cldiri (pmntarea). Din pcate muli ingineri i fabricani amestec aceste legturi. Adesea masa si nulul sunt etichetate greit.

n general circuitele de intrare/ieire izoleaz unitatea central de aparatura extern prin intermediul optocuploarelor (Fig. 1.6). Alte componente de circuit se folosesc pentru protecie la supracreteri sau a inversrii polaritii.

Fig.1.5. Modul de intrare (este utilizat notarea Allen Bradley pentru PLC-uri: I: 013 indic faptul c modul de

intrare e montat n rack-ul 01, slotul 3; 01 i 03 indic adresele intrrilor)

Fig.1.6. Circuite de intrare


A3 - Pag 7

Fig.1.7. Circuite de ieire

Fig.1.8. Conectarea unui modul de ieire (24 Vdc). Considerm c alimentm circuitul extern cu 24V DC. Cnd ieirea 07 este activat curentul va trece prin 07 la COM, astfel nchiznd circuitul i fcnd lampa sa se aprind. Ieirea 03 a releului este conectat n mod asemntor. Cnd ieirea 03 este activat curentul va strbate bobina releului i motorul se va alimenta cu 120V AC.


A3 - Pag 8

La fel ca i modulele de intrare, modulele de ieire rareori alimenteaz. Sunt construite pe baz de relee, tranzistoare sau triace. Releele sunt capabile sa comute ntre ieirile AC i DC, dar sunt mai lente (comutarea se face n jur de 10ms), cost mai mult i se uzeaz mai rapid. Tranzistoarele sunt limitate pentru ieirile DC, triacele sunt limitate pentru ieirile AC, timpii de reacie fiind sub 1MS.

Ieirile de la PLC-uri trebuie s furnizeze tensiunile de acionare necesare. Cteva asemenea circuite sunt detaliate n Fig. 1.7. Alte componente sunt folosite pentru protecie mpotriva curentului excesiv sau a inversrii polaritii.

Fig.1.9. Conectarea unui modul de ieire (24 Vdc). Considerm c alimentm modulul (cardul) cu 24V DC. Cnd ieirea 07 este activat curentul va trece prin 07 la COM, astfel nchiznd circuitul i fcnd lampa sa se aprind. Cnd ieirea 03 este activat curentul va strbate bobina releului i mo

Documents

Curs 5 - Dezvoltare Tehnologica Si Tehnologii Educationale