Universitatea Transilvania din Brașovwebbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2011/rom/OrosRamona...Nu în ultimul rând, doresc să le mulţumesc părinţilor mei, cei care întotdeauna m-au

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”Titlul proiectului: „Studii doctorale pentru dezvoltare durabilă (SD-DD)”Numărul de identificare al contractului: POSDRU/6/1.5/S/6Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din BrașovScoala Doctorală Interdisciplinară

Centrul de cercetare: Materiale și tehnologii avansate,

metalice, ceramice și compozite

Ing. Ramona – Georgiana T.F. OROS

Conceperea și construirea unor senzori wireless cu aplicațiila comanda echipamentelor și proceselor de încălzire

Designing and building of wireless sensors with applicationsused for control heating equipment and processes

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Cornel SAMOILĂ

BRASOV, 2011

ii

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOVBRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢAComisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din BraşovNr. 4768 din 13. 09. 2011

PREŞEDINTE Prof. Dr. Ing. Mircea ȚIEREAN

Decan - Universitatea Transilvania din Brașov

COND. ŞTIINŢIFIC Prof. Dr. Ing. Cornel SAMOILĂ

Universitatea Transilvania din Brașov

REFERENŢI Prof. Dr. Ing. Vida Ioan SIMITI

Universitatea Tehnică Cluj - Napoca

Cerc. Princ. I – Dr. Ing. Leontin DRUGĂ

Institutul Național de Tehnologii la Cald – București

Prof. Dr. Fiz. Doru URSUȚIU

Universitatea Transilvania din Brașov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 15.10.2011, ora 11,sala W.III.4.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm săle transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected].

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei dedoctorat.

Vă mulţumim.

iii

CUVÂNT ÎNAINTE

Printre prioritățile declarate de cercetare la nivel European – FP7, se află și cercetare îndomeniul TIC ce vizează îmbunătăţirea competitivității industriei europene - precum şi pentru apermite Europei să stăpânească şi să modeleze evoluţiile viitoare ale acestor tehnologii, astfelîncât cerinţele societăţii şi economiei să fie îndeplinite .

Statele membre UE au alocat o sumă totală de € 9.1 miliarde pentru finanţare în domeniulTIC pe durata a FP7 și respectiv PC7 – componenta de cercetare.

Monitorizarea și controlul proceselor industriale în lumina tendințelor definite în FP7 –prezintă două tendințe:

Dezvoltarea de software și hardware – pentru echiparea directă a echipamentelor; Dezvoltarea de software și hardware pentru monitorizarea și controlul de la

distanță a echipamentelor (”REMOTE ENGINEERING”).Teza de doctorat face perte din domeniul de dezvoltare ”REMOTE ENGINEERING” –

fabricarea de la distanță.Apărut prima dată ca o necesitate în comanda reactoarelor nucleare și a fabricilor cu

profil chimic care produceau medii periculoare pentru viața umană, acest domeniu a început săfie transferat tot mai mult către industria clasică, transferul fiind inpus de reducereaspectaculoasă a costurilor pentru realizarea senzorilor inteligenți.

Teza de doctorat se încadrează în priorităţile cercetării de la nivel european şi naţional, cuprivire la materiale, procese și produse inovative, şi propune soluţii pentru monitorizarea șicontrolul echipamentelor de încălzire, utilizând sisteme integrate hardware și software deconducere în timp real a proceselor, folosind sistemele wireless.

Doresc să-i adresez cele mai sincere mulțumiri domnului profesor Cornel SAMOILĂ, care încalitatea sa de conducător științific mi-a oferit susținere și îndrumare pe tot parcursul programului destudii doctorale. Sfaturile și recomandările dumnealui competente și obiective au constituit un suportindispensabil în realizarea tezei.

Țin să-i mulțumesc domnului profesor Doru URSUȚIU pentru neprețuitul sprijinul șiajutor acordat de-a lungul celor trei ani, în vederea ducerii la bun sfârșit a tezei, în calitate despecialist recunoscut internațional în domeniul ”REMOTE ENGINEERING”.

Deasemenea, aş dori să le mulţumesc domnului doctor inginer Petru Adrian COTFASpentru sprijin acordat, domnului doctor inginer Daniel COTFAS pentru ajutor şi colaborare,precum și tuturor membrilor Centrului de Valorificare și Transfer de Competență.

Aș mai dori să mulțumesc domnului profesor Miehael E. AUER de la CarinthiaUniversity of Applied Sciences – Villach, Austria pentru faptul că mi-a fost coordonator și mi-apermis să efectuez perioada de stagiu extern de cercetare sub îndrumarea sa, oferindu-mi totsuportul necesar alături de membrii laboratorului OLA pe care îl coordonează.

Exprim mulțumiri călduroare colectivelor de cercetare de la S.C. IAR S.A. – Brașov,locul unde s-a implementat industrial tehnologia de monitorizare a temperaturii (vezi capitolul 4,4.3.) și de la S.C. UTTIS S.A. – București, locul unde am efectuat practica de documentare îndomeniul cuptoarelor industriale.

Nu în ultimul rând, doresc să le mulţumesc părinţilor mei, cei care întotdeauna m-ausprijinit şi mi-au acordat încredere, cărora le datorez formarea mea ca individ şi cercetător, ca şiprietenilor mei şi tuturor persoanelor dragi care sunt şi care au fost alături de mine.

iv

CUPRINSPg.teza

Pg.rezumat

CUVÂNT ÎNAINTE................................................................................................... iii iiiCUVINTE CHEIE viii viiiLISTA DE NOTAȚII.................................................................................................. ix -LISTA DE ABREVIERI x viiiINTRODUCERE 1 1

CAPITOLUL 1STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND SENZORIIWIRELESS 5 2

1.1. Echipamente aferente procesului de încălzire și scheme clasice de reglaj atemperaturii utilizate în industrie............................................................................. 5 2

1.1.1.Scheme clasice de reglare a temperaturii în instalațiile termice – schemăsimplă și reglare în cascadă ................................................................................ 6 -1.1.2. Reglarea temperaturii într-un cuptor de tratamente termice...................... 8 -1.1.3. Reglarea temperaturii cuptoarelor cu combustibil..................................... 9 -1.1.4. Schema reglării automate a temperaturii cuptoarelor cu combustibil prinintermediul măsurării temperaturii și a debitului de combustibil....................... 10 -

1.2. Reglarea și monitorizarea parametrilor în general și a temperaturii înspecial...................................................................................................................... 11 31.3. Tehnologia wireless. Stadiul actual pe mai multe domenii ............................. 14 5

1.3.1. Generalități privind tehnologia wireless................................................... 14 -1.3.2. Semnalul în comunicația wireless............................................................. 18 -1.3.3. Influența componentelor electronice din sistem asupra semnalului......... 20 -1.3.4. Influența mediului exterior asupra semnalului......................................... 20 -1.3.5. Antene și caracteristici............................................................ ................. 22 -1.3.6. Senzori wireless....................................................................................... 24 51.3.7. Sisteme automate de monitorizare și control de temperatură aflate pepiață.................................. ................................................................................. 25 -

1.4. Concluzii.......................................................................................................... 31 61.5 Obiectivele cercetării 32 7

CAPITOLUL 2CONSTRUIREA SENZORULUI WITAG. APARATURĂ DE MĂSURĂ ȘICONTROL 33 7

2.1 Prototipaj NI – ELVIS pentru dezvoltarea modelului funcțional 33 72.2 Senzorul WiTAG – varianta industrială 40 10

2.2.1 Dezvoltarea hardware a sistemului WiTAG 40 102.2.2. Software utilizat de sistemul WiTAG..................................................... 42 10

2.3. Aparatură și soft-uri utilizate în dezvoltarea senzorului.................................. 44 -2.4 Concluzii 46 11

v

CAPITOLUL 3MODELAREA MATEMATICĂ A SEMNALELOR SENZORILOR DETIPUL WITAG 47 11

3.1. Propagarea undelor electromagnetice și pierderea de cale în spațiilibere........................................................................................................................ 47 -3.2. Optimizarea funcției obiectiv folosind algoritmiigenetici..................................................................................................................... 48 113.3. Concluzii........................................................................................................... 63 18

CAPITOLUL 4MONITORIZAREA TEMPERATURII CUPTORULUI FOLOSINDSENZORUL WITAG 64 19

4.1. Echipamente folosite pentru monitorizare....................................................... 64 -4.2. Instrument virtual pentru monitorizare – aplicație LabVIEW.......................... 65 19

4.2.1. Interfață soft pentru monitorizarea temperaturii utilizând modulul BNC2120 conectat la o placă de achiziție AT – MIO 16E1 și termocuplu..............

66 19

4.2.2. Interfață soft pentru monitorizarea temperaturii sistemul WiTAGconectat cu un termocuplu tip K........................................................................ 70 214.2.3. Interfață soft pentru monitorizarea temperaturii utilizând sistemulWiTAG și termorezistență................................................................................. 74 23

4.3. Aplicație industrială de monitorizare cu senzori WiTAG a temperaturii –S.C. IAR S.A. Brașov............................................................................................ 78 244.4. Concluzii.......................................................................................................... 93 27

CAPITOLUL 5CONTROLUL TEMPERATURII CU SENZORUL WITAG LACUPTOARELE ELECTRICE.............................................................................. 94 28

5.1. Echipamente pentru controlul temperaturii..................................................... 94 -5.2. Instrument virtual pentru comanda temperaturii.............................................. 95 285.3. Programarea sistemului WiTAG pentru comandă utilizând un firmwarededicat................................................................................................................... 107 32

5.3.1. Configurația hardware pentru programarea WiTAG.............................. 107 325.3.2. Descrierea aplicației pentru programarea WiTAG.................................. 109 34

5.4. Concluzii.......................................................................................................... 112 34

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE.................................................... 113 34BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ.............................................................................. 117 37LISTA DE FIGURI .................................................................................................. 125 -LISTA DE TABELE................................................................................................. 128 -ANEXE....................................................................................................................... 129 -REZUMAT................................................................................................................ 164 39CURRICULUM VITAE.......................................................................................... 165 40

vi

TABEL OF CONTENTSPg.thesis

Pg.summ.t

FOREWORD.................................................................................................................. iii iiiKEYWORDS viii viiiLIST OF NOTATIONS………………………………………………………………. ix -LIST OF ACRONYMS x viiiINTRODUCTION 1 1

CHAPTOL 1STATE OF THE ART REGARDING RESEARCH ON WIRELESS SENSORS… 5 2

1.1. Equipment used for heating process and some classical schemes used for thecontrol of temperature in industries............................................................................ 5 2

1.1.1.Classical schemes for controlling the temperature of thermal installations –simple and cascade scheme ……........................................ 6 -1.1.2. Adjustment of temperature in to a thermal oven.......................................... 8 -1.1.3. Adjustment of temperature in to a fuel oven................................................ 9 -1.1.4. Automatic scheme for adjustment of the temperature of a fuel measuring thetemperature and the fuel flow......................................................................... 10 -

1.2. Control and monitor of parameters in general and speciallytemperature................................................................................................................. 11 31.3. Wireless technology. State of the art in all kind of domains 14 5

1.3.1. General view of wireless technology........................................................... 14 -1.3.2. Signals in wireless communications............................................................ 18 -1.3.3. Influence on the signal of electronically components.................................. 20 -1.3.4. Influence of outdoor medium on the signal……………………………….. 20 -1.3.5. Antennas and characteristics....................................................................... . 22 -1.3.6. Wireless sensors........................................................................................... 24 51.3.7. Automated systems for monitoring and control of temperature on themarket.................................................................................................................... 25 -

1.4. Conclusions........................................................................................................... 31 61.5 Research objectives 32 7

CAPITOLUL 2DEVELOPMENT OF WITAG SENSOR. MEASUREMENT AND CONTROLEQUIPMENT.................................................................................................................. 33 7

2.1 Development of the functional model using NI – ELVIS prototyping board 33 72.2. WiTAG sensor – industrial approach 40 10

2.2.1 Hardware development of the WiTAG system 40 102.2.2. Software used with WiTAG system............................................................. 42 10

2.3. Equipments and software used for sensor development....................................... 44 -2.4 Conclusions 46 11

vii

CAPITOLUL 3MATHEMATICAL MODELIND OF THE SIGNALS USED BY THE WITAGSYSTEM 47 11

3.1. Propagation of electromagnetic field and path loss in freespace........................................................................................................................ 47 -3.2. Optimization of the objective function using geneticalgorithms.................................................................................................................... 48 113.3. Conclusions 63 18

CAPITOLUL 4TEMPERATURE MONITORING OF THE OVEN USING TEH WITAGSENSOR........................................................................................................................ 64 19

4.1. Equipment used for monitoring............................................................................ 64 -4.2. Virtual instruments used for monitoring – LabVIEWapplications................................................................................................................

65 19

4.2.1. Software interface for temperature monitoring using the BNC 2120 moduleconnected to an AT–MIO 16E1 acquisition board and athermocouple..........................................................................................................

66 19

4.2.2. Software interface for temperature monitoring using the WiTAG systemconnected with a K type thermocouple.................................................................. 70 214.2.3. Software interface for temperature monitoring using the WiTAG system anda thermorezistance........................................................................................... 74 23

4.3. Industrial application for temperature monitoring using WiTAG system – S.C.IAR S.A. Brașov.......................................................................................................... 78 244.4. Conclusions.......................................................................................................... 93 27

CAPITOLUL 5TEMPERATURE CONTROL OF ELECTRICAL OVEN USING THEWITAG.......................................................................................................................... 94 28

5.1. Equipment for temperature control...................................................................... 94 -5.2. Virtual instruments used for temperature control................................................ 95 285.3. Programming the control application of the WiTAG system using a dedicatedfirmware..................................................................................................................... 107 32

5.3.1. Hardware configuration for programming the WiTAG…………………… 107 325.3.2. Description of the control application of WiTAG………………………… 109 34

5.4. Conclusions.......................................................................................................... 112 34

CONCLUSIONS AND ORIGINAL CONTRIBUTIONS........................................ 113 34REFERENCES.............................................................................................................. 117 37LIST OF FIGURES....................................................................................................... 125 -LIST OF TABELES....................................................................................................... 128 -APENDIX........................................................................................................................ 129 -ABSTRACT.................................................................................................................... 164 39CURRICULUM VITAE............................................................................................... 165 40

viii

CUVINTE CHEIE

Temperature control – Controlul

temperaturii;

Temperature monitoring – Monitorizarea

temperaturii;

Remote engineering – Fabricația la distanță;

Remote control – Control de la distanță;

Remote monitoring – Monitorizare de la

distanță;

Virtual instrumentation – Instrumentație

virtuală;

Indicial curve – Curba indicială;

Genetic algorithm – Algoritm genetic.

LISTĂ DE ABREVIERI

AP – Access Point;BNC – Bayonet Neill–Concelmanconnector;CAN – convertor analog – numeric;CNA – convertor numeric analog;DAQ – Data AquisitionDSSS – Direct Sequence Spread SpectrumEEPROM – Electrically ErasabelProgrammable Read Only Memory;I – integral;IC – Integrated Circut (circuit integrat);ICS – Integrated Circuit Systems;ID – Identification Number;IEEE – Institute of Electrical andElectronical Engineers;IP – Internet Protocol;MAC – Media Access Control;MIMO – Multiple Input and MultipleOutput;NI – ELVIS – National InstrumentsEducational Laboratory VirtualInstrumentation Suit;OFDM – Ortogonal Frequency DivisionMultiplexing;

P – proporțional;PHY – nivel fizic al stivei OSI;PI – proporțional – integral;PID – proporțional – integral – derivat;PLC – Programmabil Logic Controller;RTU – Remote Terminal Unit;PWM – Pulse Width Modulation;RAM – Random Access Memory;RF – radio frecventă;RISC – Reduced Instruction Set Computer;ROM – Read Only Memory;RS232 – Recommended Standard (232);RSSI – Received Signal Strength Indication;RX – recepție de informații;TIC – Tehnologia Informației șiComunicații;TCP – Transmision Control Protocol;TX – transmitere de informații;UE – Uniunea europeană;UDP – User Datagram Protocol;USB – Universal Serial Bus.

_____________________________________________________________________________________________Conceperea și construirea unor senzori wireless cu aplicații la comanda echipamentelor și proceselor de încălzireRamona – Georgiana OROS 1

INTRODUCERE

Dezvoltarea societății moderne a fost condiționată încă din cele mai vechi timpuri denivelul și evoluția tehnologiilor folosite pentru producerea bunurilor de consum și a mijloacelorde producție. Descoperirile științifice și marile invenții ale ultimului secol nu numai aurevoluționat ci au și propulsat în mod spectaculos viața economică și socială modernă.

Principalele direcții ale revoluției tehnico-științifice din ultimii ani pot fi considerateurmătoarele: realizarea de materiale noi, cu proprietăți prestabilite (inteligente), pe bazacunoașterii structurii materiei și stăpânirii acestei structuri; dezvoltar ea biotehnologiilor șiinformatizarea [12], [33]. Cea din urmă, a avut efecte nu numai în sensul utilizării calculatoruluiîn toate domeniile de activitate, ci mai ales în sensul nivelului ridicat al “performanțelor”tehnico-economice prin diversificarea și ultraspecializarea proceselor de orice fel. De cele maimulte ori, schimbarea unui produs înseamna schimbarea tehnologiei și astfel costurile deproducție deveneau inaccesibile. Din acest motiv, în trecut, costul pe unitate de producție putea fiaccesibil numai dacă se puteau produce serii mai mari de produse identice; în schimb, utilizându-se cele mai recente tehnologii prelucrătoare asistate de calculator, se face posibilă o diversificare,practic la infinit, a gamei prelucrărilor și produselor, iar noile tehnologii informatizate împingcostul diversificării spre zero.

Astfel, realizarea unor produse de calitate ridicată presupune controlarea riguroasă aprocesului de producţie din punct de vedere al variabilelor de proces implicate. Abaterea de laacest regim se datorează în general unor perturbaţii. Sesizarea acestor perturbaţii şi anulareaefectelor induse se poate realiza prin conducerea automată a proceselor tehnologice.

Ansamblul format din procesul supus automatizării şi dispozitive tehnice ce asigurăautomatizarea acestuia constituie un sistem automat. Automatizarea reprezintă echiparea unorinstalaţii cu dispozitive tehnice care să asigure desfăşurarea operaţiilor în condiţii optime, fărăintervenţia nemijlocită a operatorului uman. Dispozitivele tehnice reprezintă elemente deautomatizare care îndeplinesc funcţii specializate precum cea de comparaţie, monitorizare,comandă, reglare, etc.

Lucrarea de față a pornit de la constatarea generală conform căreia:EVOLUȚIA ECHIPAMENTELOR PENTRU POCESELE DE ÎNCĂLZIRE A AVUT LOC

PE DOUĂ CĂI: introducerea unor noi tehnologii care au cerut noi echipamente; automatizarea proceselor.

În legătură cu a doua cale menționată, se poate spune că ea a urmat, ca în cazul tuturorechipamentelor industriale, dezvoltarea hardware și software. Însă din anii 1990 – o nouătendință se face remarcată în domeniu și anume REMOTE ENGINEERING – adică fabricațiacontrolului de la distanță.

De proveniență din cercetarea științifică dedicată spațiului cosmic și celui militar,REMOTE ENGINEERING – are primele aplicații în domeniul REMOTE CONTROL.

Pasul acesta de dezvoltare a necesitat de asemenea dezvoltarea a două domenii conexe: senzorii intiligenți; instrumentația virtuală.

Lucrarea de față prezintă o astfel de dezvoltare în care: se construiește un senzor inteligent capabil să monitorizeze și să controleze

temperatura unui cuptor, putând fi accesat și comandat de oriunde din lume; se realizează toate soft – urile necesare monitorizării și controlului folosindu-se

limbajul de programare grafică LabVIEW – cel care permite introducereainstrumentației virtuale, adică instrumentele de măsură și control sunt reprezentatede calculator, fără a se renunța în acest mod la precizie.

Referitor la structura tezei aceasta cuprinde cinci capitole plus un capitol individual deconcluzii și contribuții originale de-a lungul cărora este prezentată evoluția hardware și softwarea sistemului WiTAG (numele noului senzor inteligent creat).


În primul capitol intitulat ”Stadiul actual al cercetărilor privind senzorii wireless” s-austudiat soluțiile actuale cu privire la monitorizarea și controlul echipamentelor și proceselorindustriale, cu precădere cele de încălzire. De asemenea, s-au analizat și soluțiile oferite dediverse firme ce realizează sisteme automatizate pentru îmbunătățirea proceselor industriale șiaccesarea acestora de la distanță.

Studiind aceste două direcții, s-au identificat elemente care să motiveze dezvoltarea unuisistem wireless inteligent, care să soluționeze probleme complexe de control cu resurse șidimensiuni reduse, dar având calitate ridicată.

Capitolul al –II – lea intinulat ”Construirea senzorului WiTAG. Aparate de măsură șicontrol” prezintă succesiunea etapelor care au dus la realizarea sistemului final. Pentru aceasta s-a lucrat pe două direcții, și anume realizare hard a sistemului și dezvoltare soft a unei interfețepentru utilizator.

În partea aferentă realizării hard sunt prezentate câteva scheme prototipate pe platformaNI – ELVIS care au dus la conturarea calităților produsului final ce avea drept scopmonitorizarea și controlul proceselor de încălzire, utilizând instrumente de măsură externe. Laîndeplinirea acestei cerințe a fost necesară și dezvoltarea unei interfețe soft. Pentru aceasta s -autilizat mediul de programare grafică LabVIEW.

Capitolul III prezintă ”Modelarea matematică a semnalelor senzorilor de tipul WiTAG”având în vedere faptul că orice sistem este supus activității factorilor externi care îi pot afectafuncționalitatea. Pentru aceasta s-au studiat câteva probleme ce ar putea afecta calitateasemnalelor provenite de la senzorul WiTAG și pentru obținerea unor rezultate cât mai bune s-aales optimizarea pierderilor de cale în cazul transferului de informații, utilizând algoritmiigenetici.

Algoritmii genetici reprezintă o structură foarte des utilizată în optimizarea funcțiilormatematice pentru care se impune abordarea statistică. Utilizând această tehnică în etapesuccesive se îmbunătățesc rezultatele, obținându-se astfel prin mai multe iterații o valoare care săcertifice o rezolvare realistă - probabilistică a problemei.

”Monitorizarea temperaturii cuptorului folosind senzorul WiTAG” reprezintă titlul celuide al – IV – lea capitol, în care sunt prezentate trei scheme de monitorizare a temperaturii, atâtsub formă fizică cât și software. În cadrul aestor scheme sunt utilizate două metode de măsurafolosind medii de comunicare distincte și anume, metoda cablată și cea wireless.

Ultimul capitol se intitulează ”Controlul temperaturii cu senzorul WiTAG la cuptoareleelectrice” și prezintă modul de reglare al temperaturii utilizănd sistemul WiTAG și interfața softdezvoltată. Pentru reglare sunt evidențiate cele trei tipuri principale utilizate și în varianteletradiționale: P – proporțional, PI – proporțional integral și PID – proporțional integral derivativ.Astfel s-a putut observa că utilizând controlul wireless nu este afectată calitatea procesului.

În final sunt prezentate concluziile finale cu privire la sistemul ce face subiectul lucrăriiprecum și cuantificarea contribuțiilor originale ale autorului și a activității de diseminare.

CAPITOLUL 1STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND SENZORII WIRELESS

Prin studiul documentar se dorește determinarea gradului de tehnologizarea alechipamentelor și proceselor de încălzire, acesta fiind punctul de plecare în adaptarea senzorilorwireless în realizarea de sisteme complexe, ieftine și ușor de manevrat pentru monitorizare șicontrol de parametrilor în general și de temperatură în special.

1.1. Echipamente aferente procesului de încălzire și scheme clasice de reglaj a temperaturiiutilizate în industrie

Atunci când vorbim despre procese industriale precum încălzire, topire, termoconectare,sudare sau uscare, etc., vorbim și de echipamentele care susțin aceste procese. Fiecărui proces în


parte îi corespunde un anumit echipament sau echipamente în funcție de complexitate. În cazulproceselor de încălzire, echipamentul central îl reprezintă cuptorul, care în funcție de modul deutilizare poate fi de mai multe tipuri.

O primă clasificare a cuptoarelelor utilizate pentru încălzire este [54], [79]: Cuptoare pentru secțiile de turnătorie – cuptoare electrice cu arc sau cu inducție; Cuptoare de încălzire la laminare; Cuptoare de încălzire pentru forjare; Cuptoare pentru tratamente termice și termochimice.

Pentru îndeplinirea cu succes a unui proces de încălzire trebuie să se țină seama și deparametri aferenți. Păstrarea în limitele de siguranță a valorii parametrilor tehnologici, reprezintăcondiția esențială în ducerea la bun sfârșit a încălzirii și realizarea produsului final în condițiioptime.

Controlul și reglarea parametrilor [80] în timpul funcționării cuptorului se realizează cuajutorul unor aparate și dispozitive specializate, electrice și mecanice, dispuse în cadrul uneibucle de reglare.

Complexitatea buclei de reglare este dată de complexitatea procesului tehnologic [65] lacare se face referire, de precizia cerută pentru parametrul ce trebuie reglat și de formaconstructivă a cuptorului. De aceea la proiectarea unei bucle de reglare optime, trebuie analizatăcomportarea cuptorului atât în regim staționar cât și tranzitoriu, și ridicarea experimentală acurbei sale indiciale.

Forma generală a unei bucle de reglare este prezentată în figura 1, [36]. Astfel, în cadrulunui proces se realizează reglarea unui parametru tehnologic măsurat cu un senzor (traductor) șicompararea cu valoarea prescrisă de elementul de comparație care, în funcție de abatereaexistentă între cele două mărimi repetă ciclul până când mărimea reglată are valoarea prescrisăcu care se dă comanda elementului de execuție.

Fig. 1 Schema bloc a unui proces de reglare

În funcţie de sistemul utilizat, de caracteristicile acestuia şi de performanţele sale, se potutiliza diverse scheme de control ale diverselor procese industriale. În cazul reglajului detemperatură trebuie ţinut cont de echipamentul industrial folosit [2], [52], [66], în cazul prezentde tipul cuptorului şi modul în care se doreşte să se realizeze comanda. Următoarele paragrafevor exemplifica câteva dintre aceste aspecte.

1.2. Reglarea și monitorizarea parametrilor în general și a temperaturii în special

Pentru realizarea corectă a modificărilor fizico – chimice ale materialelor supuseproceselor de încălzire trebuie menținute anumite valori ale parametrilor de lucru aiechipamentului, cum ar fi: temperatura, presiunea, compoziția chimică a atmosferei, etc.

Dintre parametrii mai sus amintiți, monitorizarea și controlul temperaturii constitue unobiectiv de o deosebită importanță, deoarece transformările în stare solidă sunt pretențioase în ceprivește menținerea unei anumite valori a temperaturii într-un anumit interval, cu o anumităprecizie. Reglajul automat al cuptoarelor industriale a determinat creșterea nivelului lor decomplexitate, tocmai din cauza exigențelor sporite incluse în proces [3], [13].

Semnalde

intrare Elementcomparator Regulator ProcesConvertor

Elementexecuție

Adaptor Traductor

Semnalde

ieșire

Semnalde

intrare


În primă instanță, pentru realizarea controlului temperaturii unei instalații de încălzire, încazul de față un cuptor electric, trebuie să se țină seama de caracteristicile statice și dinamice aleacestuia. Cele mai importante mărimi ce trebuiesc avute în vedere sunt:

Tmc – timpul mort al cuptorului, adică intervalul de timp de-a lungul căruia acestanu reacționează la variația mărimii de intrare [s];

Tc – constanta de timp, reprezintă perioada de timp în care cuptorul trece dintr-ostare staționară în alta, ca urmare a variației mărimii de intrare [s];

Kc – factorul de amplificare, reprezintă raportul dintre valoarea mărimii de ieșireîn regim staționar și valoarea mărimii de intrare.

Sunt cazuri în care se folosește și raportul .Datorită faptului că procesul de încălzire este, în general, unul lent, atunci ordinul de

mărime pentru Tmc este de 10 – 102 secunde iar pentru Tc ordinul de mărime este 102 – 103

secunde. Raportul dintre cei doi timpi este în general subunitar.Curba de răspuns precum și cea de reglare în care sunt evidențiați parametrii mai sus

amintiți este prezentata în figura 8.

Fig. 8 Curba teoretică de răspuns la variația treaptă a temperaturii într-un cuptor electric

Având în vedere că se dorește obținerea unei abateri dinamice maxime, cu o valoare câtmai mică, aceasta este calculată pentru fiecare tip de reglare în parte, pentru trei regimuridistincte: P – proporțional, PI – proporțional integral, PID – proporțional integral derivat, acestetrei regimuri de reglare fiind cel mai des întâlnite în cazul instalațiilor industriale de încălzire(vezi figura 9) [22], [35]

.

Fig.9 Cubele teoretice ale coeficienților regimurilor de reglare

Ecuația caracteristică PID este următoarea:( 1. )

unde: u(t) – reprezintă semnalul de control;

0Timp

Amplitudine

offset

Kp (P)

Ki (I)Kd (D)


e(t) – eroarea procesului;Kp,Ki, Kd – reprezință coeficienții PID aferenți fiecărui regim în parte.

Eroarea procesului, reprezintă diferența dintre valoarea setată și valoarea de ieșire aprocesului.

În cazul regimului P – proporțional, ecuația caracteristică este( 2. )

unde: Kp se numește coeficient de proporționalitate.Semnalul de control în acest caz este proporțional cu eroarea.În cazul regimului I – integral, ecuația caracteristică este

( 3. )unde: Ki reprezintă coeficientul de integrare.

( 4. )iar Ti reprezintă timpul de integrare.

În cazul regimului D – derivativ, ecuația caracteristică este( 5. )

unde: Kd reprezintă coeficientul de derivabilitate.( 6. )

iar Td reprezintă timpul de derivare.Calculul coeficienților cuptorului în funcție de tipul de reglare este prezentat în tabelul 1.

Tabel 1 – Calculul coeficienților PID - teorieTipul de reglare Kp Ti Td

P Tc / Tmc. 0 0PI 0,9* Tc / Tmc. Tmc / 0,3 0PID 1,2 *|Tc / Tmc.. 2 Tmc Tmc / 2

1.3. Tehnologia wireless. Stadiul actual pe mai multe domenii

Transmiterea datelor utilizănd tehnologia wireless datează de aproape un secol, dar aînceput să se răspândească și să devină mai cunoscută cu precădere în ultimii 20-30 de ani. Înmomentul de față, domeniul comunicaţiilor wireless este unul dintre segmentele cu cea mairapidă creştere din industria telecomunicaţiilor [71], [73].

1.3.6. Senzori wireless

Senzorii, la modul general, [7], [46], [57] reprezintă dispozitive care detectează oschimbare într-un stimul fizic pe care o transformă într-un semnal care să poată fi măsurat sauînregistrat. În funcție de domeniul de utilizare și de complexitatea funcțională senzorii suntîmpărțiți în mai multe categorii.

Particularitetea senzorilor wireless o reprezintă combinarea celor trei elemente principalecare-i compun, și anume:

traductorul de măsură propriu zis (termocuplu, termorezistență, etc.); inteligență (componenta hardware care poate lua decizii în funcție de

instrucțiunile avute în memorie); comunicația (sistemul de transmisie – recepție wireless).

Schema bloc a unui astfel de senzor este prezentată în figura 15.


Fig. 15 Schema bloc a unui sensor wireless

Așa cum se poate observa și din figură, senzorul este controlat de un microprocesor. Înacest mod este capabil să asimileze cantităţi mari de date, să ia decizii autonome şi astfel săacţioneze în mod adecvat pentru a-și atinge obiectivele în orice mediu, chiar dacă acesta esteîntr-o continuă schimbare.

În general, senzorii wireless sunt sisteme de dimensiuni reduse utilizate pe scară largă îninstrumente de măsură. Unii dintre aceşti senzori sunt fabricaţi cu ajutorul unor tehnologii foartenoi și avansate cum ar fi cea a reţelelor neuronale sau logica Fuzzy deținând chiar şi software -ulîncorporat pe chip.

ConcluziiSistemele de măsurare a temperaturii utilizate în momentul de față pe piață [94], [95], [98],

[101], drept sisteme wireless nu sunt în totalitate wireless. Comunicația wireless se realizeazăîntr-un punctul de centralizare al informațiilor de măsură și eventual procesare al acestora șisistemul final, adică PC-ul utilizatorului. Legătura dintre instrumentul / instrumentele de măsurăși sistemul ce urmează a fi monitorizat și controlat se realizează cablat, la fel ca și legătura cusistemul de centralizare al datelor.

O astfel de structură este completată în prezenta lucrare cu conceptul unui senzor detemperatură wireless, cu inteligență înglobată, de dimensiuni reduse, cu autonomie energetică de3 - 5 ani, accesibil și controlabil pe Internet.

1.4. Concluzii

Principalele calități care rezultă din implementarea sistemelor automatizate sunt: obiectivitatea controlului şi comenzii; centralizarea comenzii grupelor de maşini şi agregate sau a unor întregi sisteme de

producţie, practic fără limitarea distanţei; realizarea cu precizie a procesului de producţie prescris cu indici calitativi şi

cantitativi optimi; comanda proceselor la orice viteză de desfăşurare a acestora şi pentru orice

valoare a parametrilor procesului; siguranţa şi securitatea funcţionării agregatelor; eficienţa economică ridicată, legată de creşterea productivităţii muncii, economia de

materie primă, de combustibil, de materiale, ridicarea calităţii şi micşorarea preţuluide cost al producţiei, precum şi reducerea personalului de deservire.

Toate schemele de reglare prezentate anterior, la care se pot adăuga multe alte variante,pot fi automatizate fără ca principiile de bază să se modifice, și astfel pot fi convertite în schemede reglare cu senzori wireless. Această tehnologie modernă nu schimbă principiile achizițieimărimilor ce se reglează, ci modifică modul de comunicare, simplificând mult parteaconstructivă a automatizării și adăugând sistemelor un principiu nou de lucru numit ”REMOTECONTROL” în ”REMOTE ENGINEERING” cu folosirea ”INSTRUMENTAȚIE VIRTUALĂ”.

Condiționatorde semnal

Convertoranalog / digital

Procesor

Senzor

Antenă

Date de ieșire

Date deintrareControl

senzor

ControlControlcâștig

Program


1.5. Obiectivele cercetării

1. Introducerea conceptului de REMOTE CONTROL – la proiectarea senzorului wirelessinteligent;

2. Proiectarea unei structuri originale de senzor wireless prin prototipare electronică rapidăpe sistemul educațional NI – ELVIS;

3. Realizarea modelului funcțional al senzorului WiTAG pentru monitorizarea și controlulde temperatură;

4. Stabilirea unui sistem de modelare, a semnalelor senzorului wireless, pentru optimizareafuncției sale obiectiv;

5. Monitorizarea temperaturii unui cuptor electric folosind senzorul construit, ca o primăaplicație practică de validare a soluției alese la nivel de laborator;

6. Monitorizarea temperaturii la echipamente industriale pentru validarea tehnologiei și aprelucrării semnalelor;

7. Controlul temperaturii cu senzorul WiTAG.

CAPITOLUL 2CONSTRUIREA SENZORULUI WITAG. APARATURĂ DE MĂSURĂ ȘI

CONTROL

Dezvoltarea unui produs final, funcțional, necesită efectuarea mai multor încercări.Pentru realizarea practică a unui senzor wireless de temperatură s-au efectuat mai multe montajeprototipate în deciderea variantei optime care să poată fi utilizată în domeniul industrial [60],[76].

Etapele aferente acestei dezvoltări hard precum și implementarea componentei soft, suntprezentate în subcapitolele ce urmează.

2.1. Prototipaj NI ELVIS pentru dezvoltarea modelului funcțional

Prima fază de dezvoltare a senzorului WiTAG a fost cea de prototipaj electronic, princare s-a realizat modelul funcțional.

Pentru prototipaj s-a folosit sistemul NI – ELVIS (National Instruments EducationalLaboratory Virtual Instrumentation Suit) [110] (pentru mai multe detali vezi Anexa 6) aflată îndotarea Laboratorului de creativitate [5], [37], [62]. NI – ELVIS, este un mediu de design,simulare și prototipaj bazat pe LabVIEW, creat pentru domeniul educațional, pentru satisfacereanevoilor de cercetare în inginerie. Acesta este format din baza de instrumente ELVIS, undispozitiv multifuncțional de achiziție de date și un calculator. Deoarece sistemul se bazează peLabVIEW oferă flexibilitatea necesară în dezvoltarea unui sistem complex de achiziție de date șiprototipaj.

Obiectivele urmărite în vederea realizării sistemului WiTAG sunt următoarele:1. Realizarea unui senzor inteligent atașat traductoarelor clasice de temperatură

pentru măsurarea temperaturii camerei;2. Crearea unei plăci de circuit de intrare de tensiune și / sau curent pentru

conectarea instrumentelor de măsurare a temperaturilor ridicate aferenteproceselor de încălzire (termocuplu, termorezistență);

3. Conectarea unui microcontroler pentru realizarea procesului de comandă asuprasenzorului de temperatură;

4. Conectarea unui sistem de transmisie – recepție wirelees pentru transferul datelorla distanță.

Pentru obiectivul 1 s-a realizat schema bloc prezentată în figura 19, unde R = 100 kΩ și C= 0,1 μF, iar AGND reprezintă legătura la pământare. Senzorul de temperatură LM35 (Anexa 1)


[106] este un senzor foarte des utilizat în dezvoltarea de scheme de măsură a temperaturii înintervalul 0 – 100 C̊, deoarece nu necesită nici un fel de calibrare externă, iar precizia fiind de +/-¼ ̊C la temperatura camerei.

Fig 19 Senzor de temperatură

Pusă pe placa matricială NI – ELVIS (figura 20 a.) schema a condus la următorul montajși rezultate măsurate cu instrumentația virtuală, utilizând soft-ul proprietar, NI – ELVISInstrument Launcher (figura 20 b.).

a.b.

Fig. 20 Prototipaj NI – ELVIS senzor temperatură 0 – 100 C̊a. Montaj practic de pe placa de prototipaj; b. Vizualizare semnale utilizând NI – ELVIS

Instrument Launcher

S-a observat un răspuns, un semnal prompt al senzorului la variațiile de temperatură,precum și o stabilitate în răspunsul acestuia îndiferent de acțiunea factorilor perturbatori externi.

Pentru îndeplinirea obiectivului 3, s-a completat schema anterioară cu circuitul de intrareîn tensiune cu două instrumente de măsură a temperaturii ce vor fi utilizate la procesul demonitorizare [89], [91], termocuplu de tip K și termorezistență PT 100, schemele rezultate suntprezentate în figura 24 a și b.

a. b.Fig. 24 Schema bloc a circuitului de intrare în tensiune

a. cu termocuplu; b. cu termorezistență


Montajele realizat pe NI – ELVIS pentru măsurarea temperaturii aferente schemelor blocdin figura 24 sunt prezentate în figura 25 pentru termocuplu și în figura 26 pentrutermorezistență.

a.b.

Fig.25 Montajul circuitului de măsură a temperaturii utilizând termocuplua. Montaj practic de pe placa de prototipaj; b. Vizualizare semnale utilizând NI – ELVIS

Instrument Launcher

Răspunsul obținut de la circuitul de tensiune prin conectarea celor două instrumente demăsură s-a dovedit a fi cel așteptat. Sistemul a sesizat variațiile de temperatură promt în ambelecazuri atât la temperaturi de până la 100 C̊ cât și la temperaturi de peste 500 ̊ C, temperaturispecifice proceselor de încălzire. Corectitudinea sistemului de măsură nu a fost influențatăconsiderabil de funcționalitatea diversor echipamente aflate în spațiul înconjurător.

a. b.Fig.26 Montajul circuitului de măsură a temperaturii utilizând termorezistență

a. Montaj practic de pe placa de prototipaj; b. Vizualizare semnale utilizând NI – ELVISInstrument Launcher

Pentru realizarea de măsurători utilizând placa de protiotipaj NI – ELVIS s-au utilizatinstrumentele virtuale.

În general, termenul de instrument virtual este utilizat atunci când se face referire la uninstrument de măsură sau de automatizare simulat printr-un program aflat în desfășurare pe uncalculator realizat pe baza unui software, a unui program de simulare şi a unui element hardware,compus din module de prelucrare a semnalelor şi plăci de achiziţie de date. Acestea înlocuiescinstrumentele de măsură clasice prezente în majoritatea laboratoarelor, fiind de sine stătătoare,ult mai flexibile, fiind astfel suficientă o modificare a programului pentru a reproduce un altinstrument, cu acelaşi sistem fizic care să răspundă la noi necesități funcționale.

Denumirea de instrument virtual a fost prezentată pentru prima oară la apariția primelorversiuni ale mediului de programare LabVIEW proprietar National Instruments. Acesta a foststrict dedicat pentru realizarea unor programe de monitorizare a proceselor. Programelerespective înlocuiau o serie de aparate şi instrumente electronice, primind, astfel, numele deInstrumente Virtuale.


Având în vedere cele prezentate anterior, în dezvoltarea componentei soft a lucrării s-autilizat mediul de programare LabVIEW.

2.2. Senzorul WiTAG – varianta industrială

Modelul funcțional proiectat nu putea fi realizat efectiv cu mijloacele avute la dispoziție,motiv pentru care s-a apelat la firma TAG4M [83] Statele Unite ale Americii care a avutamabilitatea să execute placa și circuitele electronice. Pentru aceasta îi mulțumim domnuluiMarius Ghercioiu, patronul firmei, pentru sprijinul acordat. Forma finală a sistemului [39], [59]este mai complexă decât modelul prototipat pe NI – ELVIS și înglobează o serie de caracteristicifizice și funcționale suplimentare, deoarece s-a folosit o placă de bază multifuncționalăprefabricată.

2.2.1. Dezvoltarea hardware a sistemului WiTAG

Din punct de vedere fizic, sistemul WiTAGare dimensiuni reduse (68 mm x 48 mm) pentru unsistem ce permite comunicație wireless și areîncorporat un procesor [82] RISC pe 32 bit careconţine IEEE 802.11 PHY, MAC şi motor decriptare a datelor, 128 Kbytes de memorie RAM şi512 Kbytes de memorie ROM precum și memorieexternă Flash (128 Kbytes EEPROM). Sistemul maieste prevăzut cu o antenă încorporată dar și unconector prin intermediul căruia se poate atașa oantenă externă. De asemenea prezintă o arhitecturăconfigurabilă datorită canalelor de intrare și ieșireanalogice și digitale (vezi figura 29).

Fig.29 Sistemul WiTAG – varianta industrială

De asemenea, pe lângă aceste caracteristici funcționale sistemul beneficiază și de ocomponentă software.

2.2.2. Software utilizat de sistemul WiTAG

Prin intermediul componentei software este definit modul de funcționare al WiTAG-uluiși al canalelor de intrare și ieșire analogice și digitale, precum și comunicarea dintre sistem șiAccess Point. Această componentă se numește firmware și este proprietatea firmei TAG4M. Prinamabilitatea patronului am avut dreptul de utilizare a acesteia pe parcursul încercărilor.

Interfațarea dintre utilizator și sistem s-a realizat prin dezvoltarea de aplicații LabVIEW.Pentru început au existat trei iconuri principale, unul care să vizeze calibrarea sistemului, unulcare definește toate funcționalitățile sistemului și unul care stabilește perioada de sleep asistemului.

Iconul ”WiTAG calibration” definește parametriifuncționali ai sistemului pentru fiecare intrare și ieșire,fie că aceasta este analogică sau digitală. Stabilește modul în care sealocă spațiul în memorie, unde și pentru cât timp se păstrează diverseinformații și modul în care se interpretează orice informație venită pefiecare canal în parte.

Iconul ”WiTAG functionality” conține toate informațiile despresistem. Cu ajutorul acestui icon utilizatorul poate dezvolta aplicații caresă utilizeze orice canal de intrare (A0, A1, A2) sau ieșire (DIO0, DIO1,


DIO2, DIO3) disponibil și poate afișa informații despre orice parametru (adresă MAC sau IP,valoarea bateriei, timpul de sleep, etc.). Iconul fiind considerat punctul de plecare în realizareaoricărui tip de aplicație.

Iconul ”WiTAG Sleep Time” prezintă modul în care serealizează comunicarea către și dinspre sistem în momentul încare se dorește schimbarea valorii intervalului de timp în careWiTAG-ul așteaptă până să mai realizeze o citire aparametrilor definiți de utilizator.

Cu ajutorul acestor iconuri și a aplicațiilor dezvoltate pe baza lor, se vor efectua diferitemăsurători utilizând capacitatea funcțională a sistemului [43]. În lucrare se vor prezentacapacitățile sistemului WiTAG pentru monitorizarea temperaturii, în capitolul 4, și pentrucontrolul proceselor de încălzire la un cuptor electric, în toate cele trei maniere cunoscute înpractică: P (proporțional), PI (proporțional - integral) și PID (proporțional – integral –diferențial), în capitolul 5.

2.4. Concluzii

Realizarea circuitelor pe placa de prototipaj NI – ELVIS, împreună cu dezvoltareacomponentei soft a contribuit la realizarea unei forme finale a sistemului WiTAG. Acesta va fiutilizat pentru efectuarea de măsurători de temperatură în vederea monitorizării și controluluiunui cuptor electric.

CAPITOLUL 3MODELAREA MATEMATICĂ A SEMNALELOR SENZORILOR DE TIPUL

WITAG

În electronică, dar și la modul general, un semnal reprezintă o mărime ce variază în timpși spațiu, fie că aceasta este mărime fizică măsurabilă sau informație. Asupra semnalelor cetransmit informația utilă, într-un sistem precum cel în care este utilizat WiTAG-ul, acționeză oserie de factori (de natură fizică, umană, etc.) care le pot modifica forma [44], [55], [96], [116].Pentru o bună funcționare a sistemului WiTAG s-au analizat diverse elemente care ar putea să-iperturbe funcționalitatea [11], analiza acestora fiind prezentată pe larg în subcapitolele ceurmează.

3.2. Optimizarea funcției obiectiv folosind algoritmi genetici

Algoritmii genetici [8], [10], [21], [25], [53], [72] sunt algoritmi de căutare evolutivă,proiectați în scopul identificării de soluții aproximative ale problemelor dificile, prin aplicareaprincipiilor derivate din biologia evolutivă – moștenirea, mutația, selecția naturală șiîncrucișarea. Cu ajutorul acestora se poate realiza un algoritm de optimizare a modului defuncționare al unui sistem aleator, mai ales dacă acesta poate fi definit sub formă matematică.Este dificil să optimizezi fenomene aleatoare, ca cel de emisie – recepție în spații închise, undereflexiile, ecranările variabile sau interferențele nu pot fi descrise matematic determinist.Algoritmii genetici, sunt un instrument de optimizare pentru astfel de procese, care în final,apreciază probabilitatea de atragere a soluției convenabile [27], [64].

În cazul de față, s -au utilizat algoritmii genetici în vederea optimizării unei funcțiimatematice, ce vizează pierderea semnalului în cazul comunicației wireless. S-a ales această


funcție, deoarece este important de determinat distanța cea mai mare care să permită o bunăcomunicare între sistemul WiTAG și Acces Point.

Pentru rezolvarea acestei probleme de optimizare s-a pornit de la funcția obiectiv

și s-au respectat cele patru faze ale ciclului de funcționare al algoritmilor

genetici, faze ilustrate în figura 34.

Fig.34 Ciclul de optimizare cu algoritmi genetici

După verificarea funcționalității modelului de calcul manual s -a trecut la dezvoltarea unorexperimente mai complexe, unde s-au considerat distanțele reale posibile fizic. În acest cazpopulația a fost formată dintr -un număr de 50 de cromozomi codați pe 7 biți. Valoarea zecimalăa cromozomilor reprezintă valoarea distanței luate în calcul, cu valori din doi în doi. S-a merspână la o distanță de 98 m. deoarece 100 m. reprezintă maximul distanței până la care se poatetransmite informația wireless utilizînd echipamentele avute în experiment în cazul studiat. Astfelvalorile cromozomilor precum și calculele aferente fazei de selecție sunt prezentate în tabelul 9.

Tabel 2 – Model extins de algoritmi genetici

Simbol StringValoare(zecimală)

FuncțiePL(Ci)

Probabilitățide selecție pi

Probabilitateacumulată

Generare nr.aleatoare

C1 1 1 63,39 0,30868 0,30868 0,051469C2 10 2 31,695 0,15434 0,46302 0,562828C3 100 4 15,8475 0,07717 0,54019 0,985159C4 110 6 10,565 0,051447 0,591636 0,979943C5 1000 8 7,923749 0,038585 0,630221 0,009986C6 1010 10 6,339 0,030868 0,661089 0,296004C7 1100 12 5,2825 0,025723 0,686813 0,437969C8 1110 14 4,527857 0,022049 0,708861 0,530144C9 10000 16 3,961875 0,019292 0,728154 0,444433C10 10010 18 3,521666 0,017149 0,745303 0,497251C11 10100 20 3,1695 0,015434 0,760737 0,363040C12 10110 22 2,881363 0,014031 0,774767 0,844788C13 11000 24 2,64125 0,012862 0,787629 0,251463C14 11010 26 2,438077 0,011872 0,799501 0,345668C15 11100 28 2,263928 0,011024 0,810526 0,697772

Mutație

Abandon

Populație

Selecție

Încrucișare


C16 11110 30 2,113 0,010289 0,820815 0,814526C17 100000 32 1,980937 0,009646 0,830461 0,215745C18 100010 34 1,864412 0,009079 0,83954 0,286564C19 100100 36 1,760833 0,008574 0,848115 0,597397C20 100110 38 1,668158 0,008123 0,856238 0,919327C21 101000 40 1,58475 0,007717 0,863955 0,020203C22 101010 42 1,509286 0,00735 0,871304 0,122415C23 101100 44 1,440682 0,007015 0,87832 0,438227C24 101110 46 1,378043 0,00671 0,88503 0,077538C25 110000 48 1,320625 0,006431 0,891461 0,423273C26 110010 50 1,2678 0,006174 0,897634 0,189557C27 110100 52 1,219038 0,005936 0,903571 0,019024C28 110110 54 1,173889 0,005716 0,909287 0,532118C29 111000 56 1,131964 0,005512 0,914799 0,507797C30 111010 58 1,092931 0,005322 0,920121 0,185441C31 111100 60 1,0565 0,005145 0,925266 0,126932C32 111110 62 1,022419 0,004979 0,930245 0,563100C33 1000000 64 0,990469 0,004823 0,935068 0,173909C34 1000010 66 0,960454 0,004677 0,939745 0,753000C35 1000100 68 0,932206 0,004539 0,944284 0,962133C36 1000110 70 0,905571 0,00441 0,948694 0,855691C37 1001000 72 0,880417 0,004287 0,952981 0,744759C38 1001010 74 0,856622 0,004171 0,957152 0,771487C39 1001100 76 0,834079 0,004062 0,961214 0,367871C40 1001110 78 0,812692 0,003957 0,965171 0,351869C41 1010000 80 0,792375 0,003858 0,96903 0,281167C42 1010010 82 0,773049 0,003764 0,972794 0,579916C43 1010100 84 0,754643 0,003675 0,976469 0,879198C44 1010110 86 0,737093 0,003589 0,980058 0,900268C45 1011000 88 0,720341 0,003508 0,983566 0,323266C46 1011010 90 0,704333 0,00343 0,986996 0,069095C47 1011100 92 0,689022 0,003355 0,990351 0,310509C48 1011110 94 0,674362 0,003284 0,993635 0,828582C49 1100000 96 0,660312 0,003215 0,99685 0,910334C50 1100010 98 0,646837 0,00315 1 0,003029

sumafuncției 205,3584

La finalul fazei de selecție, forma noii populații arată astfel:C3 – 4 C20 – 10 C43 – 3


C4 – 2 C28 – 1 C44 - 2C6 – 1 C34 - 1 C48 – 2C9 – 1 C35 - 1 C49 – 1C12 – 1 C36 - 1 C50 – 1C15 - 2 C37 - 1C16 - 1 C38 - 4C19 - 1 C42 - 1

unde se poate observa că din cei 50 de cromozomi distincți au mai rămas doar 21. Cel maireprezentativ cromozom este C20 întâlnit de 10 ori, urmat de C3 și C38 întâlniți de câte 4 orifiecare, C43, C15 întâlniți de câte 3 ori fiecare și C44 și C48 întâlniți de câte 2 ori fiecare, iar ceilalțicromozomi fiind întâlniți doar câte o singură dată. Aceștea sunt cromozomii care vor intra înprocesul de încrucișare.

După procesul de încrucișare, proces în cadrul căruia s-a păstrat valoarea probabilității deîncrucișare pc=0,25 au mai rămas în calcul doar cromozomii C'6, C'7, C'13, C'19, C'21, C'22, C'27,C'32, C'39, C'44 a căror probabilitate a fost mai mică decât pc.

În urma încrucișării perechilor de cromozomi în punctel e stabilite individual în intervalul[0, 7] s-au obținut următoarele rezultate:

poziția 2 pentru perechea de cromozomi C'6 - C'7 și rezultă cromozomii C19 și C19, poziția 3 pentru perechea de cromozomi C'13 - C'19 și rezultă cromozomii C36 și

C14, poziția 4 pentru perechea de cromozomi C'21 - C'22 și rezultă cromozomii C36 și



C20.Acești cromozomi intră în faza următoare, a procesului de mutație. Pentru ei s-au calculat

noile probabilități de selecție aferente populației, urmând ca valoare acestora să respecte condițiaprocesului de mutație. Și în acest caz probabilitatea procesului de mutație s-a păstrat la 0,06.

Cromozomii intrați în procesul de mutație precum și rezultatele obținute sunt afișate întabelul 10. Punctul în care s-a realizat operația de mutație este în acest caz 5, inclus în intervalul[0, 7].

Tabel 3 – Mutație pentru modelul extinsSimbol dupăîncrucișare String

String dupămutație

Simbol dupămutație

C’1 = C6 0001010 0001110 C8C'2 = C9 0010000 0010100 C11C'3 = C28 0110110 0110010 C26C'4 = C42 1010010 1010110 C44C'5 = C19 0100100 0100000 C17C'6 = C19 0100100 0100000 C17C'7 = C19 0100100 0100000 C17C'8 = C15 0011100 0011000 C13C'9 = C15 0011100 0011000 C13


C'10 = C37 1001000 1001100 C39C'11 = C34 1000010 1000110 C36C'12 = C38 1001010 1001110 C40C'13 = C36 1000110 1000010 C34C'14 = C38 1001010 1001110 C40C'15 = C38 1001010 1001110 C40C'16 = C16 0011110 0011010 C14C'17 = C48 1011110 1011010 C46C'18 = C48 1011110 1011010 C46C'19 = C14 0011010 0011110 C16C'20 = C36 1000110 1000010 C34C'21 = C36 1000110 1000010 C34C'22 = C36 1000110 1000010 C34C'23 = C36 1000110 1000010 C34C'24 = C43 1010100 1010000 C41C'25 = C43 1010100 1010000 C41C'26 = C43 1010100 1010000 C41C'27 = C36 1000110 1000010 C34C'28 = C44 1010110 1010010 C42C'30 = C20 0100110 0100010 C18C'31 = C20 0100110 0100010 C18C'32 =C28 0110110 0110010 C18C'33 = C20 0100110 0100010 C18C'34 = C20 0100110 0100010 C18C'35 =C20 0100110 0100010 C18C'36 = C20 0100110 0100010 C18C'37 = C20 0100110 0100010 C18C'38 = C20 0100110 0100010 C18C'39 = C20 0100110 0100110 C18C'40 = C35 1000100 1000000 C33C'41 = C35 1000100 1000000 C33C'42 = C35 1000100 1000000 C33C'43 = C35 1000100 1000000 C33

Astfel, la finalizarea primului ciclu complet rezultă următoarea serie de cromozomi:C3 2 C33 4C4 4 C34 6C8 1 C36 1C11 1 C39 1C13 2 C40 3


C14 1 C41 3C16 1 C42 1C17 3 C44 1C18 10 C46 2

Se poate observa că, în urma operațiilor efectuate au mai rămas doar 19 tipuri decromozomi din cei 50 avuți ințial, cel mai des întâlniți sunt C18 de câte 10 ori; C34 de câte 6 ori;C3 și C33 de câte 4 ori fiecare; C17, C40 și C41 de câte 3 ori fiecare, C3, C13 și C 46 de 2 orifiecare, iar restul de cromozomi rămași apar doar o singură dată.

Având în vedere că până în momentul de față nici un cromozom nu se desprindesemnificativ de ceilalți, procedeul va continua cu un nou ciclu, populația inițială fiind cearezultată în urma primului ciclu, și este reprezentată confo rm prezentării din tabelul 11.

Tabel 4 – Recalcularea modelului extins ciclul doiSimbol dupăprimul ciclu Simbol String

Probabilitatede selectie

Probabilitatecumulata

Generatornumere aleatoare

C’’’1 C8 1110 4,527857 0,03078 0,253575C’’’2 C11 10100 3,1695 0,021546 0,060566C’’’3 C26 110010 1,2678 0,008618 0,662723C’’’4 C44 1010110 0,737093 0,005011 0,021936C’’’5 C17 100000 1,980937 0,013466 0,36367C’’’6 C17 100000 1,980937 0,013466 0,132022C’’’7 C17 100000 1,980937 0,013466 0,621652C’’’8 C13 11000 2,64125 0,017955 0,107347C’’’9 C13 11000 2,64125 0,017955 0,499569C’’’10 C39 1001100 0,834079 0,00567 0,519041C’’’11 C36 1000110 0,905571 0,006156 0,294569C’’’12 C40 1001110 0,812692 0,005525 0,820188C’’’13 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,898037C’’’14 C40 1001110 0,812692 0,005525 0,573855C’’’15 C40 1001110 0,812692 0,005525 0,822338C’’’16 C14 11010 2,438077 0,016574 0,203908C’’’17 C46 1011010 0,704333 0,004788 0,047965C’’’18 C46 1011010 0,704333 0,004788 0,232878C’’’19 C16 11110 2,113 0,014364 0,935835C’’’20 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,401912C’’’21 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,644505C’’’22 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,328875C’’’23 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,060835C’’’24 C41 1010000 0,792375 0,005386 0,703918C’’’25 C41 1010000 0,792375 0,005386 0,732792C’’’26 C41 1010000 0,792375 0,005386 0,158234C’’’27 C34 1000010 0,960454 0,006529 0,399038


C’’’28 C42 1010010 0,773049 0,005255 0,366373C’’’30 C18 100010 1,864412 0,012674 0,153428C’’’31 C18 100010 1,864412 0,012674 0,523164C’’’32 C18 110010 1,864412 0,012674 0,092021C’’’33 C18 100010 1,864412 0,012674 0,700378C’’’34 C18 100010 1,864412 0,012674 0,13866C’’’35 C18 100010 1,864412 0,012674 0,376674C’’’36 C18 100010 1,864412 0,012674 0,240247C’’’37 C18 100010 1,864412 0,012674 0,494098C’’’38 C18 100010 1,864412 0,012674 0,71172C’’’39 C18 100110 1,864412 0,012674 0,730489C’’’40 C33 1000000 0,990469 0,006733 0,964489C’’’41 C33 1000000 0,990469 0,006733 0,36986C’’’42 C33 1000000 0,990469 0,006733 0,465257C’’’43 C33 1000000 0,990469 0,006733 0,628861C’’’44 C4 110 10,565 0,07182 0,356169C’’’45 C4 110 10,565 0,07182 0,101631C’’’46 C3 100 15,8475 0,10773 0,147216C’’’47 C3 100 15,8475 0,10773 0,046681C’’’48 C3 100 15,8475 0,10773 0,140567C’’’49 C3 100 15,8475 0,10773 0,63729

suma totala 147,1039

După acest prim pas de comparare ce marchează finalul fazei de selecție, rezultăurmătorii noi cromozomi dintre care C46,corespunzător distanței de 90 m., se desprine dominantcu un procent de 75% aferent unui număr de 36 de repetări.

În continuare perechile de cromozomi ce participă la procesul de încrucișare, precum șipoziția la care are loc interschimbarea sunt următoarele:

poziția 4 pentru perechea de cromozomi C44 și C46 și rezultă cromozomii C46 șiC44




poziția 4 pentru perechea de cromozomi C46 și C34 și rezultă cromozomii C42 șiC38.

În continuare, în cadrul procesului de mutație intră doar cromozomii care îndeplinesccondiția ce caracterizează acest proces . Astfel cromozomii participanți precum și cei noi obținuțisunt prezentați în tabelul 12, pentru aceasta s-a ales poziția de interschimbare 2.

Tabel 5 – Mutațiea modelului extins ciclul doi


Simbol dupăîncrucișare

String dupăîncrucișare

String dupămutație

Simbol dupămutație

C18 0100010 0110010 C26C22 0101010 0111010 C30C34 1000010 1010010 C42C38 1001010 1011010 C46C42 1010010 1000010 C34C44 1010110 1000110 C36C46 1011010 1001010 C38

Se poate observa că nici acum, la finalul celui de-al doilea ciclu nu s-a ajuns la un rezultatpromițător, cromozomii finali și numărul de repetări fiind prezentate în tabelul 13.

Tabel 6 – Rezultatul final al modelului extinsCromozomifinali

Număr derepetări

C26 7C30 1C42 1C46 1C34 2C36 2C38 34

Componenta dominantă de această dată este reprezentată de cromozomul C38,corespunzător distanței de 74 m., cu procentul de dominație de 68% care nu este nici de aceastădată satisfăcător, fiind necesare mai multe cicluri de selecție, încrucișare și mutație.

Astfel, urmând metodica prezentată anterior s-au mai realizat încă 20 de cicluri. Laacestea s-au obținut rezultate destul de apropiate ca valori ale distanțelor, ele fiind între 74 –82m.. Cromozomul care s-a dovedit ca dominant a fost C42, corespunzător distanței de 82m [40].

Pentru verificarea rezultatelor obținute prin calculul manual s-a trecut la dezvoltarea uneiaplicații care să poată soluționa în mod automat această problemă. S-a studiat literatura despecialitate și s-a observat că majoritatea aplicațiilor ce privesc optimizarea de funcții cu ajutorulalgoritmilor genetici, sunt dezvoltate în Matlab. si s-a trecut la dezvoltarea unui astfel deprogram. În acest caz s-a pornit de la un caz simplist, trecând treptat către un model cât maicomplex.

Aplicația dezvoltată în Matlab [17], [19], [47], [77], [99], s-a realizat urmărindsuccesiunea fazelor ciclului algoritmilor genetici prin care s-a putut verifica mai ușor exactitateacalculelor efectuate manual, cu toate că generarea numerelor aleatoare este independentă și sepot crea restricții. În acest mod s-au efectuat peste 100 de cicluri, care au avut drept populațieinițială, populația prezentată anterior formată din 50 de cromozomi codați pe 7 biți. Și în acestcaz cel mai des întâlnit rezultat a fost reprezentat de cromozomul C42.


3.3. Concluzii

Rezultatele obținute prin calcul manual, precum și cele obținute prin calcul automatutilizând diferite aplicații, au fost aproximativ asemănătoare atât pentru modelul restrâns de testcât și pentru varianta extinsă.

Luând în calcul cele prezentate anterior, în acest moment s-a putut trage concluziaconform căreia cromozomul C42, corespunzător distanței de 82 m. reprezintă valoarea optimă adistanței dintre cele două echipamente wireless, în condițiile de lucru din hala de galvanizare dela S.C. IAR S.A:

Deci, cea mai mare distanță dintre sistemul WiTAG și Acces Point este de 82m.

CAPITOLUL 4MONITORIZAREA TEMPERATURII CUPTORULUI FOLOSIND SENZORUL

WITAG

Monitorizarea reprezintă procesul de supraveghere a unui echipament, proces saupersoană prin intermediul unui calculator sau chiar a unor aparate dedicate pentru astfel deoperațiuni. În cazul lucrării, pentru monitorizarea temperaturii unui cuptor electric, s-aucomparat două modele de comunicare, unul cu cablare a senzorilor de temperatură iar cel de-aldoilea cu legătura dintre senzor și aparatul de măsură wirelees, realizată cu sistemul creat înlucrare, WiTAG [12], [41], [42], [69].

4.2. Instrument virtual pentru monitorizare – aplicație LabVIEW

4.2.1. Interfață soft pentru monitorizarea temperaturii utilizând modulul BNC conectat la oplaca de achiziție AT – MIO 16E1 și termocuplu

Pentru primul montaj, acela care utilizează conectrorul BNC și termocuplul pentrumonitorizarea temperaturii, interfața utilizator este prezentată în figura 36.

a. b.Fig.36 Front panel monitorizare temperatură utilizând modulul BNC conectat la o placă de

achiziție AT – MIO 16E1 și termocuplua. Cu palier de temperatură; b. Cu încălzire și răcire.

În interiorul interfeței utilizatorul poate realiza mai multe setări. Astfel, poate interveniasupra mărimilor de intrare și anume:

Limita superioară de temperatură, reprezentată în grade Celsius; Limita inferioară de temperatură, reprezentată în grade Celsius;


Intervalul de timp în care să se realizeze măsurătorile, reprezentat în secunde.Mărimile de ieșire corespunzătoare celor de intrare, sunt afișate pe un indicator grafic,

având drept coordonate temperatura în funcție de timp.De asemenea mai există un buton ”Salvare date” prin intermediul căruia utilizatorul poate

decide când să salveze datele măsurate într-o bază de date. Atunci când butonul are culoarearoșie și apare afișat textul ” Nu se salvează date”, utilizatorul poate doar vizualiza măsurătorile.Locul în care acestea vor fi stocate poate fi stabilit de către utilizator prin indicarea căii în căsuțaaferenta ”Filename”. Structura unui astfel de fișier are două ferestre așa cum se poate observa înfigura 39 a. și b., și anume:

O fereastră tip antet ce conține informații generale cu privire la măsurătoare,precum: data și ora când s-a efectuat măsurătoarea, limitele de temperatură,lungimea fișierului, numărul de măsurători înregistrate, etc.;

O fereastră ce conține datele înregistrate efectiv de-a lungul măsurătorilor precumși ora la care acestea au fost culese. .

Diagrama aplicației (figura 37) are trei pași, din momentul în care sunt preluate datele șipână acestea sunt salvate în fișier. Pentru început (pasul 1) se achiziționează datele cu ajutorulDAQ Assistent-ului din LabVIEW, acesta fiind setat să efectueze măsurători de temperatură, pecanalul analogic 1 (unde este conectat termocuplu) cu un termocuplu de tip K. Aceste date sunttrecute printr-un bloc statistic pentru realizarea medierii măsurătorilor, având în vedere că s-aales un eșantion de 1000 de măsurători pe secundă. Valoarea astfel obținută va fi afișată cătreutilizator sub forma de ”Temperatură Curentă”. La pasul 2, cu ajutorul iconului ”Mask and LimitTesting” se stabilesc limitele superioare și inferioare de temperatură, acestea fiind vizualizate deutilizator în ferestrele ”Limita Superioară de Temperatură” și ”Limită inferioară deTemperatură”. Pasul 3 reprezină scrierea datelor în fișier și salvarea acestora în baza de date.Pentru aceasta s-a folosit iconul ”Write to Measurement File” care acceptă date dinamice și prinintermediul căruia putem stabili locația de salvare a datelor, numele acesteia și formatul în caredatele sunt salvate, se poate realiza și un antet personalizat care să conțină informații relevante înmomentul citirii (momentul în care s-a realizat măsurătoarea, sistemul care a efectuat-o, numeleutilizatorului).

Fig.37 Diagramă pentru monitorizarea temperaturii utilizând modulul BNC conectat la o placade achiziție AT – MIO 16E1 și termocuplu

Pentru citirea datelor salvate la monitorizarea temperaturii, utilizănd aplicația cu cablares-a dezvoltat o intrefață utilizator. În interiorul acesteia utilizatorul poate selecta fișierul pe caredorește să-l citească iar date din interior vor fi afișate sub formă grafică, așa cum se prezintă înfigura 38.

Diagrama acestei aplicații nu este foarte complexă, ea conținând doar trei i conuri (vezifigura 39.). Cu ajutorul primului icon care reprezintă mărimea de intrare, se permite citireadatelor din fișier. În acest mod utilizatorul poate alege fișierul pe care dorește să-l citească,


respectiv datele ce urmează a fi afișate pe indicatorul grafic. Condiția impusă astfel încât datelesă poată fi citite este ca, atât la salvare cât și la citire să fie stabilit același format. În cazul în careformatul diferă datele nu vor putea fi descifrate.

Fig.38 Front panel pentru citirea datelor utilizând modulul BNC conectat la o placa de achizițieAT – MIO 16E1 și termocuplu

Fig. 39 Diagrama aferentă citirii datelor utilizând modulul BNC conectat la o placa de achizițieAT – MIO 16E1 și termocuplu

De asemenea, utilizatorul mai are opțiunea de a alege semnalele care să fie afișate pegrafic, acest lucru fiind posibil cu ajutorul iconului ”Select Signal”. În acest mod, nu esteobligatoriu să fie citită toată înformația din fișier, ci doar aceea pe care utilizatorul o considerăutilă.

4.2.2. Interfață soft pentru monitorizarea temperaturii utilizând sistemul WiTAG conectat cu untermocuplu tip K

Interfața utilizatorului realizată pentru monitorizarea temperaturii cuptorului utilizândsistemul WiTAG este prezentata în figura 41.Interfața are o structură ușor de utilizat, informațiile fiind organizate în mod grupat. Pentruînceput utilizatorul ia la cunoștința datele de identificare ale sistemului WiTAG, MAC-ul șiadresa de IP. În continuare, utilizatorul poate seta intervalul de timp la care să se realizezemăsurătorile și poate alege tipul de termocuplu utilizat dintr-o lista populată cu toate tipurile determocuple. Aferente acestor mărimi de intrare, avem mărimile de ieșire care sunt reprezentatede valoarea curentă a temperaturii măsurate, afișată într-un indicator numeric, dar și evoluțiatemperaturii de-a lungul procesului de monitorizare, reprezentată pe un indicator grafic ale căruicoordonate sunt temperatura măsurată în grade Celsius în unitatea de timp exprimată în secunde.


a. b.Fig. 41 Front panel pentru monitorizarea temperaturii utilizând sistemul WiTAG

și un termocuplu tip Ka. Cu palier de temperatură; b. Cu încălzire și răcire.

De asemenea, utilizitorul mai are opțiunea de a salva datele măsurate în ti mpulprocesului de monitorizare. Modalitatea de salvare a datelor în baza de date este asemănătoare cucea prezentată în cazul monitorizării utilizând BNC2120. Înregistrarea datelor are loc doar inmomentul în care butonul din partea de jos a interfeței este verde și prezintă înscrisul ”Salvaredate”, altfel datele pot fi doar vizualizate.

Diagrama aplicației care conține în mod explicit succesiunea operațiilor care au dus ladezvoltarea interfeței utilizator este prezentată în figura 42.

Fig. 42 Diagramă pentru monitorizarea temperaturii utilizând sistemul WiTAGși un termocuplu de tip K

Așa cum se poate observa din figură, diagrama este formata din două părti. Una carefurnizează date despre sistemul WiTAG detectat iar cea de-a doua în care se realizeazămăsurătoarea efectivă și salvarea datelor. Conexiunea dintre cele două părți o reprezintă adresaMAC-ul a sistemului WiTAG. Adresa detectată trebuie să coincidă cu cea predefinită, în cazcontrar se determină apariția unei erori și se oprește rularea programului.

Întreaga aplicație este dezvoltată în jurul iconului generalizat al sistemului WiTAG.În prima parte a aplicației din iconu ”WiTAG Functionality” se extrag datele de

identificare ale sistemului, adresa IP și MAC-ul sistemului detectat, precum și informația cuprivire la autonomia sistemului. Din iconul ”WiTAG Sleep Time” se extrag date cu privire laintervalului de timp la care se vor realiza măsurătorile.

Cea de-a doua parte a aplicației, care conține operațiile necesare efectuării măsurătorilorde temperatură pornește tot de la iconul general al sistemului WiTAG, ”WiTAG Functionality”.În acest caz, de aici, sunt utilizate cele trei canale analogice de măsură, existând posibilitatea


conectării la fiecare dintre ele a câte unui termocuplu. În cazul prezentat s-a folosit doar unsingur canal.

Măsurătoarea a fost efectuată astfel ca să aibă ca mărime de ieșire tensiunea, scop pentrucare s-a utilizat un blocul ”Convert to Temperature (Calibrated)”, ce realizează conversiatensiune – temperatură. Această conversiă a fost implementată de așa manieră încat să răspundăoricărui tip de temocuplu utilizat. Pentru aceasta s-a ținut cont de funcțiile polinomiale cecaracterizează orice termocuplu.

Pentru realizarea unei conversii cât mai precise, în calculul temperaturii măsurate s-aținut cont și de temperatura camerei. Această valoare poate fi observată și în interfațautilizatorului purtând numele de ”CJC Temperature”.

În final, datele măsurate și convertite sunt salvate așa cum s-a explicat și în subcapitolulanterior într-o bază de date de unde să poată fi apelate ulterior în realizarea de rapoarte. Locul încare acestea vor fi stocate poate fi stabilit de către utilizator prin indicarea căii în căsuța aferenta”Filename”. Structura fișierului este identică cu cea prezentată în subcapitolul 4.2.1.

4.2.3. Interfață soft pentru monitorizare temperatură utilizând sistemul WiTAG șitermorezistență

Aplicația dezvoltată pentru monitorizarea temperaturii cuptorului electric utilizând otermorezistență este prezentată în figura 43. și este asemănătoare cu cea prezentată anterior.Structura vizuală este aproximativ identică. S-a pornit tot cu date despre sistemul WiTAG aflatîn funcțiune, în continuare s-a setat intervalul de timp la care să se facă măsuritorile iar în finalinformații privind valoarea bateriei ce alimentează sistemul și valoarea temperaturii ambientale.Datele culese de la sistemul de măsură sunt afișate sub formă grafică, iar temperatura măsurată lafiecare moment poate fi urmărită și numeric.

Așa cum s-a prezentat anterior, toate datele monitorizate pot fi salvate într-o bază de date.Locul în care acestea vor fi stocate poate fi stabilit de către utilizator prin indicarea căii în căsuțaaferenta ”Filename”. Înregistrarea datelor se realizează doar în momentul în care butonul dinpartea de jos a interfeței este verde și prezintă înscrisul ”Salvare date”. În cazul în care butonulare culoarea roșie și înscrisul ”Nu se salvează date” acestea pot fi doar vizualizate.

a. b.Fig. 43 Front panel pentru monitorizarea temperaturii utilizând

sistemul WiTAG și o termorezistențăa. Cu palier de temperatură; b. Cu încălzire și răcire.

Succesiunea operațiilor care au dus la realizarea interfeței cu utilizatorul sunt evidențiateîn diagrama programului care este prezentată în figura 44.


Structura diagramei și în acest caz are tot două părti. În una se realizează identificarea sistemuluiWiTAG care efectuează măsurătorile iar în cealaltă măsurătoarea efectivă și salvarea datelor. Șide această dată se verifică MAC-ul sistemului detectat cu cel predefinit urmănd ca doar dupăvalidarea acestuia să se inițieze măsurătoarea.

Prima parte a programului, cea de identificare, este identică cu cea dezvoltată pentrumonitorizarea temperaturii utilizând un termocuplu de tip K.

Fig. 44 Diagramă pentru monitorizarea temperaturii utilizândsistemul WiTAG și o termorezistență

În partea de realizare a măsurătorii, se pornește de asemenea de la iconul general alsistemului WiTAG. ”WiTAG Functionality” și se utilizează tot cele trei canale analogice. Deaceastă dată conversia este tensiune – temperatură, implementată conform algoritmului de calculpentru două tiputi de termorezistențe uzual folosite la astfel de măsurători, PT100 și PT2000.Pentru acestea s-au dezvoltat două iconuri distincte în spatele fiecăruia fiind implementatăfuncția polinomială ce face conversia rezistență – temperatură calculată în funcție de tensiuneade intrare.

Pentru realizarea operației de monitorizare a temperaturii, în cazul de față s-a utilizat unsingur canal la care s-a conectat o termorezistență PT100.

Ultima etapă în realizarea programului o reprezintă și de această dată tot salvarea datelorîntr-o bază de date, modalitatea de realizare fiind identică cu cea prezentată în subcapitolul 4.2.1.

4.3. Aplicarea industrială a monitorizării cu senzori WiTAG a temperaturii – S.C. IARS.A. Brașov

De-a lungul timpului destinat realizării tezei s-a ivit oportunitatea de a se puteaimplementa practic în mediul industrial sistemul WiTAG și posibilitățile sale de monitorizare atemperaturii [42]. Această aplicație a fost realizată la firma S.C. IAR S.A. Brașov care a dorit să-și modernizeze fluxul tehnologic prin achiziționarea unui sistem wireless pentru monitorizareatemperaturii a opt băi galvanice, obligată de cerințele stricte de protecția mediului impuse deUniunea Europeană.

Pentru implementarea unei astfel de lucrări au fost utilizate următoarele echipamentehardware (vezi figura 47 ):

8 sisteme WiTAG-uri; un Acces Point Linksys; un calculator.

Fiecare WiTAG are conectat câte un senzor de temperatură extern, TMP 36 (Anexa 7)[113] de la firma Analog Devices, pentru a putea măsura temperaturi de până la 150 de gradeCelsius. Acest senzor face parte din clasa senzorilor de mică putere ce se utilizează în domeniul


industrial pentru aplicații care vizează monitorizarea și controlul proceselor, sisteme de incendiu,alarmare, etc.

De asemenea, s-a preferat utilizarea unor baterii diferite față de cele standard, cu care estedotat sistemul WiTAG în mod obișnuit, pentru a mări autonomia sistemului de măsură detemperatură.

Forma finală a sistemului de măsură a temperaturii băilor galvanice, ce este montat pefiecare baie în parte, este prezentat în figura 46, iar hala de galvanizare ce conține toate cele 8 băiînsoțite de sistemul de WiTAG este prezentată în figura 47 a, b.

a.

b.Fig. 47 Hală industrială de galvanizare

a. structură hală; b. Succesiunea băilor aferente procesului de galvanizare.

Alături de componentele hard prezentate anterior s-a dezvoltat și o componentă softpentru monitorizarea băilor galvanice. Aplicația soft s-a dezvoltat în LabVIEW. O dată instalatăaceasta poate fi folosită de către utilizator fără ca acesta să necesite cunoștințe avansate de lucrupe calculator.

În figura 50 a., la pornirea interfeței cele opt zone de vizualizare/configurare precum șicele opt taburi dedicate băilor individuale sunt dezactivate (gri). Acestea se activeaza doar pentrutag – urile care au fost identificate la inițializare sau dacă în timpul monitorizarii s-a mai pornit șidetectat un nou tag. În figura 50 b. toate elementele sunt active.

Structura unui astfel de tab este prezentată în continuare pentru fiecare baie în parte, dupăcum urmează:


Baia 1 – Uzinare chimică

Fig. 52 Interfața de minitorizare a temperaturii băii de uzinare chimică

Baia 2 – Eloxare cromică

Fig. 53 Interfața de monitorizare a temperaturii băii de eloxare cromică

Baia 3 – Colmatare

Fig. 54 Interfața de monitorizarea a temperaturii băi de colmatare

Baia 4 – Eloxare sulfurică

Fig. 55 Interfața de monitorizare a temperaturii băii de eloxare sulfurică


Baia 5 – Degresare tricloretilenă

Fig. 56 Interfață de monitorizare a temperaturii băii de degresare tricloretilenă

Baia 6 – Degresare alcalină

Fig. 57 Interfața de monitorizare a temperaturii băii de degresare alcalină

Baia 7 – Alodinare

Fig.58 Interfața de monitorizare a temperaturii băii de alodinare

Baia 8 – Sudare prin puncte

Fig.59 Interfața de monitorizare a temperaturii băii de sudare în puncte


Pentru vizualizarea și interpretarea datelor inregistrate se poate utiliza aplicația ”Citiredate” ale cărei interfețe sunt prezentate în figurile 62 și 62, pentru două băi distincte în zileconsecutive de funcționare.

4.5. Concluzii

Monitorizarea echipamentelor și proceselor de încălzire utilizând sisteme wireless permiteficientizarea funcționării sistemului, stocarea datelor pentru eventuale rapoarte ce vor finecesare ulterior precum și reducerea efectivelor de lucru. Aceste avantaje s-au putut observa cuușurință în momentul implementării sistemului WiTAG în hala de băi galvanice de la S.C. IARS.A. Sistemul a fost impus de noile condiții de protecție a mediului ale Uniunii Europene. Halade producție nu a primit autorizația de mediu decât după ce sistemul WiTAG a fost implementatși verificat de inspectorii de mediu. Faptul că în hala de galvanizare nu mai lucrează muncitori șică procesele erau conduse și supravegheate de la distanță a fost elemental decisive în eliberareaautorizației de mediu. Sistemul implementat în anul 2010 funcționează fără defecțiuni până înziua de azi ceea ce conduce la următoarele constatări:

sistemul hardware este fiabil; software – urile proiectate sunt stabile;

optimizarea bazată pe algoritmi genetici pentru determinarea distanței de amplasarea AccessPoint – ului a fost coret condusă.

a. b.Fig.62 Interfața de citire a datelor salvate pentru baia de Degresare tricloretilică

a. ziua 1 de funcționare; b. Ziua 2 de funcționare

CAPITOLUL 5CONTROLUL TEMPERATURII CU SENZORUL WITAG LA CUPTOARE

ELECTRICE

Comanda, reprezintă ansamblul operaţiilor care fac ca valorile unei mărimi definitorii saua mai multora, ale unui proces tehnologic, să depindă în circuit deschis, după o lege dată devalorile unei mărimi exterioare procesului şi independente de acesta [26], [34]. Astfel putemdeosebi două moduri de abordare a noțiunii de comandă:

comanda manuală – acest tip de comandă fiind efectuată de către un operator; comanda automată – acest tip de comandă fiind efectuată de o instalaţie

(dispozitiv) de automatizare, fără intervenţia directă a operatorului.Reglarea, constă dintr-un ansamblu de operaţii care acţionând asupra procesului

tehnologic, în circuit închis, prin comparare, fac ca mărimea reglată să evolueze după o legeprestabilită atât în raport cu mărimile independente cât şi cu cele dependente de proces.Comanda şi reglarea automată se realizează cu ajutorul unei instalaţii (dispozitiv) deautomatizare [45].


În cazul de față, echipamentul care este supus analizei este un cuptor electric. Pentruacest echipament s-a dezvoltat un dispozitiv wireless (senzor inteligent) [1] care să realizezecomanda și controlul temperaturii de la distanță. Implementarea acestor operații de control s -arealizat atât prin componente hardware cât și software, care vor fi prezentate pe larg însubcapitolele care urmează.

5.2. Instrument virtual pentru comanda temperaturii

Deoarece partea hardware a fost realizată în două etape – model funcțional și modelindustrial, în același mod s-a dezvoltat și interfața software. Soft-ul utilizat și în acest caz,precum și în cazul monitorizării temperaturii a fost mediul de programere grafică LabVIEW[49].

În dezvoltarea interfeței pentru început s-a realizat un soft care să modeleze intervalele detimp în care sistemul WiTAG transmite date și cele în care acesta stă în fază ”sleep”, acesteintervale fiind influențate de valoarea temperaturii măsurate. Astfel în momentul în care sistemulmai are mult până să atingă temperatura dorită intervalele de ”sleep” sunt mai lungi, iar pemăsură ce temperatura se apropie acestea sunt mai scurte. S-a ținut cont deci de caracterulinerțial al transmiterii căldurii, adaptând controlul rapid (ms.) la evoluția lentă (min.) asistemului reglat. Interfața utilizator realizată pentru acest caz este prezentată în figura 65.

Fig. 65 Front panel montaj de test pentru control

Sub aceeași structură utilizată și în dezvoltarea interfețelor de monitorizare și în acest cazse pornește cu datele de identificare ale sistemului utilizat, adică adresă IP și MAC. În continuarese poate urmări dacă apare vreo eroare în momentul în care sistemul WiTAG încearcă să seconecteze la rețea. Dacă conexiunea nu se poate realiza se aprinde led-ul de culoare roșie IPError. În acest moment există opțiunea de Update prin care se încearcă încă o dată conectarea larețea iar în caz de eșec și de această dată se întrerupe rularea aplicației.

În cazul în care comunicarea s-a putut stabili, în continuare se pot seta intervalele de timpde repaus și transmisie ale sistemului WiTAG. Frecvența acestăra poate fi observată vizual prinstingerea și aprinderea becului din montajul de test.

Diagrama aplicației descrise anterior are o structură asemănătoare cu cea dezvoltatăpentru procesele de monitorizare. Și în acest caz se pornește de la iconul general al sistemuluiWiTAG, ”WiTAG Functionality” din care se extrag informațiile de identificare ale sistemului,MAC-ul și adresa IP, după care se trece la implementarea efectivă a s tructurii de comandă.Pentru aceasta se utilizează porturile DIO (ieșiri digitale) disponibile pe sistemul WiTAG,protocolul de comunicare folosit pentru comandarea acestora fiind UDP.

Structura lanțului de comunicare este prezentată în diagrama aplicației (figura 66). Acestapornește de la inițierea comunicației prin intermediul iconului ”Open UDP”, la acesta se seteazăportul de comunicare 50007 (port definit de către producător), după care se trece la citireadatelor din sistem cu iconul ”Read UDP”, care e urmat de iconul ”Write UDP”, prin intermediul


căruia se realizează scrierea noilor date în sistem, și în final închiderea comunicării cu iconul”Close UDP”.

Fig. 66 Diagrama montajului de test pentru control

Pentru setarea canalelor digitale astfel încât acestea să transmită noile date către locațiade memorie definită funcțional, se realizează o serie de operații binare. În acest mod stabileștesistemul, starea wiTAG-ului, durata intervalelor de repaus și așteptare, precum și criteriul dupăcare acestea se realizează. În cazul de față, intervalele de timp se vor modifica în funcție devariația temperaturii înregistrate de senzorul de temperatură intern WiTAG -ului.

În montajul final, de control al cuptorului electric, intervalele de timp se vor modifica înfuncție de variațiile de temperatură înregistrate de termocuplu de tip K. De asemenea, pentru arealiza o funcționare cât mai apropiată de cea tradițională a proceselor de încălzire, se vorimplementa și regimurile funcționale P, PI și PID [6], [26], [115], [121].

Pentru modelarea reginurilor funcționale s-arealizat o aplicație distinctă. Împlementarea acesteia s-arealizat pe baza formulelor de calcul specificecoeficienților fiecărui regim, precum și a parametrilor deintrare doriți. Modul de calcul al coeficienților a fostprezentat anterior precum și valorile obținute pentrufiecare coeficient aferent fiecăruia dintre cele trei proceseîn parte. Informațiile cu privire la formulele matematicede calcul se găsesc în capitolul 1.2.

Interfața utilizator este prezentată în figura 67 șiconține doar mărimile de intrare și de ieșire utilizate înimplementarea regimului PID. S-a ales dezvoltarea uneisingure aplicații pentru toate cele trei regimuri datoritălegăturilor care se stabilesc între regimuri

Fig. 67 Front panel algoritm PID.

În urma măsurătorilor de laborator efectuate pe cuptorul electric care va fi utilizat încadrul acestei lucrări, s-a obținut curba de răspuns la variația treaptă a curentului de alim entare,prezentată în figura 68. În acest caz tensiunea de alimentare folosită a fost cea standard, 220V.

Ținându-se cont de valorile grafice afișate și de modul de calcul al parametrilorcuptorului s-au obținut următoarele valori ale timpilor Tmc=36s iar Tc=1187s. Pentru a se ajungela aceste valori s-a ales un număr restrâns de puncte pe care s-a calculat valoarea pantei, iar deaici s-a extrapolat rezultatul și s-au obținut punctele de intersecție cu axa timpului.

Urmând același tipic s-a mai realizat o curbă prezentată în figura 69, caz în care tensiuneade alimentare a fost de 132V.

Valoarile obținute pentru timpul mort și constanta de timp ele cuptorului sunt aceleași cași în cazul precedent, adică Tmc=36s iar Tc=1187s. De aceste valori se va ține cont în calcululcoeficienților proceselor de reglare.


Fig. 68 Curba de răspuns la variația treaptă a curentului de alimentare laun cuptor electric la 220V

Fig. 69 Curba de răspuns la variația treaptă a curentului de alimentare laun cuptor electric la 130 V

Diagrama aplicației prezintă succesiunea operațiilor matematice implementate înrezolvarea formelor ce caracterizează fiecare regim în parte (vezi figura 70). De asemenea sepoate observa legătura dintre cele trei regimuri, și interdependența dintre acestea.

Fig. 70 Diagramă algoritm PID

Astfel, combinând cele două aplicații descrise anterior s-a obținut aplicația destinatăcontrolului de temperatură al cuptorului electric. Acest lucru se poate observa atât în interfața cuutilizatorul (vezi figura 71), cât și în diagrama aplicației (vezi figura 72).

Toate elemetele vizuale aferente interfeței de test și ale algoritmului PID se regăsesc și înaceastă interfață, iar funcționalitatea acestora rămâne neschimbată [74], [75].

Diagrama aplicației prezintă aceeași logică de desfășurare. Diferența față de aplicația încare intervalele de timp erau influențate de măsurătorile de temperatură ce se făceau de lasenzorul încorporat pe sistemul WiTAG, este că în acest caz întervalele de timp sunt corelate cuparametrii aferenți regimului de funcționare ales. Astfel, cu cât temperatura măsurată de


termocuplu se apropie de temperatura setată de utilizator (setpoint) intervalele de repaus vor fimai scurte iar cele de transmitere mai lungi.

Fig. 71 Front panel pentru controlul cuptor utilizând sistemul WiTAG

Fig. 72 Diagramă pentru controlul cuptorului utilizând sistemul WiTAG

Pentru fiecare regim în parte s-au trasat de asemenea câte o serie de caracteristici,măsurătorile efectuându-se pentru început cu termocuplu. Interfața utilizatorului pentru regimulP este prezentată în figura 73, pentru PI este prezentată în figura 74, iar pentru PID esteprezentată în figura 75.

Fig. 74 Interfața de funcționare a cuptorului electric în regim PI


Fig. 75 Interfața de funcționare a cuptorului electric în regim PID

5.3. Programarea sistemului WiTAG pentru comandă utilizând un firmware dedicat

5.3.1. Configurația hardware pentru programarea WiTAG

Conexiunea dintre WiTAG și calculator se realizează cu ajutorul unui programator (vezifigura 76) și a trei conexiuni (cabluri atașate acestuia, două USB și unul pamblică). Cele douăcaburi seriale USB de tip A dintre care unul se foloseste pentru partea de programare, respectivîncărcare aplicație, iar al doilea pentru partea de debug, permit astfel conectarea programatoruluide PC. Pentru partea de conectare a WiTAG-ului de programator se folosește un cablu pamblică.

Conectarea cablurilor USB la PC trebuie să respecte ordinea: primul cablu care seconectează este cablul serial 0 de la programator, adică cablul aferent încărcării aplicației iar intr-o a doua etapa cablul serial 1 aferent debug-ului.

Fig. 76 Programator pentru sistemul WiTAG

Cablul pamblică ce realizează conexiunea WiTAG – programator trebuie atașat astfelîncât limba de pe mufa ce se conectează de WiTAG să intre în locul special destinat acesteia.Orice conectare incorectă duce la nefuncționalitatea ansamblului [87], [94].

Alimentarea ansamblului este realizată prin intermediul cablurilor USB dacă suntconectate amândouă. Dacă este conectat doar un cablu USB, este necesară și atașarea baterieiWiTAG-ului. În momentul în care se conectează și cel de-al doilea cablu este recomandatăscoaterea bateriei. De asemenea, o altă opțiune de alimentare a WiTAG-ului o reprezintăalimentarea externă fie de pe intrările proprii, fie de la sursa de alimentare situată peprogramator.

În momentul în care se aprinde led – ul verde de pe plăcuță, înseamnă că aceasta estealimentată și funcțională, dar acest semnal luminos nu confirmă și de faptul că toate cablurilesunt conectate în manieră optimă.


Programatorul conține și două butoane: Reset și Wake – up. Butonul de ”Reset” se poatefolosi ori de câte ori se resetează aplicația. Este obligatoriu să se apese butonul de reset după oprogramare, pentru a scoate sistemul WiTAG din starea de programare. Butonul de ”Wake – up”se folosește dacă se dorește activarea consolei deconfigurare, din acesta se pot seta: SSID, IP, parola,senzorii, etc.

Placa circuitului programator a fost executată laUniversitatea Tehnică din Cluj – Napoca, prinamabilitatea Dr. Ing. Silviu FOLEA.

Pentru a verifica dacă cele două cabluri suntfuncționale sau dacă acestea sunt conectate corectexistă led-ul de culoare portocalie de pe fiecare dintrecabluri cât și interfața grafică a mașinii virtuale unde înpartea dreapta jos apar cele două conexiuni așa cum sepoate observa și în figura 77.

Fig. 77 Interfață mașină virtuală

5.3.2. Descrierea aplicației pentru programarea WiTAG

Pentru controlul cuptorului electric s-au dezvoltat pe lângă aplicațiile LabVIEW și unfirmware dedicat. Codul sursă al acestui firmware setează canalele analogice AI0 și AI2 pentrumăsurători de temperatură și DIO0 pentru comandă, iar pe lângă acestea mai sunt implementatefuncțiile de conectare la rețeaua wireless, setare IP, parolă, port de comunicare, protocol decomunicare, etc.

Astfel, la canalul AI0 se poate conecta un termocuplu de tip K, iar la canalul AI2 otermorezistență PT100. S-au ales aceste echipamente de măsură deoarece acestea au fost utilizateși în cadrul operației de monitorizare, iar pentru fiecare dintre ele s-au implementat formulele decalcul matematic prin care se realizează conversia tensiune – temperatură și respectiv rezistență -temperatură.

Pe canalul de comandă DIO0 este generat un semnal PWM – Puls Width Modulation, cuo perioadă inițială de 3 secunde.

Dezvoltarea acestei aplicații s-a realizat în colaborarea cu domnul Silviu Folea și domnulMihai Hulea de la Universitatea Tehnică din Cluj – catedra de automatică, aceștia avândexperianță în dezvoltarea de firmware pentru sisteme de mici dimensiuni ce comunică wireless șilucrând de asemenea cu produsele firmei WiTAG.

5.4. Concluzii

Reglarea automata a temperaturii constituie principalul aspect al automatizăriicuptoarelor electrice, prin intermediul căreia se corelează puterea electrică absorbită deelementele încălzitoare cu regimul tehnologic necesar de temperatură, conducând astfel la oreducere a consumului specific de energie electrică pe receptor electrotermic și procestehnologic.

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE

Conceperea şi construirea unor senzori wireless, din clasa WiTAG, cu aplicaţii lacomanda echipamentelor şi proceselor de încălzire prezintă un grad destul de ridicat de utilitate,având în vedere faptul ca acest lucru înseamnă control de la distanţă și încadrarea în domeniulasumat la începutul lucrării ”REMOTE ENGINEERING”. Sistemele de monitorizare şi control


de la distanţă au în momentul de faţă tendința de generalizare, datorita avantajelor acestora,dintre care menţionăm:

monitorizarea permanentă şi simultană, de la un punct de control, de către unsingur operator sau numai de calculator, a unui număr mare de procese;.

reconfigurarea de la punctul de control, a proceselor separat sau simultan; eliminarea necesităţii prezenţei unui operator local; comunicaţii ieftine, având în vedere condiţiile evoluţiei actuale cu privire la

legătură la Internet; costuri mai reduse de monitorizare pe proces / lună, adică necesitatea unui număr

mic de operatori; jurnale de valori, de stare şi alarme pentru toate elementele monitorizate ale

procesului; jurnale ale acţiunilor intreprinse de operator; interfaţă grafică prietenoasă care simplifică operarea; generarea de rapoarte tabelare şi grafice pentru orice perioadă, putând fi: de valori

medii şi consum, de calitate, de alarme, de stare a elementelor, de acţiuni aleansamblului şi altele;

utilizarea unor astfel de sisteme conduce la reducerea costurilor de exploatare şiîntreţinere şi la creşterea performanţelor.

Avantajele utilizării calculatoarelor la conducerea proceselor tehnologice(INSTRUMENTAȚIEI VIRTUALE) sunt:

vizualizarea sub formă numerică prin blocul de afişaj numeric a unui număr deinformaţii despre parametrii procesului;

detectarea rapidă a oricăror defecţiuni apărute la echipament; eliminarea lucrărilor de rutină din activitatea operatorilor tehnologici (registre,

bilanţuri) prin imprimantă; optimizarea corelată în timp real a tuturor proceselor din instalaţia reglată

automat.Automatizarea parţială sau totală a procesului tehnologic asigură: precizie şi uniformitate în funcţionarea utilajelor; produse de calitate; condiţii mai bune de muncă, reducându-se efortul fizic; creşterea productivităţii muncii, indicator foarte important în rezultatele

economico – financiare (prin reducerea numărului de persoane); consumuri specifice de materii prime, materiale, energie în limitele prevăzute de

documentaţia tehnică.

Contribuții originale și direcții viitoare

În realizarea problematicii ce face subiectul tezei contribuțiile originale sunt următoarele: Pentru partea originală de hardware:

o Dezvoltarea unui senzor inteligent de măsurare a temperaturii camerei peplaca de prototipaj NI – ELVIS în vederea realizării sistemului WiTAG;

o Dezvoltarea unui circuit de curent la care să poată fi legat un traductor detemperatură extern pe placa de protitipaj NI – ELVIS în vederea realizăriiprectice a sistemului WiTAG;

o Dezvoltarea unui circuit de tensiune la care să poată fi legat un traductorde temperatură extern pe placa de protitipaj NI – ELVIS în vederearealizării practice a sistemului WiTAG;

o Realizarea unui firmware nou pentru sistemul WiTAG care să realizezemonitorizare și control de temperatură cu un termocuplu tip K;

Pentru partea originală de instrumentație virtuală:


o Realizarea unei interfețe soft în LabVIEW pentru monitorizareatemperaturii cu un termocuplu utilizând sistemul WiTAG;

o Realizarea unei interfețe soft în LabVIEW pentru monitorizareatemperaturii cu o termorezistență utilizând sistemul WiTAG;

o Realizarea unei interfețe soft în LabVIEW pentru controlul temperaturii cuun termocuplu utilizând sistemul WiTAG;

o Realizarea unei interfețe soft în LabVIEW pentru controlul temperaturii cuo termorezistență utilizând sistemul WiTAG.

Dezvoltarea viitoare a sistemului WiTAG vizează:

Realizarea unui firmware nou pentru sistemul WiTAG care să realizezemonitorizare și control de temperatură orice tip de termocuplu sautermorezistență;

Completarea sistemului WiTAG astfel încât să se poată realiza monitorizarea altorparametrii aferenți procesului de încălzire (presiune, debit, etc.);

Completarea sistemului WiTAG astfel încât să se poată realiza controlul altorparametrii aferenți procesului de încălzire (presiune, debit, etc.).

Diseminarea rezultatelor„New Technologies – WITAG for temperature and presure monitoring in critical areas ofchemical equipments” - Metal 2010

Martie 2010 –Republica Cehă, ISBN 978-80-87294-15-4 ISI Proceedings, ulterior introdusă în baza de date Industry Gateway cu numărul 002562

„Industial Monitoring and Control of Temperature using TAG4M” - REV2011 RemoteEngineering and Virtual Instrumentation

Iunie 2011 – ISBN 978-3-89958-555-1, Publicată Kassel University Press,indexată WorldCat și IEEE Data Base

„Designing a new system based on NIELVIS for Hall constant measurements” – DAAAM2009

Noiembrie 2009 - ISSN 1726-9679, Proceedings ISI, indexat EBSCOPublishing 01.01.2009

http://apps.webofknowledge.com/summary.do?SID=U2MEa3IK2lND2pMm7mK&product=UA&qid=3&search_mode=GeneralSearch – WEB ofknowledge, Thomson Reuters

„WiFi sensor based applications” – DAAAM 2009 Noiembrie 2009 - ISSN 1726-9679, Proceedings ISI, indexat EBSCO

Publishing 01.01.2009 http://apps.webofknowledge.com/summary.do?SID=U2MEa3IK2lND2pMm

7mK&product=UA&qid=3&search_mode=GeneralSearch – WEB ofknowledge, Thomson Reuters

„Tag 4M in Predictiv Maintenance and Machine Control” - iJOE Februarie 2010 – apariţie articol în revista iJOE vol. 1 Februarie 2010, ISSN

1861-2121 indexat în EBSCO 08.01.2006 http://www.online-journals.org/index.php/i-joe/issue/view/87

“Design optimization of industrial wireless network using genetic algorithms” - AFASES2011 The 13th International Conference of Scientific Papers – Scientific Research andEducation in the air force

Mai 2011 – ISSN 2247-3173


„Cercetări privind comanda cu senzori wireless, din clasa WiTAG, a temperaturii dincuptoarele industriale” – Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice a Şcolii Doctorale „Creativitate şiInventică”

Mai 2009

BIBLIOGRAFIE

1. AEENMEHR, A., YAZDIZADEH, A., GHAZIZADEH, M. S. – Neuro-PID Control ofan Industrial Furnace Temperature, 2009 IEEE Symposium on Industrial Electronics andApplications (ISIEA 2009), October 4-6, 2009, Kuala Lumpur, Malaysia

2. ALTGAUZEN, A. P. – Instalații electrotermice industriale, Editura Tehnică, București,1975

3. ALTMAN, W. – Process Contro for Engineers and Technicians, IDC Technologies,2005

4. CHANG, K. P., ZAK, H. S. – An Introduction to Optimization – Second Edition, WILEY– John Wiley and Sons, 2001

5. CLARK, J. M. – Wireless Access Networks, New York: John Wiley, 2000.6. COELLO COELLO, C. A., LAMONT, B. G., VON VELDHUIZEN, D. A. –

Evolutionary Algorithms for Solving multi- Objective Problems, Second Edition,Springer, 2003

7. DUNN, W. C – Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control,McGraw Hill, 2005

8. GAO, X., CAI, X., YU, X. – Simulation Research of Genetic Neural Network based PIDControl for Coke Oven Heating Proceedings of the 6th World Congress on IntelligentControl and Automation, June 21 - 23, 2006, Dalian, China

9. GOLDBERG, D. A. – Genetic algorithms in search, optimization and machine learning,University of Alabama, Addison – Wesley, 1989

10. HACKWORTH, J. R., HACKWORTH, F.D. - Programmable Logic Controllers:Programming Methods and Applications – nota de curs

11. HALIT, E. – Wireless Sensors and Instruments Networks, Design and Applications,Taylor & Francis Group, ISBN 978-0-8493-3674-4, Boca Raton, FL,USA, 2006

12. HAYKIN, S. – Communications Systems, New York: John Wiley, 197813. JIN, S., ZHON, M., WU, S.A. – Sensor Network Optimization using a Genetic

Algorithm, Proceedings of the 7th World Multi-conference on Systems, Cybernetics andInformatics, 2003

14. KALANI, G. – Industrial Process Control – Avances and Applications, Elsevier Science,2002

15. KONAR, A. – Computational Intelligence Principles and Application, Springer Verlag,2005

16. LATHI, B.P. – Modern Digital and Analog Communication Systems. Third Edition,Oxford University Press, 1998

17. , S. A. – Digital Communication Receivers, New York: John Wiley, 1998.18. OPRESCI, I., BĂLESCU, C., MIRE, V., SEMENESCU, A., PETRESCU, D.G.,

SEMENESCU, M. – Instalații pentru tratamente termine ale materialelor metalice,Editura Matrix ROM, București, 2003

19. PAHLAVAN, K., LEVESQUE, H. A. - Wireless Information Networks, John Wiley,1995

20. PEREIRA LEITE, E. – Matlab – Modelling, Programming and Simulations, Sciyo, 201021. RODIC, A. C. – Automation and Control – Theory and Practice, InTech, 200922. RUTKOWSKI, L. – Computational Intelligence – Principles, Techniques and

Applications, Springer, 2005


23. SAMOILĂ, C., DRUGĂ, L., STAN, L. – Cuptoare şi instalaţii de încălzire, EdituraDidactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983

24. SAMOILĂ, C., URSUȚIU, D., COTFAS, P. A., CORFAS, D. – Genetic Algorithms andDistributed Instrumentation as a Tool for Optimization in the “Search Space”, REVConference 2010, Stockholm, Sweden, 29 June – 2 July 2010

25. SAUNDERS, S. R. – Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,New York: John Wiley & Sons, 1999.

26. SPIJKER, H., COTFAS, P., URSUŢIU, D. – NI – ELVIS Development of a Low-costPotentiostat for Research Applications and e-Lerning”, Second Int. Simposium onRemote Engineering and Virtual Instrumentation REV2005, Brasov – Romania, 30 June -1 July

27. SUZUKY, K. – Artificial Neuronal Networks – Industrial and Control EngineeringApplications, InTech, 2011

28. URSUŢIU, D. - Iniţierea în Lab VIEW – Programare grafică în fizică şi electronică,Editura Lux Libris, 2001

29. URSUȚIU, D., GHERCIOIU, M., SAMOILĂ, C., COTFAS, P. - Wi-Fi tags for Remoteand Virtual Laboratory, (2008)., Int. Conference on Technology, Communication andEducation, Kuwait, Aprilie 7-8, 2008

30. WEBB, W. – Wireless Communications – The Future, WILEY – John Wiley and SonsLtd., 2007

31. WEISE, T. – Global Optimization Algorithms – Theory and Applications, Version26.09.2009

32. WILLIG, K., MATHEUS, A., WOLISZ A. – Wireless technology in industrial networks,Proceedings of the IEEE, Iunie 2005, Vol.93, Pag.1130-1151, ISSN 0018-9219, 2005

33. NATIONA INSTRUMENTS – PID Control Toolset User Manual, 200134. www.matlab.com35. www.ni.com36. http://www.g2microsystems.com/37. http://www.tag4m.com/38. http://www.redpinesignals.com/applications_wi-fi_Interactive_remote_control.html39. http://www.reel-gmbh.de/eng/index.html40. http://www.ipcsit.com/vol9/11-A1015.pdf41. http://www.omega.com/prodinfo/temperaturecontrollers.html42. http://www.omron.ro/43. http://www.electricfilm.eu/html/automate_programabile_plc.html44. http://www.scribd.com/doc/15449644/Manual-de-Programare-C45. http://www.imperialelectric.ro/46. http://www.automatizariindustriale.ro/produse/Regulatoare47. http://www.turck.ro/48. http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf49. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8541_8542_8544.pdf50. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/56689/BURR-BROWN/INA138.html51. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8221.pdf52. http://www.ni.com/pdf/products/us/cat_nielvisii_plus.pdf53. http://www.ni.com/pdf/products/us/2mhw251-253e.pdf


REZUMAT

Conceperea și construirea unor senzori wireless cu aplicații la comanda echipamentelor șiproceselor de încălzire

Lucrarea de fațǎ definește un nou mod de abordare al comenzii echipamentelor șiproceselor de încălzire, și anume comanda de la distanță. Ȋn prima secțiune a acestei lucrǎri aufost identificate câteva metode actuale de comandă a echipamentelor de încălzire, ȋn urma uneianalize a stadiului actual al principalelor provocǎri din domeniul industrial. Cea de-a douasecțiune a fost alocată dezvoltării sistemului de senzorii WiTAG prin prototipaj pe NI – ELVIS,într-o fază incipientă după care a urmat dezvoltarea formei industriale. S-a dezvoltat și o interfațăîn LabVIEW pentru lucrul cu sistemul WiTAG.

Ȋn cea de-a treia parte a lucrǎrii s-a realizat o modelare matematică a semnalelorprovenite de la senzorul wireless, precum și obtimizarea pierderilor de cale în cazul transferuluide informații, pentru aceasta utilizându- se algoritmii genetici.

Sectiunile următoare prezintă realizările practice utilizând sistemul WiTAG. În secțiuneaa – IV- a sunt prezentate soluții de monitorizare utilizând sistemul avut în discuție, precum șiimplementarea acestuia în mediul industrial. Secțiunea V este dedicată controluluiechipamentelor de încălzire utilizând sistemul WiTAG în cele trei regimuri de reglaj: P, PI șiPID.

Ȋn capitolul final al acestei lucrări autorul prezință o serie de concluzii și avantaje aleutilizării unui sistem wireless precum WiTAG-ul pentru monitorizarea și controlulechipamentelor și proceselor de încălzire, dar și în posibilitatea utilizării sistemului pentrumăsurători ce vizează presiunea, debitul, etc.

Designing and building of wireless sensors with applications used for control heatingequipment and processes

Front paper defines a new approach of control equipment and heating processes fromdistance, called remote control. In the first section of this paper have been identified severalexisting methods for controlling the heating equipment, in a review of the current state of themain industrial challenges. The second section was allocated to the development of the WiTAGsensors system by prototyping on the NI – ELVIS platform, in an early stage followed bydevelopment of industrial form. Also a LabVIEW interface for working with WiTAG systemwas developed.

In the third part of the paper, the author presented a mathematical modeling of signalsfrom wireless sensors and optimization of path loss of information using genetic algorithms.

The following sections present practical applications using the WiTAG system. In sectionIV are presented solutions for system monitoring and also was discussed an implementation ofWiTAG in the industry. Section V is devoted to control of heating systems using WiTAG onthree regimes of control: P, PI and PID.

In final chapter of this paper the author presents a series of conclusions and benefits /advantages of using a wireless system such as WiTAG for monitoring and control heatingequipments and processes, but also the possibility of using this system for measuring parameterslike pressure, flow, etc.


CURRICULUL VITAE

Informații personaleNume Ramona – Georgiana OROSAdresa Str Michael Weiss, nr. 26, sc. A, ap.5, Brașov, RomaniaE-mail [email protected], [email protected] nașterii 3 Septembrie 1984

Educație2008 - 2011 Doctorat cu frecvență la Universitatea ”Transilvania” din Brașov,

Catedra de Utilaj Tehnologic și Știința Materialelor , Domeniul:Ingineria Materialelor, Conducător științific: Prof. Univ. Dr. Ing.Cornel SAMOILĂ

2009 - 2011 Curs post – universitar de Antreprenoriat la Universitatea”Transilvania” din Brașov, Facultatea de Inginerie Tehnologică șiManagement Industrial

2008 - 2010 Masterat la Universitatea ”Transilvania” din Brașov, Facultatea deȘtiințe Economice, Specializarea - Relații Economice Internaționale

2005 - 2008 Studii de licență la Universitatea ”Transilvania” din Brașov, Facultateade Științe Economice, Specializarea - Relații Economice Internaționale

2003 - 2008 Modul de Pedagogie la Universitatea ”Transilvania” din Brașov,Facultatea de Psihologie și Științele Educației

2003 - 2008 Studii de licență la Universitatea ”Transilvania” din Brașov, Facultateade Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor, Specializarea -Telecomunicații

1999-2003 Colegiul de Științe ale naturii ”Emil Racoviță”, Brașov

Arii de interes încercetare

Rețele de senzori wireless, aplicații remote control industriale.

Competențepersonale

Cursuri CISCO modulele CCNA 1 – Networking Basics șiCCNA 2 – Router and Routing Basics Participare la școala de vară ” Advanced Remone Technologies– Remote Engineering Applications ” – Taret Summer School Maribor– Villach, iulie 2009 Participare la școala de vară pentru fete ”Quadrocopter” –Technishe Universitat Illmenau, Germania iulie 2010 Stagiu de cercetare ștințifică sub îndrumarea Prof. Dr. Ing. Sc.Techn. Michael E. AUER 1 octombrie–31 decembrie 2010 Contract S.C. IAR S.A. Brașov – Nr. 12070/03.09.2010,”Sistem de monitorizare wireless a băilor galvanice”


Personal informationName Ramona – Georgiana OROSAddress(es) Str Michael Weiss, no. 26, sc. A, ap. 5, Brașov, RomaniaE-mail [email protected], [email protected] of birth 3 Septembrie 1984

Education and training2008 - 2011 Full-Time PhD student at “Transilvania” University of Brașov,

Department of Technical Equipment and Material Sciences,Domain: Material Engineering, under the supervision of Prof. Dr.Eng. Cornel SAMOILĂ

2009 - 2011 Postgraduate Entrepreneurship at “Transilvania” University ofBrașov, Faculty of Tehnological Engineering and IndustrialManagement

2008 - 2010 Master at ”Transilvania” University of Brașov, Faculty ofEconomics, specialisation International Economic Relations

2005 - 2008 Bacelor at ”Transilvania” University of Brașov, Faculty ofEconomics, Specialisation - International Economic Relations

2003 - 2008 Modul of Pedagogy at “Transilvania” University of Brasov,Romania, Faculty of Pedagogy and Educational Sciences

2003 - 2008 Bacelor at “Transilvania” University of Brasov, Romania, Facultyof Electrical Engineering and Computer Science, Specialisation -Telecommunications

1999-2003 “Emil Racoviță” Natural Sciences College, Brașov, Romania

Research interests Wireless sensor networks, industrial applications of remotecontrol.

Personal competences CISCO courses of modul CCNA 1 – Networking Basicsand CCNA 2 – Router and Routing Basics Participation at Taret Summer School on ” AdvancedRemone Technologies – Remote Engineering Applications”Maribor – Villach, July 2009 Participation at girls camp of ”Quadrocopter” – TechnisheUniversitat Illmenau – Germany, July 2010 Research period coordonated by Prof. Dr. Ing. Sc. Techn.Michael E. AUER, 1 october – 31 december 2010 Contract S.C. IAR S.A:, No. 12070/ 03.09.2010, ”Wirelessmonitoring system for galvanic baths”

Documents

Universitatea Transilvania din Brașovwebbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2011/rom/OrosRamona...Nu în ultimul rând, doresc să le mulţumesc părinţilor mei, cei care întotdeauna m-au