PROIECT PENTRU EXAMENUL DE CERTIFICARE A
CALIFICĂRII PROFESIONALE
NIVEL 3
Specialitatea:
Tehnician mecatronist
Elev: DUDEA ALEXANDRU SORIN Îndrumător
Clasa: a XII-a F Ing. POPESCU MONICA
2014
COLECTAREA SELECTIVĂ A
DEȘEURILOR CU AUTOMATE
PROGRAMABILE
2014
1
CUPRINS
ARGUMENT – MECATRONICA ......................................................................................... 2
I. INTRODUCERE ÎN AUTOMATE PROGRAMABILE ................................................ 3
1.1. CLASIFICAREA AUTOMATELOR PROGRAMABILE .............................................................................3 1.2. STRUCTURI INFORMATIONALE CU AUTOMATE PROGRAMABILE ........................................................3 1.3. COMPONENTA STRUCTURII MODULARE A UNUI AUTOMAT PROGRAMABIL ........................................6 1.4. EXTENSII SOFTWARE SPECIFICE AUTOMATELOR PROGRAMABILE ....................................................9
II. ELEMENTE DE BAZA ALE PROGRAMARII AUTOMATELOR. FUNDAMENTELE
PROGRAMARII IN LADDER LOGIC ............................................................................................ 10
2.1. CARACTERISTICI SINTACTICE SI FUNCTIONALE GENERALE ALE LIMBAJELOR IN LADDER LOGIC ....... 10
III. SENZORI DE PROXIMITATE ..................................................................................... 12
3.1. GENERALITĂȚI ................................................................................................................................. 12 3.2. SENZORI DE PROXIMITATE CAPACITIVI. ............................................................................................. 12 3.3. SENZORI DE PROXIMITATE INDUCTIVI........................................................................................... 16 3.4. SENZORI DE PROXIMITATE MAGNETICI ......................................................................................... 18
IV. EXEMPLU PRACTIC DE PROIECTARE ................................................................... 21
4.1. EXEMPLU DE PROIECTARE ÎN „FLUIDSIM” – APLICAȚIA PENTRU COLECTAREA SELECTIVĂ A DEȘEURILOR
........................................................................................................................................................................... 21
V. ANEXE ............................................................................................................................. 22
5.1. AUTOMATE PROGRAMABILE – UTILIZARE PRACTICĂ. PROGRAMARE. SIMBOLURI UTILIZATE ............... 22
BIBLIOGRAFIE ................................................................................................................... 25
2
ARGUMENT – MECATRONICA Practic tot ceea ce numim produs de inalta tehnicitate este produs mecatronic. Automobilul
modern, robotii, tehnica de calcul, tehnica de telecomunicatii, aparatura biomedicala, sistemele de
transport inteligent, aparatura de cercetare, aparatura electrocasnica, aparatura cine-foto si audio-
video, masinile agricole moderne etc., sunt exemple reprezentative de produse mecatronice.
Mecatronica s-a nascut in mediul industrial. Stradaniile la nivel academic pentru a asigura
pregatirea specialistilor in acord cu cerintele noii tehnologii au condus la conturarea principiilor
mecatronice in educatie.
Aceste principii sunt::
-hands on – prezenta palpabila a obiectului de studiu;
-learning by doing – invatarea prin practica
-interaction – interactiunea sistemelor mecanice , electronice, informatice.
Laboratoarele interdisciplinare de mecatronica constituie baza pentru materializarea
principiilor: “educatie prin practica”, “educatie prin cercetare”.
Aflată la intersecţia unor domenii ale ştiinţei cu
performanţe de vârf în implementarea noilor tehnologii,
mecatronica abordează concepte şi sisteme noi în ingineria
micro şi nano senzorilor şi sistemelor de acţionare,
materiale şi compozite pretabile pentru implementări la
scară celulară sau atomică, structuri celulare şi reţele
neuronale, sisteme ce prefigurează conceptele de
nanoelectronică capabile să producă viitoarele nano-
procesoare, noi concepte ale inteligenţei artificiale privind
adaptibilitatea, capacitatea de a raţiona, capacitatea de
instruire, noi sisteme de conducere axându-se în special pe
controlul robust, tolerant la defecte, adaptiv,inteligent, sisteme expert şi neuro-fuzzy etc.
Sistemele mecatronice asigura :
-multifunctionalitate;
-flexibilitate;
-posibilitatea actionarii la distanta
-evolutie continua datorata dinamicii cerintelor pietii;
-imitare a naturii-adaptabilitate.
Oferind solutii eficiente pentru promovarea interdisciplinaritatii, mecatronica a devenit
suportul demersurilor pentru stimularea initiativei si a creativitatii.
In ultimii ani mecatronica este definita simplu: stiinta masinilor inteligente. Mai recent
demersurile pentru innoire in educatie si cercetare aduc in atentie problema mecatronicii ca: mediu
educational in societatea informationala, respectiv mediu de proiectare si fabricare integrata pe
fundalul caruia s-a dezvoltat conceptul de proiectare pentru control.
In literatura de specialitate au devenit consacrate extinderi in alte domenii ca: hidronica,
pneutronica, termotronica, autotronica, agromecatronica (agricultura de precizie). Evolutia in
dezvoltarea tehnologica inseamna: micromecatronica, nanomecatronica si biomecatronica. Tendinta
generala este de “intelectualizare a masinilor si sistemelor”
3
I. INTRODUCERE ÎN AUTOMATE PROGRAMABILE
1.1. Clasificarea automatelor programabile
Automatele programabile reprezinta noua generatie de echipamente programabile, ultra-
performante, destinate automatizarilor in procesele industriale. Avantajele implementarii unor
astfel de echipamente sunt evidente, daca ne gandim numai la extraordinara lor portabilitate, la
posibilitatile generoase de programare, robustetea si fiabilitatea lor, viteza de raspuns si
posibilitatile de operare in timp real. Solutiile tehnice dezvoltate in felul acesta ofera un pret
redus de cost si o reducere uneori totala a personalului uman.
In general, automatele programabile produse la scara industriala sunt catalogate in
functie de performsntele lor tehnico-functionale astfel:
a)Automatele de clasa avansata sunt sisteme modularizate, destinate proceselor
industriale complexe. Ele au posibilitati de comunicare in timp real cu alte dispozitive inteligente
si beneficiaza de module specializate ce opereaza fiecare in regim de
Master. Aceste echipamente corespund cerintelor impuse de procesele foarte
rapide,procese ce necesita o urmarire continua a unui numar mare de parametri procesuali, avand
o evolutie rapida in timp. Precizia de recunoastere si masura a semnalelor prezente la intrarile
automatului este < 0,1%.
b)Automatele de clasa medie reprezinta sisteme modulare care se adreseaza proceselor
obisnuite, ce nu necesita operarea cu un numar foarte mare de variabile interne si in care viteza
de raspuns nu constituie o marime deosebit de restrictiva (<0.3%). Aceste echipamente se
preteaza in deosebi pentru cazul proceselor lente, procese in care parametrii de interes
inregistreaza modificari lente ale valorilor lor in timp.
c)Micro sau nano automatele sunt recomandate aplicatiilor foarte restranse necesitand
un numar mic de variabile interne si de conexiuni externe Spre deosebire de celelalte
echipamente, ele sunt fabricate sub forma monobloc si nu pot indeplini o serie de functii
specializate specifice, altfel, automatele din clasa avansata sau medie.
1.2. Structuri informationale cu automate programabile
Automatele programabile sunt echipamente autonome (ele nu depind in functionare de
controlul direct al unui PC) si pot comunica, teoretic, cu orice dispozitiv extern dotat cu
posibilitati de comunicare seriala (RS-232 sau RS-485). In scopul acestor comunicari seriale,
automatele sunt dotate cu protocoale de comunicatii seriale deticate, specifice firmelor
producatoare (de exemplu protocolul SNP/SNPX la produsele GE Fanuc). Automatele din clasa
medie si avansata si pot comunica si cu ajutorul unor protocoale generale de comunicare (de
exemplu Mod Bus RTU) extrem de utile atunci cand in structura aplicatiei sunt implementate
automate fabricate de firme diferite.
Lucrarea de fata va face referiri directe la cazurile specifice ale automatelor produse de
firmele GE Fanuc(SUA), Siemens (Germania) si Möller (Germania).
Structura minimala a unui sistem este compusa din automatul programabil (PLS), un PC
utilizat pentru crearea si apoi introducerea programului in automat si un panou operator(Data
Panel) de la nivelul caruia se pot emite comenzi spre automatul programabil sau se pot citi valori
continute in registri interni ai acestuia. O astfel de structura este prezentata in Figura 1.1
4
Comunicarea seriala intre cele trei componente ale sistemului este elaborata dupa cum
urmeaza:
a)Intre PC si automatul programabil comunicarea se realizeaza prin interfata RS-232.
Prin intermediu portului serial al PC-ului (in general COM1) se pot citi date interne continute in
automatul programabil sau se poate stoca programul de pe PC in automat.
b)Intre automat si panoul operator comunicarea se face prin RS-485 (doua fire). Acest
lucru permite postarea panoului operator la o distanta mai mare fata de automatul programabil.
c)Intre PC si panoul operator, prin intermediul COM1. Comunicarea se face in scopul
intruducerii unui program special destinat panoului operator prin care se pot implementa
anumite functii pe care acesta sa le execute in raport cu deciziile pe care le ia automatul.
O structura complexa cu automat programabil poate fi elaborata prin includerea unui
sistem de control si achizitie de date (SCADA). Cu ajutorul unui limbaj de programare dedicat
se poate implementa o interfata grafica (Human Machine Interface) cu ajutorul careia,
informatia dehiculata la nivelul registrilor automatului programabil este asociata unor obiecte
specifice limbajului SCADA (butoane de comanda, linii de editare, etichete si chiar elemente de
grafica ce descriu in mod plastic procesul condus: lampi de semnalizare , elemente actionate
mecanic, rezervoare, elemente de actionare hidraulica).
Pentru a putea vizualiza in mod continuu procesul condus este necesara prezenta unui
PC avand instalat suportul SCADA. In Figura 1.2. este prezentata o structura minimala a unui
sistem cu automat programabil si statie SCADA utilizata ca interfata om-masina (HMI).
Sistemul este dezvoltat in tipul unei retele el putand realiza si dependente informationale si
decizionale de tip client-server.
Limbajele utilizate ca si HMI sunt in general specific fiecarui fabricant in parte. Firma
GE Fanuc a creat limbajul Cimplisity, un mediu de programare orientat pe obiect, extrem de
portabil, fiind accesibil majoritatii marcilor de automate programabile.Avantajul extraordinar
din punct de vedere ale laborarii software-urilor industriale al limbajului Cimplicity este
posibilitatea dezvoltarii unor subrutine de program construite in limbajele C si BASIC.
Comunicarea dintre central SCADA si automatul sau automatele (daca sunt grupate intr-
o retea) programabile se face in timp real, fapt ce permite conducerea cu success a unor procese
rapide de la nivelul respectivului centru SCADA (in cazul de fata, a unei console dedicate in
acest sens).
5
Serverele continute in retea au rolul de a gestiona informatia vehiculata si de a asigura
politicile de arbitrare pe magistralele informationale. Viewer-ele sunt conectate la servere si au
acces total la informatia stocata de servere putand sa o vizualizeze in orice moment la cererea
operatorului.
O astfel de schema (in retea ) utilizata pentru conducerea unui proces cu ajutorul unui
automat programabil este prezentata in Figura 1.3
Retelele in genul celei de mai inainte por fi deosebit de utile in cadrul conducerii unor
procese industriale ce se desfasoara in paralel si sunt situate la distanta mare unul de celalalt.
De exemplu, pot fi folosite la conducerea proceselor hidroenergetice, conectand o cascada de
hidrocentrale sau microcentrale la un singur sediu de gestiune a informatiei, centru situat la
distanta fata de fiecare centrala in parte.
6
1.3. Componenta structurii modulare a unui automat
programabil
Desigur, fiecare firma producatoare promoveaza particularitatile sale constructive.
Exista insa o oarecare tipologie de standardizare a modulelor component ale automatelor
programabile. O descriere sumara a componentelor modulare ale acestor echipamente poate fi
urmatoarea:
a) Placa de baza. Are rolul de a asigura interconectarea modulelor specializate ale
automatelui. Numarul poate varia intre 5 si 10, functie de clasa automatului. Unele
placi de baza pot contine unitatea centrala a PLC-ului sau EEPROM-ul destinat
memorarii programului de aplicatie. Placa de baza poate contine uul sau doua sloturi
cu destinatie speciala (nu pot fi montate decat anumite module). De exemplu, ar putea
contine doua sloturi speiale, unul destinat sursei de alimentare si celalalt modulului
unitate central (CPU).
Multe dintre firmele producatoare ofera si extensii ale placilor de baza, pentru cazurile
in care sunt necessitate mai mult de 10 module. In acest sens, placa de baza contine un conector
de extensie necesar conectarii placilor de extensie. Din punct de vedere logic, placa de baza si
placile de extensie sunt recunoscute prin intermediul unui identificator asociat in faza initiala
de configurare a sistemului.
Alimentarea placii de baza poate fi la:120/240 V, 125 V sau 24/48 V
b) Modulul sursa de alimentare are rolul de a forma tensiunile necesare alimentarii
tuturor modulelor ce intra in component sistemului (inclusive a placii de baza). De
obicei modulele surse de alimentare sunr standardizate, cu alimentare in 120/240 V,
125 V sau 24 V. Unele module sunt prevazute si cu una sau doua iesiri isolate in
tensiune (in general de 24 V, in scopul alimentarii panoului operator) si de mai multe
ori ele pot contine si portiri seriale (in general tip RS-485).
Sursele de alimentare sunt protejate la supratensiune, iar consumul generic al unui astfel
de modul este de aproximativ 30 W. Unele module contin si o baterie cu litiu destinata mentinerii
continutului unui circuit CMOS RAM, unde sunt memorate datele de configurare ale
automatului.
c) Modulul unitate centrala . Poate fi de doua feluri: PC card (compatibil ISA) instalat
pe un computer specializat sau un modul montat pe laca de baza. Cardul ISA nu poate
accesa decat un numar de maxim patru placi de baza. Modulul CPU contine
microprocesorul si logica aferenta acestuia.
In general firmele producatoare folosesc procesoare compatibile Intel 80188 (modelele
mai vechi) 386/486 EX(SX la Allen Bradley) functionand la o frecventa de cca. 20-25 MHz.
Punctele de intrare /iesire (numarul registrilor interni alocati) variaza intre 160 si 2048 (in cazul
lui PLC-3 de la Allen Bradley avem insa 4096 intrari +4096 iesiri), memoria program este
cuprinsa intre 6-80 kb iar procesoarele mai noi contin si facilitatea calcului in virgula flotanta .
CPU-urile de clasa avansata contin pana la doua porturi seriale externe (unu RS-232 si
unu RS- 485) si de asemenea un circuit de memorie flash pentru memorarea datelor din registrare
a CPU-ului : numele programului de aplicatie , configurarea modulelor, ID-ul unitatii central (in
cazul retelelor de automate programabile).
7
Rolul CPU-ului mai este si acela de a comunica cu alte unitati centrale montate in retea
sau cu alte dispositive inteligente externe executand conversiile de protocoale de comunicare
seriala necesitate in acest sens.
d) Modulele specializate . Acestea reprezinta module construite pentru a realiza numai
anumite operatii si care pot fi montate in orice slot cu destinatie generala.
Functia lor poate fi :
- achizitia / formarea semnalelor analogice . Pot fi module cu 8 sau 16 intrari / iesiri.
Conversia se face in general pe 16 biti (GE Fanuc , Allen Bradley, Siemens).
In figura 1.4 este prezentata o scheme bloc functionala a etajului de intrare specific unui
modul de intrari analogice . Tabela de referinta (% AI) se utilizeaza pentru reprezentarea pe
registrii interni ai automatului a valorii domeniului de semnal ( curent/ tensiune ) inregistrata la
intrarea canalului corespunzator adresei specificate . De obicei aceasta valoare corespunde unei
variabile DINT (32 biti) in valori absolute ( de exemplu , in domeniul 0…32000)
In figura 1.5. a fost reprezentat etajul de iesire al unui modul de iesiri analogice . Tabela
de referinta (% AQ) se utilizeaza pentru reprezentarea in registrii interni ai automatului a valorii
domeniului de semnal (current/tensiune) emisa la iesirea modulului de iesiri analogice.
Comversia acestei marimi se face pe 16 biti.
-achizitia / emisia semnalelor logice. Modulele sunt dotate cu 16-32 canale de intrare /
iesire protejate .
In figura 1.6. este prezentata schema bloc functionala a unui etaj apartinand unui modul
de intrari numerice ale automatelor programabile . (Exemplu apartine modulelor de fabricatie
GE Fanuc).
Schema unui etaj numeric de iesire , apartinand unui modul de iesiri numerice (de
asemenea de fabricatie GE Fanuc) este surprins in figura 1.7
8
De obicei, atat intrarile cat si iesirile numerice sunt grupate cate 8 canale cu masa
comuna. Intrarile si iesirile accepta deopotriva montaje in logica pozitiva cat si in logica
negativa. Pentru o clarificare a acestor doua moduri de conectare a terminalelor numerice sunt
prezentate schemele de conexiune in Figura 1.8 (logica pozitiva ) si 1.8b (logica negativa) pentru
intrarile numerice si Figura 1.9a (logica pozitiva ) 1.9b (logica pozitiva) pentru iesirile numerice.
Modulele de intrari numerice proiectate in logica pozitiva ( Figura 1.8a) preiau curent de
la etajul de intrare al modulului. Dispozitivul de intrare este conectat intre borna pozitiva si
intrarea numerica.
Modulele de intrari numerice proiectate cu logica negativa (Figura1.8 ) trimit curent la
terminalul comun sau la terminalul pozitiv. Intrarea modulului este conectata intre borna
negativa si intrarea numerica .
Modulele de iesiri numerice proiectate cu logica pozitiva (Figura 1.9a) trimit curent spre
sarcina externa dinspre comun sau terminalul pozitiv. Sarcina este conectata intre terminalul
negative si iesirea modulului.
Modulele de iesiri numerice proiectate cu logica negative (Figura 1.9b) preiau curent de
la sarcini spre comun sau terminalul negativ. Sarcina este conectata intre borna pozitiva si iesirea
numerica.
9
Toate aceste module sunt de tip SLAVE, ele primind comenzi direct de la nivelul CPU-
ului. Exista insa si alte module, ce opereaza in regim de MASTER, avand astfel avantajul de a
prelua o mare parte dintre activitatile consumatoare de timp ale unitatii central.
-modulul numerator de mare viteza (High Speed Counter) are rolul de a masura
semnalele dreptunghiulare cu o mare precizie fara a apela la CPU.
Acest modul poate fi utilizat in aplicatiile ce necesita o masura de frecventa foarte
precisa.
-modulele de pozitionare conform cu una sau doua axe luate ca reper, sunt folosite in
aplicatiile destinate controlului masinilor elctrice. Pot fi utilizate in scopul modelarii functiei de
miscare ( distributia de viteze si acceleratii) a masinilor electrice.
-modulele cu coprocessor de comunicatii (CCM) au rolul de a implementa drivere de
comunicatii (construite in C sau BASIC de obicei) necesare schimbului de informatii dintre PLS
si echipamente inteligente externe, prin intermediul porturilor seriale.
-modulele de comunicatie prin retea implementeaza protocoalele de comunicatie
specifice retelelor (ETHERNET, TCP/IP).
1.4. Extensii software specifice automatelor programabile
Principalul element de programare a automatelor este desigur limbajul in ladder
logic.Noile realizari ale firmelor producatoare de automate sunt dotate insa deopotriva cu
compilatoare de C si BASIC (la toate tipurile).Unele firme (Allen Bradley)au perfectionat si
medii de programare utilizand limbaje de asamblare.Aceasta sunt insa accesibile numai in cazul
CPU-urilor evaluate.Procesoarele acestor automate au implementate librariile si utilitatile de
programare necesare limbajelor C si BASIC.Pe langa aceste facilitati specifice unitatilor
centrale(CPU-urilor)exista si module specializate pentru programarea in C si BASIC(modulele
CCM).Aceste module functioneaza in regim de MASTER asigurand o parcurgere mult mai
rapida a operatiilor continute in programul de aplicatie.Exista chiar si sisteme de operare specific
unor astfel de module( de exemplu sistemul VTOS la automatele de fabricatie GE Fanuc).
Memoria disponibila pentru implementarea unor astfel de programe variaza intre 600kb si 1Mb.
Aplicatii specific unde pot fi utilizate rutinele programate in C sau BASIC sunt:
-aplicatii unde sunt necesitate mai multe protocoale de comunicare serial
-elaborarea unor drivere de comunicare cu alte dispozitive inteligente
-aplicatii cu control de temperature
-controlul si monitorizarea puterii electrice
-aplicatii referitoare la diferite ansamble de masini necesare automatizarilor industrial
-aplicatii destinate umplerii anumitor rezervoare
-aplicatii din gama controlului de proces la fabricarea circuitelor integrate
10
II. ELEMENTE DE BAZA ALE PROGRAMARII AUTOMATELOR.
FUNDAMENTELE PROGRAMARII IN LADDER LOGIC
2.1. Caracteristici sintactice si functionale generale ale limbajelor
in ladder logic
Aceste medii de programare sunt dedicate pentru toate cele trei clase de automate
programabile: avansata, medie si micro/nano. Diferentele inregistrate de la un fabricant la altul sunt
minore, iata de ce , vom trata aspectele legate de programarea automatelor in md generic, pentru
toate tipurile de automate.
Mediile de programare in ladder logic pot rula sub urmatoarele platform: Windowo
9x/NT/Me/2000/XP sau DOS.
Functiile principale (vizand utilitatea functional) ale unui mediu de programare in ladder
logic pot urmatoarele:
- Creeaza o structura logica de functionare a PLC-ului asociata cu logica ladder-ului
(programul de aplicatii)
- Configureaza structura hardware a PLC-ului repartizeaza ID-urile corespunzatoare
fiecarui modul in parte, prescrie harta generala (valoarea ei implicita) a tuturor tipurilor de registri
interni ai automatului
- Creeaza si numeste variabilile ce vor fi utilizate in programul de aplicatii
- Monitorizeaza executia programului in ladder logic , semnaleaza eventualele erori de
programare
Cu ajutorul acestui mediu de programare se pot crea fisiere de executie speciale, ce trebuie
incarcate in EEPROM-ul PLC-ului direct de PC prin intermediul portului serial si al cablului de
transmisie seriala
In general, aceste medii cunosc doua tipuri de programare : in ladder logic (LD) si cu lista
de insructiuni (IL). Programarea cu lista de instructiuni se utilizeaza mai rar ,ea fiind mult mai
laborioasa decat cea in ladder.Totusi, se dovedeste a fi extrem de utila in cazul in care programatorul
doreste sa modifice anumite tipologii software ce apartin ladder-ului , de exemplu, sa modifice
modul de operare al unui element specific mediului de programare (operant, functie).
Mediul de programare efectueaza o compilare a sintaxei instructiilor in mod automat . Acolo
unde sintaxa e gresita sau nu e clara din punct de vedere logic se vor afisa o serie de avertismente
ce vor informa programatorul asupra naturii erorii de programare. Trebuie mentionat faptul ca
limbajele in ladder logic nu contin compilatoare de instructiuni (sintactice , logice) in genul celor
apartinand limbajelor de nivel inalt.
O proprietate importanta referitoare la caracteristica de portabilitate a acestor medii de
programare este posibilitatea importarii fisierelor din DOS in Windowns (bineinteles,e vorba despre
fisiere caracteristice unui acelasi fabricant).
Gradul mare de generalitate elementelor ladder-ului permite operarea facila cu mai multe
tipuri de software , fara a necesita o perioada prea mare de acomodare a programatorului .
Nota: Este indicat sa dea nume scurte , simple si suggestive directoarelor de lucru , de
preferat fara a fi folosite caracterele speciale gen : .,<,>,*,?. Numele trebuie sa fie pana la 7 caractere.
11
Limbajele in ladder logic beneficiaza de toate caracteristicile specifice limbajelor de
programare orientate pe obiect(POO) : butoane , ferestre, meniuri, zone de editare . Regulile de
operare sunt identice cu cele consacrate in sistemul de operare windowns.
Limbajul logic de programare se prezinta in felul unui limbaj structurat , in forma :program
principal-proceduri-subrutine-blocuri logice (operanzii). Mai multe blocuri logice pot alcatui o
subrutina . Mai multe subroutine pot forma o rutina sau o procedura . Procedurile pot fi
interconectate intre ele si se apeleaza din programul principal , numit implicit : _main .Exista, de
asemenea ,posibilitatea copierii unor blocuri dintr-o parte in alta , dintr-o procedura in alta. In cazul
acestor operatii cu blocuri trebuie sa se tina cont de urmatoarele aspect :
-blocurile sunt definite cu tipuri diferite ,de exemplu : INT,DINT,REAL
-multe functii necesita o anumita lungime data in variabile logice (biti)
-in cazul functiilor trebuie ca parametrii de intrare si de iesire sa fie completati
In bara functiilor sunt afisate toate tipurile de functii ce pot fi utilizate intr-un astfel de
program . Orice astfel de selectie se poate face si de la tastatura prin intermediul unei anumite
combinatii de taste.
12
III. SENZORI DE PROXIMITATE
3.1. Generalități
Noţiunea de proximitate se referă la gradul de apropiere dintre două corpuri. În instalaţiile
tehnice se întâlnesc cazuri în care controlul poziţiei unui dispozitiv faţă de altul face parte din însuşi
procesul tehnologic. Controlul poziţiei dintre dispozitivele aflate în mişcare, dintre care unul
reprezintă sistemul de referinţă, se face cu ajutorul senzorilor de proximitate. Acest control se face
fără existenţa unui contact fizic direct intre corpurile aflate în mişcare.
Senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea şi semnalizarea prezenţei
unor obiecte în câmpul lor de acţiune, fără contact fizic cu obiectele respective.
Sezorii de proximitate au o caracteristică tip releu - tot sau nimic - adică semnalul de ieşire
reprezintă prezenţa sau absenţa obiectului controlat.
Senzorii de proximitate au o largă utilizare în toate domeniile industriale datorită avantajelor
pe care le oferă:
siguranţă în funcţionare;
posibilitate de reglaj (internă sau externă prin modificarea poziţiei);
Fiabilitate mare;
Gabarit extrem de redus;
Consum energetic redus.
Clasificarea senzorilor de proximitate
Clasificarea senzorilor de proximitate se face după principiul de funcţionare. Astfel se poate
vorbi despre senzori de proximitate:
1. Capacitivi
2. Inductivi;
3. Optici;
4. Magnetici;
5. Cu ultrasunete.
3.2. Senzori de proximitate capacitivi.
Principiul de funcţionare: funcţionarea unui senzor de proximitate capacitiv se bazează pe
evaluarea variaţiei capacităţii electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC, datorită
apropierii unui material oarecare.
Senzorii capacitivi se realizează din două tipuri de condensatoare: plan şi cilindric, iar în
analiza schemelor echivalente se presupune că rezistenţa de pierderi este neglijabilă faţă de reactanţa
capacitivă şi unghiul de pierderi este mic.
Fig. 1 Senzor capacitiv
13
Capacitatea , unde ɛo este permitivitatea vidului, ɛr este permitivitatea relativă a
dielectricului, A suprafaţa de suprapunere a armăturilor iar d, distanţa dintre armături, respectiv,
grosimea dielectricului.
Pentru un condensator cilindric formula de calcul a capacităţii depinde de permitivitatea
dielectricului, diametrul electrodului exterior D, diametrul electrodului interior d şi de înălţimea de
suprapunere a celor doi cilindri, h.
Fig 2. Condensator cilindric
C=(2πε0εrh)/(lnD/d)
Din analiza formulelor de calcul pentru capacitatea condensatoarelor plan şi cilindric se
observă că senzorii capacitivi pot servi la convertirea în variaţii de capacitate a oricărei mărimi
neelectrice care modifică unul din elemente: distanţa dintre armături, suprafaţa de suprapunere a
armăturilor, permitivitatea electrică a mediului dintre armături.
Senzorii capacitivi se pot realiza în trei moduri:
• cu condensatoare plane cu o armătură fixă şi una mobilă,
• cu modificarea suprafeţei de suprapunere a armăturilor
• cu modificarea dielectricului.
La senzorul capacitiv cu o armătură fixă şi una mobilă se modifică distanţa dintre armături:
d + Δd.
Fig 3 Calcularea distanţei dintre armături
Senzorii care funcţionează prin modificarea suprafeţei de suprapunere a armăturilor unui
condensator sunt alcătuiţi dintr-o armătură plană fixă şi una mobilă care se deplasează paralel faţă
de cea fixă.
h
14
Capacitatea unui condensator se poate modifica şi prin introducerea de dielectrici cu
permitivităţi diferite între armături sau prin modificare stării fizice a dielectricului datorită
umidităţii.
Câmpul electrostatic parazit este creat între un electrod activ şi electrodul de masă. În
structura senzorului capacitiv există adesea un electrod de compensare care are rolul de compensare
a influenţei umidităţii asupra funcţionării senzorului.
Schema bloc a senzorului de proximitate capacitiv este prezentată în figura 4 . Dacă în zona
activă se introduce un obiect sau un material (metal, plastic, apă, sticlă, lemn), capacitatea circuitului
rezonant se modifică. Schimbarea valorii capacităţii depinde distanţa la care se află materialul faţă
de suprafaţa activă, de dimensiunile materialului şi de constanta dielectrică a acestuia.
Fig.4 Structura bloc a unui senzor de proximitate capacitiv
1-Oscilator; 2-Demodulator; 3-Trigger; 4-Afişaj; 5-Circuit de ieşire; 6-Sursă de alimentare
externă; 7-Zona activă (capacitor); 8-Ieşire.
Sensibilitatea majorităţii senzorilor de proximitate capacitivi poate fi reglată prin intermediul
unui potenţiometru. În acest mod este posibilă suprimarea detecţiei unui alt mediu, de exemplu este
posibilă determinarea nivelului unei soluţii prin peretele unui recipient. Distanţa nominală la care
comută un senzor este determinată cu ajutorul unei o foiţe de metal legată la pământ. .
În tabelul 1 sunt date valorile distanțelor la care un senzor capacitiv dat comuta în funcție de
grosimea materialului , iar în tabelul 2 valoarea factorului de reducere pentru diferite materiale
dielectrice.
Tabelul 1 Tabelul 2
De reţinut:
Senzorii de proximitate capacitivi sunt sensibili la mizerie.
Au abilitatea de a reacţiona la o mare varietate de materiale.
15
Sensibilitatea lor în ceea ce priveşte umiditatea este foarte ridicată datorită constantei
dielectrice a apei.
Pot fi folosiţi la detectarea obiectelor aflate în incinte cu pereţi nemetalici. Grosimea
pereţilor în acest caz trebuie să fie mai mică de 4 mm, iar constanta dielectrică a materialului
care trebuie detectat să fie de 4 ori mai mare decât a pereţilor incintei.
Datorită sensibilităţii lor la umiditate, mulţi producători introduc un electod auxiliar pentru
a compensa variaţiile de umiditate din mediul ambiant.
Consideraţii generale pentru utilizare:
Din motive de costuri, folosirea senzorilor inductivi pentru detecţia obiectelor metalice este
în general preferată în comparaţie cu folosirea celor capacitivi.
Utilizarea senzorilor optici este recomandabilă pentru detecţia obiectelor nemetalice.
Există un domeniu de aplicaţii deosebite unde utilizarea senzorilor de proximitate capacitivi
prezintă avantaje hotărâtoare: monitorizarea nivelului de încărcare în containere, detectarea
materialelor nemetalice.
Exemple:
1. Detecţia obiectelor mate sau negre.
Aceste obiecte pot fi realizate din cauciuc, plastic,
piele, fig. 5, sau alte materiale care nu sunt detectate cu
senzori optici, senzorii de proximitate ultrasonici fiind mai
scumpi
Fig . 5
2. Detecţia nivelului de încărcare a fluidelor într-un container.
În cazul detectării nivelului de fluid prin pereţii unui recipient de plastic sau de sticlă
grosimea peretelui trebuie să fie limitată aşa încât senzorul de proximitate capacitiv să fie capabil
să răspundă numai conţinutului din recipient. In figura 6.a. este folosit un senzor de proximitate
capacitiv încapsulat în cuarț sau în material plastic. In figura 6 b. nivelul lichidului este detectat
prin intermediul unui senzor plasat în dreptul unui tub de plastic sau de sticlă.
Fig. 6 Fig. 7
3. Detectarea nivelului de încărcare a unui material granular.
4.Monitorizarea existenţei firelor sau cablurilor metalice(fig 7.)Senzorii de proximitate
capacitivi reacţionează sensibil mai bine la prezenţa metalelor subţiri, sub formă de fire sau cabluri
cu un diametru mic. În timp ce senzorii inductivi au, în acest caz. o distanţă foarte mică de activare.
Pentru această aplicaţie nu pot fi folosiţi nici senzorii optici.
16
6. Verificarea conţinutului pachetelor prin pereţii cutiei de
carton.
Poate fi verificat nivelul de umplere cu lichid într - un
recipient sau existenţa unui material solid în
interiorul unei cutii, în figura 8 este arătat cum se verifică
dacă într-o cutie nu lipseşte o sticlă după operaţia de împachetare
automată, prin utilizarea a patru senzori capacitivi. Fig 8
3.3. Senzori de proximitate inductivi.
Principiul de funcţionare
Funcţionarea se bazează pe proprietatea potrivit căreia mărimea de măsurat produce o
variaţie a inductivităţii unei bobine care face parte din circuitul oscilant RL al senzorului.
Inductivitatea proprie sau mutuală a “zonei active a senzorului" este modificată de acele elemente
care influenţează geometria - lungimea întrefierului, aria secţiunii întrefierului sau permeabilitatea,
μ, a circuitului magnetic.
Cum numărul de spire al bobinei senzorului, o dată realizată, nu poate fi modificat, soluţia
pentru realizarea senzorului cu variaţie a inductivităţii este de a produce modificări ale reluctanţei
magnetice. In acest sens se pot realiza, de exemplu, circuite magnetice cu armătura mobilă în care
mărimea neelectrică determină poziţia armăturii faţă de restul circuitului magnetic.
Schema bloc este prezentată în figura 9. Câmpul magnetic care este direcţional spre ieşire,
este generat de o bobină cu un miez de ferită deschis. Când senzorul este alimentat, circuitul oscilant
generează un curent. Dacă în zona activă se introduce un obiect bun conducător de electricitate,
apare o variaţie a inductivităţii care duce la modificarea curentului de ieşire.
Principala caracteristică a senzorilor inductivi este dimensiunea bobinei: cu cât aceasta este
mai mare cu atât distanţa de comutare este mai mare. Traductoarele inductive pot pune în evidenţă
deplasări de sute de milimetri.
Fig. 9. Schemă bloc a unui senzor de proximitate inductiv.
1-Oscilator; 2-Demodulator; 3-Trigger; 4-Afişaj de stare; 5-Circuit de ieşire cu protecţie;
6-Tensiune externă; 7-Sursă de alimentare internă;8-Zona activă (miez de ferită); 9-Semnal de
ieşire senzor.
17
Pentru determinarea corectă a distanţei de comutare, la testarea senzorilor de proximitate
inductivi se foloseşte un electrod de calibrare standard, pătrat, realizat din oţel moale, cu o grosime
de 1 mm şi latura egală fie cu diametrul zonei active a senzorului, fie de 3 ori mai mare decât distanţa
de sesizare nominală, dată în catalog. Pentru materialele metalice dar neferomagnetice. distanţa de
sesizare efectivă este mai redusă.
Caracteristicile tehnice ale ale senzorilor inductivi sunt prezentate în Tabelul 3.
De reţinut: Numai materialele conductoare de electricitate pot fi detectate prin intermediul
senzorilor de proximitate inductivi. Materialele feromagnetice sunt detectate de la distanţă mai
mare.
Tabelul 3
Material detectat Metale
Tensiunea de alimenatre Tipic: 10V...30V c.c. sau c.a.
Distanţa nominală de
sesizare
Tipic 0,8... 10 mm; max. 250 mm
Curentul maxim de
ieşire semnal
75 mA...400 mA
Temperatura de lucru -25 “C...+70 UC
Vibraţii 10...50 Hz, 1 mm amplitudine
Sensibilitatea la mizerie Insensibil
Durata de viaţă Foarte lungă
Frecvenţa de comutare Tipic 10...5000 Hz, max.20 kHz.
Design Cilindric
Variante constructive
(exemple)
M8xl, M12xl, M18xl; <D4mm...
®30mm 25mm x 40mm x 80mm
Mulţi dintre senzorii de proximitate inductivi au următoarele funcţii de siguranţă incluse:
Protecţie la inversarea polarităţii (împotriva avariilor rezultate din conexiuni inversate);
Protecţie la scurtcircuit
Protecţie la supratensiune
Protecţie împotriva efectelor întreruperii firelor (ieşire blocată dacă alimentarea este
deconectată).
18
3.4. Senzori de proximitate magnetici
Principiul de funcţionare
Senzorii de proximitate magnetici reacţionează la câmpuri magnetice produse de magneţi
permanenţi sau electromagneţi. Senzorii magnetici pot fi de mai multe tipuri:
- REED,
- cu efect Hall,
- electronici - cu miez închis de ferită şi circuit oscilant LC care funcţionează la
rezonanţă.
Senzori REED
Cei mai simpli sunt senzorii magnetici REED. Aceştia reprezintă de fapt un contact
electric, cei doi electrozi fiind construiţi din materiale care se magnetizează uşor şi se atrag,
închizând un circuit electric. Contactul, realizat din material feromagnetic precum aliaje FeNi
(permalloy), este sigilată într-un tub de sticlă sau material epoxidic, (fig. 10). Acest tub este plin cu
un gaz inert - nitrogen - pentru a reduce fenomenul de arc electric.
Fig. 10 Senzorii magnetici REED
Senzorii de magnetici REED de uz industrial au în construcţie un LED care indică starea de
operare. În figura 11, sunt prezentate conexiunile interne şi externe. Diodele electro-luminiscente
conectate în serie cu rezistorul R, au rolul de circuit de protecţie pentru sarcina inductivă.
Fig. 11 . Conexiuni interne si externe la senzorii magnetici REED
Când se instalează un tip de senzor REED, este important sa ne asigurăm că nu există
un câmp magnetic de interferenţă în apropierea senzorului mai mare de 0,16 mT. În cazul în care
acesta există, atunci senzorul poate da semnale eronate. Dacă pe mai mulţi cilindri pneumatici sunt
instalaţi senzori de proximitate REED, este necesară o distanţă minimă de 60 mm între cilindri,
pentru ca inelul magnetic de pe pistonul unui cilindru să nu influenţeze senzorii aflaţi pe cilindri
vecini.
La senzorii REED trebuie redus curentul maxim ce trece prin contact. Altfel, aceasta se
uzează datorită arcului electric şi poate chiar să rămână lipit.
19
Când sunt comutate sarcini inductive, ceea ce este un lucru frecvent în aplicaţiile de
automatizare (bobinele releelor), apare un vârf de tensiune, iar arcul electric se stinge mai greu. Din
acest motiv senzorul de proximitate trebuie prevăzut cu un circuit de protecţie : diodă de drum liber
- pentru curent continuu - circuit RC montat în paralel cu contactul sau un varistor - pentru curent
alternativ, fig. 12. Unii senzori REED au circuite de protecţie încorporate.
Fig. 12 - Circuite de protecție pentru contactele RED
RL rezistența de sarcină, L- inductanța de sarcină, R- rezistor de protecție, C- condensator
de protecție, D- diodă sau varistor de protecție
Valorile electrice ale acestor componente depind de parametrii electrici ai elementelor pe
care le comandă - releu, contactor etc. Dacă trebuie acţionat un releu sau un contactor, datele tehnice
ale releului sau contactorului trebuie respectate. Puterea electrică necesară pentru declanşarea unui
releu sau contactor este de 8 -10 ori mai mare decât cea de menţinere. Este bine ca puterea de
declanşare să fie luată ca referinţă.
Fig. 13 Zone de activare ale unui senzor REED.
Zona de activare a unui senzor REED depinde de sensul câmpului magnetic din vecinătatea
sa. În figura 13, se poate vedea zona de activare în cazurile în care pe lângă senzor trece, de sus în
jos, un magnet orientat paralel cu lamelele de contact ale senzorului sau în cazul în care magnetul
este perpendicular pe acestea.
De aceea, în anumite aplicaţii de numărare cu Automat Programabil, pot exista cazuri de
semnal dublu (sau parazit)
20
Fig. 14 Principiul de funcţionare al unui senzor de proximitate magnetic
Prin folosirea senzorilor magnetici de proximitate, un mare număr de aplicaţii practice pot
fi rezolvate dacă pe obiectul care trebuie detectat este montat un magnet. Astfel, există aplicaţii de:
- Măsurare a vitezei de rotaţie a unei piese oarecare;
- Selectarea unei piese dintr-o serie de piese similare;
- Numărare de piese sau de paleţi;
- Poziţionare obiecte;
Una din cele mai răspândite aplicaţii este de detectare a poziţiei pistonului la cilindri
pneumatici, în acest sens se folosesc cilindri care au pe piston un inel magnetic circular. Senzorii
REED se montează pe cămaşa cilindrului.
21
IV. EXEMPLU PRACTIC DE PROIECTARE
4.1. Exemplu de proiectare în „Fluidsim” – Aplicația pentru
colectarea selectivă a deșeurilor
22
V. ANEXE
5.1. Automate programabile – Utilizare practică. Programare.
Simboluri utilizate
Des întâlnite în circuitele electrice avansate, sistemele automate de control a proceselor
conferă stabilitate, acurateţe şi performanţă. Aceste sisteme înlocuind un conglomerat de dispozitive
electronice și electrice, regăsite în sistemele electrice anterioare. Sistemele de operare pot avea
diverse forme de implementare pornind de la surse de alimentare și până la mașini. Fiind un rezultat
rapid a progresului tehnologic, cele mai complexe operaţii au fost rezolvate prin conectarea în sistem
a unor automate programabile şi unităţi centrale de proces.
Aceste automate programabile (PLC – Programabille Logic Controller pe lângă
conexiunile cu instrumentele de măsură şi senzorii din procesul de automatizare, va trebui să permită
comanda intregului proces şi ceea ce este şi important, să comunice operatorului stările procesului
prin semnale vizuale şi sunet şi/sau printr-o reţea de comunicaţie la un computer. Aceste
caracteristici permit exploatarea automatizări la un înalt grad de flexibilitate, prin schimbarea şi
monitorizarea mult mai comodă a parametrilor de bază a procesului.
PLC-urile pot fi construite ca un sistem modular, pornind de la un nucleu (Master) și i se pot
adăuga suplimentar porturi I/O.
23
În cea ce privește partea de programare, principalele metode de programare sunt:
IL (Instruction List) structura este asemănătoare cu limbajele de asamblare ale
microprocesoarelor;
ST (Structured Text) care folosește instrucțiunile de atribuire, selecție și control ale
subprogramelor cu o structură apropiată de limbajele de programare de nivel înalt;
LAD (Ladder Diagram) este un limbaj semigrafic, asemănător schemelor de circuite cu
relee și contacte și operează în special cu variabile boolean (logice);
FBD (Function Block Diagram) este o extensie a limbajului LD care permite și lucrul cu
blocuri complexe.
SFC (Sequential Function Chart) este un limbaj grafic secvențial, asemănător
organigramelor funcționale care permite utilizarea de funcții complexe și proceduri
Limbajul de programare LAD (Ladder Diagram)
Structura unei unități de program
Tipuri de variabile și constante
Booleene, notate cu BOOL;
Octeți (8 biți), cuvinte (16 biți) și cuvinte duble (32 biți), notate cu BYTE, WORD și
respectiv DWORD;
Întregi, notate cu INT;
Reale (32 biți), notate REAL;
24
Șiruri de caractere, notate cu STRING;
Variabile de tip timp și dată, notate TIME și respectiv DATE.
Este permisă utilizarea unor date de tip tablou (ARRAY) și structură (STRUCT), precum și
date derivate din acestea.
Moduri de adresare
Adresarea absolută utilizează denumirea zonei de memorie pentru identificarea adresei.
Denumirile zonelor de memorie pot cuprinde două prefixe. Primul prefix poate fi: %I, pentru intrări;
%Q, pentru ieșiri; %M, pentru variabile interne. Al doilea prefix poate fi: x.y, pentru variabile de
tip boolean. Valoarea x reprezintă octetul, iar valoarea y reprezintă bitul; B, pentru octet (Byte); W,
pentru cuvânt (Word); D, pentru dublu cuvânt (Double word). Exemple: %Ix.y, %IBx, %IWx,
%IDx.
Un program în limbajul LAD este alcătuit din rețele, care utilizează simboluri grafice
(obiecte).
Fiecare rețea trebuie să înceapă cu o intrare(i) și să se termine cu o ieșire(o).
Obiectele limbajului
Exemplu. Circuit de blocare.
25
BIBLIOGRAFIE
1. Frandoş S — Mecatronică, Editura Economica
2. Robert M , Frăţiloiu Gh
— Ed .Electrotehnică şi electronică aplicată, Preuniversitaria, Bucureşti, 2006
3. Mareş F si colectiv — Elemente de comandă şi control, Editura Negro, Galaţi, 2001
4. Călin S — Aparate şi echipamente de automatizare,Ed. Didactică şi pedagogică, Bucureşti,1996
5. Trifu A — Electronică digitală, Editura Economică Preuniversitară, Bucureşti, 2000