-
i
Cuprins
A - Activit t i de predre
A1 - Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale Sisteme
industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea tehnologic. Platforme
mecatronice educaionale (hardware). Instrumente software pentru
dezvoltarea aplicaiilor industriale.
A2 - Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale Studiu
comparativ ntre sistemele electrice hidraulice - pneumatice.
Structura circuitelor hidraulice i pneumatice.
A3 - Controlul sistemelor industriale I Sisteme de control
industriale de tip PLC. Structur, limbaje standardizate. Limbajul
industrial LDR (Ladder Diagram). Operanzi. Operatori.
Instruciuni.
A4 - Controlul sistemelor industriale II Proiectarea Logic
Structurat. Metoda Biilor Secveniali. Metoda Grafcet.
A5 - Tehnologii industriale Tehnologii industriale de dezvoltare
a aplicaiilor. Medii de simulare i dezvoltare a aplicaiilor
industriale. Dezvoltarea (simularea) aplicaiilor industriale.
Platforme educaionale: Mechlab, MPS i alte platforme
educaionale.
-
ii
B Aplict ii Industrile
B1 - Platforme mecatronice n educaie i formare Platforme
mecatronice educaionale (hardware). Instrumente software pentru
dezvoltarea aplicaiilor industriale. Dezvoltarea circuitelor de
acionare hidraulice i pneumatice. Circuite de acionare specifice:
simulare utiliznd FluidSIM-H i FluidSIM-P. Implementarea real a
circuitelor utiliznd echipamentele transparente. Aplicaii
demonstrative.
B2 - Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale Sisteme
electropneumatice. Sisteme electrohidraulice. Sisteme electrice.
Servosisteme. Circuite specifice de control a vitezei/forei.
Proiectarea asistat a circuitelor servohidraulice i servopneumatice
(FluidSIM). Implementarea real a circuitelor pe standurile
experimentale.
B3 - Controlul sistemelor industriale I Aplicaii elementare de
programare a sistemelor modulare de producie. Medii de dezvoltare a
aplicaiilor. Limbaje de programare. Proiectarea aplicaiilor.
Limbajul Ladder Diagram - operanzi (SBO,MBO), operatori,
instruciuni. Controlul micrii in sistemele electropneumatice.
Diagrame funcionale. Temporizatore (TP, TON, TOFF). Numrtoare.
B4 - Controlul sistemelor industriale II Proiectarea Logic
Structurat . Dezvoltarea aplicaiilor industriale (aplicaii pe
PLC-uri).
B5 - Tehnologii industriale Tehnologii industriale de dezvoltare
a aplicaiilor. Simularea aplicaiilor industriale. Dezvoltarea de
aplicaii industriale pe platforme mecatronice. Controlul
parametrilor micrii n servosisteme pneumatice, hidraulice,
electrice. Utilizarea controlerelor de tip PLC n programarea
aplicaiilor. Aplicaii demonstrative.
-
iii
Bibliogrfie Orgnizre ctivit t ilor
Zile/Activiti A Activiti de predare B Aplicaii Industriale
Ziua 1 A1 B1
Ziua 2 A2 B2
Ziua 3 A3 B3
Ziua 4 A4 B4
Ziua 5 A5 B5
Ziua 6 Evaluare
-
iv
-
A1 - Pag 1
Sisteme Industriale Moderne
Tehnologii Educaionale
1. Sisteme industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea tehnologic
2. Platforme mecatronice educaionale 3. Instrumente software pentru
dezvoltarea aplicaiilor industriale
Sisteme industriale moderne. Evoluia n dezvoltarea
tehnologic
Evoluia omenirii a fost nsoit de o dezvoltare lent a uneltelor,
dispozitivelor i sistemelor create
i realizate de om, ncepnd din paleolitic si pn n secolul 18, cnd
odat cu inventarea mainii cu abur (James Watt 1788), care a marcat
nceputul revoluiei industriale, sistemele tehnice au cunoscut o
evoluie rapid. Maina cu abur s-a constituit ntr-una dintre primele
borne ale procesului de nlocuire a muncii fizice, prestate de
oameni i animale, cu lucrul mecanic efectuat de maini. Cteva repere
importante de-a lungul acestui drum:
1775 - prima main orizontal de gurit i alezat evile de tun
(englezul John Wilkinson); 1784 ciocanul mecanic cu abur; 1795
presa cu transmisie hidraulic; 1797 primul strung cu crucior i ppu
mobil, acionate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (nceputul
secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19).
Pe parcursul secolului al 19-lea apar i se dezvolt motoarele cu
ardere intern, ca rezultat al
preocuprii unor inventatori de geniu de a realiza mijloace de
transport rutiere:
1807 brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu
funcionare cu gaz i cu aprindere cu ajutorul unei scntei
electrice;
1872 invenia motorului cu benzin i supape laterale motorul Otto;
1887 motorul Daimler, cu ardere intern, cu doi cilindri n V, la
care aprinderea combustibilului
avea loc la fiecare rotaie a arborelui (capacitatea cilindrica
de 1,5 l; puterea de 7,5 CP).
A1
1
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 2
Caracteristica esenial a sistemelor tehnice de pn n jurul anilor
1900 este aceea c acestea erau pur mecanice. Mecanica pura a permis
realizarea unor adevrate bijuterii tehnice, cum ar fi precursorul
genial al calculatorului electronic, reprezentat de maina de calcul
a lui Charles Babbage, sau maina de scris mecanic; s-au pus nsa n
eviden i limitele acestor sisteme.
Germenii unei ere noi apar odat cu dezvoltarea motoarelor
electrice motorul de curent continuu
n 1870 i cel de curent alternativ n 1889, care au permis,
realizarea, la nceputul secolului 20, a unor sisteme mecanice cu
acionare electric (pompe, maini unelte etc.). Electrotehnica a
permis i saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control
automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare
electrice, avnd ca exponeni avioanele, mainile-unelte, turbinele cu
aburi, automobilele.
Perioada de dup cel de-al doilea rzboi mondial este caracterizat
prin realizri tiinifice i
strpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic
numeric n 1945, tranzistorul cu germaniu n 1948, cel cu siliciu n
1952, tiristorul n 1958, primul circuit integrat n 1959, laserul
etc.
n 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a
realizat i s-au fcut demonstraii cu o
main de frezat cu comand numeric. Ca nceput al mainilor unelte
cu comand numeric poate fi considerata utilizarea benzii perforate
n rzboiul de esut automat (de ctre Jaquard) i n pianola mecanic cu
program. Un rol important n perfecionarea acestor maini l-a avut
utilizarea calculatorului n locul benzii perforate, ajungndu-se la
comanda numeric, cu ajutorul calculatorului, a mainilor unelte.
La nceputul anilor 1960 sunt realizai i primii roboi
industriali. Fabricarea i utilizarea roboilor a
fost facilitat de rezolvarea anterioar a unor probleme tehnice,
indispensabile pentru funcionarea roboilor:
problema manipulrii pieselor la distan, cu ajutorul mecanismelor
articulate, denumite
telemanipulatoare; o dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost
impus de necesitatea manipulrii materialelor
radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, n procesul
utilizrii energiei nucleare. Astfel c:
1947 - a fost construit primul telemanipulator cu servo-acionare
electric, n care operatorul uman nu controla fora de prindere;
1948 - a fost introdus legtura invers (feed-back), realizndu-se
astfel telemanipulatorul cu bucl nchis.
fabricarea manipulatoarelor cu operator uman a implicat
rezolvarea unor probleme eseniale pentru proiectarea i realizarea
unui robot:
o modelarea cu ajutorul mecanismelor a micrilor braului i
antebraului omului (mecanisme de poziionare);
o modelarea cu ajutorul mecanismelor a micrilor de orientare
specifice ncheieturii minii omului (mecanisme de orientare);
o modelarea micrilor degetelor minii, specifice operaiilor de
prindere.
problema automatizrii mainilor unelte prin intermediul comenzii
numerice a permis stpnirea comenzii incrementale a micrilor i a
poziionrii de mare precizie, prin dezvoltarea de servo-motoare,
servo-comenzi i senzori de poziie/deplasare;
problema automatizrii calculelor i a controlului cu ajutorul
calculatoarelor electronice. Iat cteva repere semnificative n
evoluia roboticii:
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 3
1961 instalarea primului robot industrial UNIMATE la General
Motors. i n urmtoarele decenii industria automobilului a fost fora
motrice pentru producia roboilor industriali. Astfel, n 2002, n
Germania erau 120 de roboti la fiecare 10.000 de angajai, dar n
industria automobilului proporia era de 1 robot la 10 muncitori
productivi.
1963 Cercettorii de la Rancho Los Amigos Hospital din California
au construit Rancho Arm pentru sprijinirea persoanelor handicapate.
Avea 6 articulaii, dispunea de gradele de mobilitate ale minii
umane i a deschis drumul spre construirea roboilor
antropomorfi.
studentul n construcia de maini, Victor Scheinman, a realizat la
Stanford Artificial Intelligence
Laboratory, robotul Stanford pentru microchirurgie. Avea 6 grade
de mobilitate i era primul robot conceput pentru comanda cu
calculatorul. A fost precursorul unor roboti industriali
remarcabili, ca PUMA (Programmable Universal Manipulator for
Assembly), robotul cu cel mai mare succes de pia pn n prezent.
1979 Robotul mobil Stanford Cart a reuit prima parcurgere a unei
incinte mobilate cu scaune. Se
baza pe o camer video, montat pe o sanie, i i stabilea drumul pe
baz de grafuri i algoritmi de cutare. Primele maini mobile
reprezentative au fost nsa broatele estoase Elsie i Elmer ale
englezului Grey Elmer, n 1950, capabile s identifice o priz
electric i s-i ncarce bateriile.
1973 La Universitatea Waseda din Tokyo a fost realizat primul
robot umanoid n mrime natural
Wabot-1. Japonezii sunt cei mai ferveni susintori ai dezvoltrii
unor roboi cu aspect umanoid, care s fie acceptai mai uor ca
parteneri n servicii, munci casnice, ajutorarea persoanelor
handicapate. Exemple semnificative: roboii P3 (Honda) i Asimo
(Advanced Step in Innovative Mobility). Acesta din urma, realizat n
2001, are o nlime de 1,20 m, o greutate de 43 kg, iar prin
modificarea centrului su de greutate se poate deplasa i n
curbe.
doi roboi umanoizi renumii de la M.I.T. Kismet (Soarta), are
buze de cauciuc, urechi rozalii,
care arat ca dou erveele mpturite, ochi mari, n care sunt
montate camere miniaturale i poate vedea, auzi i vorbi cu ajutorul
unui sintetizator; Cog (Cognition = Cunoatere), este constituit
dintr-un trunchi de robot, care poate prinde obiecte i le poate
aduce n dreptul celor doi ochi, materializai prin dou camere
video.
Cteva dintre realizrile din domeniul roboticii par a fi
desprinse din science-fiction i ele nu ar fi
fost posibile fr dezvoltarea spectaculoas a tehnicii de calcul
i, n special, a microelectronicii, care este un pilon de baz al
sistemelor. n finalul acestui paragraf se vor puncta cteva dintre
principalele etape ale dezvoltrii tehnicii de calcul.
Prelucrarea automat a informaiilor a fost revoluionat de apariia
i dezvoltarea calculatoarelor
electronice numerice. Prima generaie a fost realizata cu tuburi
electronice, primul calculator din aceast generaie fiind ENIAC
(Electronical Numerical Integrator and Calculator), construit ntre
1942-1946 la Universitatea Pennsylvania.
A urmat generaia a doua, cu tranzistoare, ntre anii 1950-1960,
pentru ca naterea
microelectronicii s genereze salturi revoluionare, marcate de
urmtoarele etape semnificative:
1959 - anul de natere a microelectronicii; primul circuit
integrat (TEXAS INSTRUMENTS); 1971 - producerea primului
microprocesor de 4 bii - INTEL-4004; 1974 - apariia
microprocesoarelor de 8 bii - INTEL-8080;
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 4
1978 producerea primului microcontroler; 1981 - primul
calculator personal IBM PC-XT; 1985 - lansarea sistemelor software
AUTOCAD, dBASE III, IV i a unor noi limbaje de programare de
nivel nalt: PASCAL, C; 1986 - limbaje de programare destinate
rezolvrii problemelor de inteligen artificial: LISP,
PROLOG; procesare n limbaj natural; 1987- explozie tehnologic n
arhitectura hardware lansarea calculatoarelor echipate cu hard-
disk-uri.
Alte etape importante parcurse din 1987 i pn n prezent:
mrirea continu a capacitii de stocare a discurilor hard;
dezvoltarea tehnicilor de procesare n paralel; introducerea
discurilor optice read/write; utilizarea de microprocesoare din ce
n ce mai performante; dezvoltarea unor noi sisteme de operare, cu
performante superioare; mrirea capacitii memoriei interne; creterea
vitezei de prelucrare; extinderea posibilitilor de lucru n mod
grafic etc.
Succinta prezentare a evoluiei sistemelor tehnice, de la sisteme
pur mecanice la sisteme
mecatronice, sintetizat i n figura 1.3, permite evidenierea
ctorva concluzii:
I. integrarea electronicii i a tehnicii de calcul a condus la
simplificarea substanial a componentelor mecanice i la sisteme mai
ieftine;
II. pri mecanice au fost nlocuite cu componente electronice, mai
ieftine, mai fiabile i mai uor de
ntreinut, ntruct pot facilita auto-diagnoza;
III. aceste sisteme sunt mai precise, ntruct precizia nu se
bazeaz pe rigiditatea i stabilitatea mecanic, ci pe sisteme
electronice de msurare i reglare;
IV. simplificarea construciei mecanice a fost facilitat i de
comanda descentralizat, cu ajutorul
microcalculatoarelor, a acionrilor electrice, ca, de exemplu, la
maini de scris, maini de cusut, manipulatoare cu mai multe
cuple;
V. n perspectiva unor construcii mai uoare, s-au realizat
sisteme relativ elastice, cu o amortizare
mecanic redus, dar la care o comand cu reacie adecvat, bazat pe
electronic, senzori i actuatori adecvai, asigur o amortizare
electronic. Exemple: roboi elastici, transmisii de putere elastice,
macarale uriae, sisteme hidraulice, conducte i construcii n spaiul
cosmic;
VI. introducerea unor sisteme de reglare pentru poziie, vitez,
for etc. permite nu numai meninerea
n limite rezonabile de precizie a mrimilor programate, dar i
obinerea unei comportri quasi-liniare, chiar daca sistemul mecanic
comandat este neliniar.
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 5
Tabel 1. Evoluia tehnologic
Sisteme pur mecanice Pn n 1900
1788 maina cu abur; 1872 motorul Otto; 1887 motorul Daimler;
maina de calcul a lui Babbagge; maina de scris mecanic.
Sisteme mecanice cu acionare electric
1920 Maini unelte; Pompe.
Sisteme mecanice cu control automat Anii 1930 Avioane,
Automobile, Turbine cu abur, Maina de scris electric.
Sisteme mecanice cu: control electronic analogic; control
secvenial; control numeric.
ncepnd cu anii 1950 pna la mijlocul anilor 1980
Lifturi cu control automat; Maini unelte cu comand numeric;
Roboi industriali; Periferice de calculator.
Sisteme mecatronice integrare mecanic & electronic &
tehnic de calcul Sinergie; software-ul determin funciile; noi
instrumente de proiectare.
De la mijlocul anilor 1980
Roboi mobili; Linii flexibile; Controlul electronic al
automobilului (ABS, ESP); Uniti CD-ROM.
1870 motorul de c.c. 1889 motorul de c.a.
Relee electrice Amplificatoare Regulatoare
1948, 1952 - tranzistorul 1955 - tiristorul 1959 circuitul
integrat 1971 - microprocesorul
1878 - microcontrolerul 1981 PC-ul magistrale de proces noi
senzori i actuatori integrarea componentelor
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 6
Clasificarea sistemelor mecatronice
La sfritul anilor 1970, Societatea Japonez pentru promovarea
industriei de maini (JSPMI) a clasificat produsele mecatronice n
patru categorii:
1. Clasa I Primele produse mecanice cu electronic ncorporat n
scopul mbuntirii funcionalitii. Exemple sugestive: maini unelte
controlate numeric i maini de prelucrare cu vitez variabila.
2. Clasa II Sisteme mecanice tradiionale cu electronic
semnificativ ncorporat. Interfeele
externe cu utilizatorul rmn nemodificate. Exemple sugestive:
maina de brbierit automat i sistemele de fabricare automate.
3. Clasa III Sistemele care menin funcionalitatea sistemelor
mecanice tradiionale, dar
mecanismele interioare sunt nlocuite cu cele electronice.
Exemplu sugestiv: ceasul digital.
4. Clasa IV Produse ce nglobeaz tehnologii mecanice i
electronice prin integrare sinergetic. Exemple sugestive:
fotocopiatoare, usctoare inteligente, roboi de buctrie i cuptoare
automate. Performanele produselor electromecanice atinse n cadrul
fiecrei clase, sunt strns legate de
progresul tehnologic din domeniile de control al sistemelor,
microcontrolerelor i a puterii de calcul. Startul produsele
aferente clasei a I-a a fost dat de tehnologia servo, electronica
de putere i teoria
de control a sistemelor. Produsele aferente clasei a II-a au
prins via odat cu apariia primelor calculatoare, dispozitivelor
de memorie i posibilitatea de realizare a circuitelor de
comand.
Produsele clasei a III-a ncep s surprind conceptul de integrare
ntr-un mod tot mai vizibil, sistemele mecanice fiind tot mai mult
nlocuite cu microprocesoare i circuite integrate.
Produsele clasei a IV-a au marcat nceputul adevratelor sisteme
mecatronice, prin integrarea sistemelor electronice cu cele
mecanice. A nceput dup 1970 cnd Intel Corporation a lansat pe pia
microprocesoarele, dispozitive electronice care puteau integra
sistemele mecanice cu cele electronice. Practic tot ceea ce numim
produs de nalta tehnicitate este produs mecatronic. Automobilul
modern, roboii, tehnica de calcul, tehnica de telecomunicaii,
aparatura biomedical, sistemele de transport inteligent, aparatura
de cercetare, aparatura electrocasnic, aparatura cine-foto i
audio-video, mainile agricole moderne etc., sunt exemple
reprezentative de produse mecatronice.
Ca i concluzie final, este evident c orice definiie a
mecatronicii am alege, mecatronica modern
implic procesarea informaiei ca i ax central. ncorporarea
microcontrolerelor pentru modularea puterii mecanice i adaptarea
sistemului la
diferite puncte de funcionare sunt esena mecatronicii moderne i
produselor inteligente.
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 7
Sisteme mecatronice reprezentative
Mecatronica atrage din ce n ce mai mult atenia. Termenul este
tot mai des folosit ntr-o gam tot mai larg de produse i aplicaii
inginereti.
Termenul de mecatronic se refer la mbinarea sinergetic dintre
ingineria de precizie, controlul
electronic i gndirea integratoare n procesul de proiectare al
produselor i proceselor de fabricaie. Este un subiect cu caracter
interdisciplinar ce se bazeaz pe discipline de baz inginereti dar n
acelai timp include discipline neasociate n mod direct cu
disciplinele de baz.
Conceptul de baz n aceast definiie este ideea de abordare a
sistemului ca ntreg. Acest lucru
implic proiectarea i optimizarea sistemului ca un ntreg i nu ca
o secven incremental de pai. Totui, nu orice produs realizat prin
intermediul conceptului mai sus amintit face subiectul unui produs
mecatronic.
n cadrul proiectrii produselor mecatronice este esenial munca n
echip. Specialiti din domeniul
mecanic, electric, control i tiina calculatoarelor trebuie s
coopereze n cadrul unei echipe n toate fazele de proiectare pentru
a converge la o soluie integrat.
De la gramofon la CD Player
Gramofonul este unul dintre primele dispozitive de redare a
sunetelor. Ca medii de stocare se foloseau discurile de vinil.
Discurile de vinil erau clasificate n funcie de viteza lor de
redare, viteza maxim fiind de 78RPM (rotaii/minut). La fel ca i n
prezent, se punea problema meninerii vitezei de redare la o valoare
constant. La vremea respectiv soluia a constat n utilizarea unor
platane greoaie a cror inerie dictau practic viteza de redare, n
concluzie nu exista nici o informaie (feedback) din partea
gramofonului cu privire la turaia real de redare. Performanele
aparatului erau dictate de miestria i priceperea fabricantului
platanelor. Pickup-ul a reprezentat urmtorul pas pe scara evoluiei
gramofonului. Versiunea modern a acestuia (Fig. 1.1), denumit
generic i Vinil Player evideniaz puternic conceptul de integrare a
componentei electronice, mecanice i cel mai important a celei
informaionale. Acesta utilizeaz un senzor de turaie i un platan
mult mai uor. n acest caz conceptul de feedback este clar
evideniat, turaia este msurat continuu de ctre senzor, transmis mai
departe ctre un microcontroler, care are rolul de a modula puterea
actuatorului pentru a menine turaia n parametrii impui. ns
adevratul produs mecatronic l-a reprezentat aa numitul CD Player.
CD Player-ul este un produs mecatronic de nalt tehnicitate unde
capul de citire standard al gramofonului a fost nlocuit cu un cap
de citire laser. Viteza de redare a CD-ului nu este una constant ci
variaz ntre 300 i 500 RPM scznd odat cu creterea diametrului pistei
citite. Informaia citit este procesat digital, sub form de bii i
octei, este memorat ntr-o zon memorie tampon i procesat ulterior de
ctre un convertor digital/analogic (DAC). Acest procedeu elimin
toate fluctuaiile de vitez. Aceste performane nu ar fi putut fi
atinse niciodat cu un sistem pur mecanic, chiar dac am avea la
dispoziie un sistem foarte bun de control al turaiei. n cazul de
fa, meninerea turaiei CD-ului la parametrii foarte strici nu este
obligatorie, ci trebuie doar s previn umplerea sau golirea zonei de
memorie tampon. Fluxul informaiei n cadrul CD Player-ului se poate
observa n Fig. 1.2.
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 8
Fig.1.1. Dezvoltarea tehnologic a gramofonului
Fig.1.2. Fluxul informaional n cadrul unui CD Player
Flexibilitatea introdus prin combinarea mecanicii de precizie i
a electronicii n partea de control, a permis dezvoltarea CD-ROM
Player-elor , acestea din urm rulnd la viteze de peste 30 ori mai
mari dect CD Player-ele originale. Un nou mod de gndire a fost
necesar pentru a da natere unei astfel de soluii.
n momentul de fa tehnologia Blu-Ray reprezint vrful n domeniul
stocrii informaiei pe suport optic. Tehnologia permite stocarea a
maximum 50 GB de informaie pe un disc, ns tehnologia viitoare va
aparine Discurilor Holografice. Acestea vor putea stoca pn la 3.9
TB de informaie. Dispozitivul de citire va avea dou capuri laser de
citire, un laser rou i unul verde. Informaia va fi citit i
prelucrat de cele dou capuri laser i convertit n final ntr-o form
utilizabil.
Oscilator
La vechile gramofoane turaia de redare era dictat de
ineria platanului.
Versiunea modern a gramofonului utilizeaz un senzor de turaie
n
combinaie cu un platan foarte uor.
Adevratul produs mecatronic l-a reprezentat CD Player-ul.
Discul
este citit la viteze variabile n funcie de diametrul pistei de
citire.
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 9
Automobilul modern
Un alt exemplu sugestiv l reprezint automobilul modern (Fig.
1.3). Pn n anii 1960 radio-ul a fost singura component electronic
semnificativ din componena automobilului. Toate celelalte funcii
erau pur mecanice sau electrice, ca sistemul de rencrcare a
bateriei i sistemul de pornire al motorului. Nu existau sisteme
inteligente de protecie cu excepia barelor de protecie i structura
de rezisten a caroseriei.
Centura de siguran a fost introdus de-abia la nceputul anilor
1960 cu scopul de a mbuntii condiiile de siguran ale pasagerilor i
era acionat complet mecanic. Toate sistemele auxiliare ale
motorului erau controlate de ctre ofer i/sau alte sisteme mecanice.
De exemplu, nainte de apariia senzorilor i microcontrolerelor,
generarea scnteii la bujii era realizat prin intermediul unui
distribuitor mecanic. Variabila controlat era timpul de generare a
scnteii. Aceast metod nu era optim din punct de vedere al eficienei
carburantului i arderii. Prin modelarea matematic a procesului de
aprindere, a reieit c pentru a crete eficiena arderii, exist un
moment optim de generarea a scnteii. Acest moment depinde de
ncrcarea mainii, de vitez i ali parametrii msurabili.
Sistemul de aprindere electronic a fost unul dintre primele
sisteme mecatronice introduse n
automobile la sfritul anilor 1970. Sistemul de aprindere
electronic este constituit din: senzor pentru determinarea poziiei
arborelui cotit, axului cu came, debitul aerului, poziia i viteza
pedalei de acceleraie i un microcontroler dedicat pentru
determinarea timpului optim de generare a scnteii. Implementarea
timpurie a acestui sistem avea n componen doar un senzor cu efect
Hall pentru determinarea poziiei rotorului din cadrul
distribuitorului. Ulterior, distribuitorul a fost eliminat complet,
iar scnteia a fost controlat direct utiliznd un microcontroler.
Sistemul de antiblocare a roilor la frnare (ABS) a fost introdus
tot la sfritul anilor 1970. Sistemul ABS sesizeaz blocarea unei roi
i moduleaz presiunea hidraulic n aa fel nct alunecarea s fie minim
(meninerea traciunii la frnare).
Sistemul de control al traciunii (TCS) a fost introdus n
automobile la mijlocul anilor 1990. Sistemul
TCS sesizeaz alunecare roilor n momentul acceleraiei i moduleaz
puterea roii care alunec (meninerea traciunii la acceleraie). Acest
proces asigur oferul c automobilul accelereaz la puterea maxim
indiferent de condiiile de drum.
Sistemul de control dinamic al automobilului (VDC) a fost
introdus spre sfritul anilor 1990. VDC
funcioneaz similar cu TSC, cu meniunea c s-a adugat un senzor
pentru determinarea unghiului de rotaie dup axa Z i un
accelerometru pentru deplasarea lateral a mainii. Intenia oferului
este determinat de poziia volanului n timpul mersului i apoi
comparat cu direcia actual de mers. TCS este activat pentru
controlul vitezei mainii i pentru minimizarea diferenei dintre
poziia volanului i direcia de mers a mainii. n unele cazuri, ABS-ul
este utilizat pentru a ncetinii maina cu scopul obinerii
controlului dorit.
n automobilele moderne din ziua de astzi sunt utilizate
microcontrolere de 8, 16 i 32 bii pentru
implementarea diverselor sisteme de control. Microcontrolerul
are n structura lui intern memorie EEPROM/EPROM, intrri/ieiri
digitale i analogice, convertoare A/D, PWM, temporizatoare,
numrtoare, ntreruperi i n unele cazuri modul de procesare digital a
semnalelor. Microcontrolerele pe 32 de bii sunt utilizate pentru
managementul motorului, controlul transmisiei i airbag-uri; cele pe
16 bii sunt utilizate pentru ABS, TCS, VDC, sistemul de aer
condiionat, i instrumentele de bord; iar cele pe 8 bii sunt
utilizate pentru scaune, controlul oglinzilor retrovizoare i
sistemul de deschidere al geamurilor. Exist ntre 30 i 60
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 10
de microcontrolere ntr-o main modern. Acest numr va crete tot
mai mult n urmtorii ani, iar acest lucru evideniaz necesitatea
mecatronicii n industria constructoare de maini.
Viitoarele sisteme mecatronice destinate industriei de fabricaie
a mainilor ar putea include: autoparcare n lateral, nlocuirea unor
sisteme hidraulice cu sisteme servo electromecanice, asistare la
parcarea cu spatele. Deoarece numrul automobilelor este n continu
cretere, standarde stricte cu referire la emisia de noxe sunt
impuse de la an la an. Noile produsele mecatronice vor contribuii
esenial n viitor pe aceast component.
Fig.1.3. Automobilul modern
Maina de splat modern
nc din cele mai vechi timpuri oamenii i-au splat hainele prin
cufundarea acestora n apa rurilor
i lovirea acestora de pietre. Primele dispozitive inventate
pentru splarea hainelor au fost grtarele de lemn. n 1858,
americanul Hamilton Smith a patentat maina de splat rotativ. Dei
avea o form care semna cu maina de splat modern, invenia lui Smith
era nc acionat manual. Prima main de splat acionat electric a fost
inventat n Statele Unite n 1908, modelul Thor fiind brevetat de
ctre Alva Fisher i introdus pe pia de compania Hurley Machine
Company of Chicago. n Europa, producia mainilor de splat automate
nu a nceput dect la nceputul anilor 50 (Fig. 1.4).
Maina de splat modern este un adevrat produs mecatronic.
nglobeaz un sistem senzorial
extrem de robust i performant monitorizat de un microcontroler
care moduleaz energia mecanic, cea termic i aciunea chimic de
curare a rufelor. Maina de splat a viitorului ar putea fi cea bazat
pe tehnologia Xeros1. n 2008, Universitatea din Leeds a dezvoltat
un model de main de splat care folosete doar 280 ml de ap la un
ciclu de splare. Aceasta din urm ar putea revoluia felul n care
funcioneaz mainile de splat economisind cantiti uriae de ap i
energie.
1 http://www.xerosltd.com/
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 11
Model anii 1860
Model anii 1900 Model anii 1950
Prezent
Fig.1.4. Dezvoltarea tehnologic a mainii de splat
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 12
Platforme mecatronice educaionale
Educaia mecatronic Mecatronica s-a nscut n mediul industrial,
termenul a fost brevetat de ctre concernul japonez
Yaskawa Electric. Strdaniile la nivel academic, pentru a asigura
pregtirea specialitilor n acord cu cerinele noii tehnologii au
condus la conturarea principiilor mecatronice n educaie.
Aceste principii vizeaz: dezvoltarea gndirii sistemice; formarea
deprinderilor de a lucra n echip.
Educaia mecatronic asigur flexibilitate n aciune i gndire,
trsturi definitorii ale specialistului
n economia de pia. Networking este cuvnt cheie n educaia
mecatronic. Reeaua este structura care stimuleaz integrarea i
faciliteaz controlul.
Oferind soluii eficiente pentru promovarea interdisciplinaritii,
mecatronica a devenit suportul
demersurilor pentru stimularea iniiativei i a creativitii.
Laboratoarele transdisciplinare de mecatronic constituie baza
pentru materializarea principiilor: nvare prin practic, nvare prin
cercetare.
Abordrile n acest sens sunt eseniale pentru mutarea accentului
de pe latura de informare pe cea
de formare, pe toate treptele procesului educaional. Educaia
mecatronic asigur dezvoltarea gndirii moderne, care, este: global,
probabilist, modelatoare, operatoare, pluridisciplinar i
prospectiv.
Coninutul termenului s-a mbogit continuu, ca urmare fireasc a
evoluiei n dezvoltarea
tehnologic. Foarte curnd mecatronica a devenit filosofie. Pentru
practica inginereasc, filosofia mecatronic a marcat saltul de la
ingineria tradiional, secvenial, la ingineria simultan sau
concurent.
n ultimii ani mecatronica este definit simplu: tiina mainilor
inteligente. Mai recent, demersurile
pentru promovarea conceptului de integrare n educaie i
cercetare, aduc n atenie problema mecatronicii ca: mediu educaional
pentru integrare, respectiv, mediu de proiectare i fabricare
integrat, pe fundalul cruia s-a dezvoltat conceptul de proiectare
pentru control.
n literatura de specialitate au devenit consacrate extinderi n
alte domenii precum: hidronic,
pneutronic, termotronic, autotronic, agromecatronic (agricultur
de precizie) etc. Evoluia n dezvoltarea tehnologic nseamn:
micromecatronic, nanomecatronic i biomecatronic. Tendina general
este de intelectualizare a mainilor i sistemelor.
2
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 13
Platforme educaionale
Sistemele mecatronice folosesc pentru realizarea funciei impuse
energia electric, hidraulic, pneumatic sau alte surse
neconvenionale. Toate aceste forme de exploatare energetic i gsesc
locul ntr-o gam larg de aplicaii moderne, pornind de la sistemele
industriale, medicale i pn la tehnica militar i aerospaial.Funcie
de specificul aplicaiei, pot fi n consecin exploatate avantajele
fiecrui sistem de tranfer energetic: precizia i elegana n acionare
a sistemelor electrice, simplitatea constructiv i sileniozitatea
sistemelor pneumatice, densitatea de for i precizia sistemelor
hidraulice, n general orice avantaj pe care o anumit transformare
energetic l poate constitui pentru o anumit aplicaie.
Actuatorii fluidici spre deosebire de actuatorii electrici au
marele avantaj al generrii simple a micrii liniare. Acest avantaj
coroborat cu densitatea mare de for explic utilizarea pe scar larg
a sistemelor de acionare hidraulic. Proprietatea intrinsec a
acestor sisteme simbolic descris prin sintagma muchi de fier i
tendoane de oel este mbogit cu noiunea de precizie (1 m) datorit
fuziunii cu electronica.
Tehnicile de control modern au permis asocierea noiunii de
precizie i cu sistemele pneumatice,
astzi fiind raportate precizii sub 10 m pentru aceste sisteme.
Aadar, n pofida multiplelor neliniariti ce caracterizeaz sistemele
fluidice, tehnicile de control modern, favorizate de utilizarea
electronicii digitale, fac posibil exploatarea acestor sisteme n
aplicaii ce necesit precizii deosebite.
Proiectarea mecatronic a sistemelor i produselor impune
dezvoltarea unor cicluri de modelare, identificare, simulare,
sintez, analiz, optimizare, testare, astfel nct produsul final s
integreze intim, la nivel hardware i software, contribuiile tuturor
componentelor. Acest mod de abordare a proiectrii stimuleaz efectul
de sinergie prin corelarea tuturor resurselor i transformrilor, n
scopul aceleiai funciuni. Condiiile de laborator limiteaz
integrarea componentelor la nivelul software: sistemul cu
componentele sale este dat, optimizarea funcionrii acestuia poate
fi realizat doar prin intermediul strategiei de control, prin
utilizarea i procesarea optimal a informaiei din sistem. Astfel, se
pune problema achiziionrii informaiei cu privire la valoarea
parametrilor de stare ai sistemului i apoi a dezvoltrii
strategiilor de control optimale, adaptive, n baza acestor
informaii.
Sistemele mecatronice modulare reproduc la scara redus diverse
funcii existente n procesele
industriale. Prin interconectarea diverselor module se
configureaz sisteme i procese complexe. Staiile de lucru permit:
reconfigurri n conformitate cu diverse aplicaii, dezvoltarea
diverselor strategii de control, dezvoltarea conceptelor de control
n sistemele integrate, conducerea electronic a sistemelor (PLC i
PC), optimizarea funcional a proceselor, implementarea tehnicilor
de comunicaie standardizate, dezvoltarea tehnicilor de depistare si
remediere a disfunciunilor. Sunt acoperite urmtoarele domenii
tehnologice: sisteme mecatronice, sisteme de acionare (electrice,
pneumatice, hidraulice), modelarea si simularea proceselor
mecatronice, programarea PLC-urilor, tehnici de control a
micrii/forei, programarea roboilor, tehnici de manipulare,
tehnologii de asamblare, sensoric, tehnici de msurare i
monitorizare a parametrilor proceselor, comunicaia
standardizat.
Informaia cu privire la valoarea unor mrimi din sistem este
indispensabil, att la nivelul de baz
al tehnicilor de control implementate, ct i la nivelul de
management a funcionalitii sistemelor mecatronice. Utilizarea
practic a acesteia implic achiziionarea ei prin intermediul
senzorilor, respectiv prelucrarea semnalelor electrice.
Standurile permit studiul independent al unor grupe de senzori
specifici sistemelor mecatronice, respectiv achiziia i prelucrarea
semnalelor prin intermediul uneltelor Matlab/Simulink/Signal
processing. Standurile includ: senzori analogici inductivi,
capacitivi, optici, ultrasonici, mrci tensometrice, senzori de
presiune piezoelectrici, poteniometre liniare, senzori numerici
temposonici, encodere etc.
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 14
Fig.2.1. Staii de producie modulare: Distribuie, Testare,
Procesare, Manipulare, Asamblare, Sortare. Tehnologia de control:
PLCs (SIMATIC S7-313C, Festo FEC Standard), EasyPort, PC. Software:
Siemens Step 7,
COSIMIRRobotics, COSIMIRPLC, FluidSIMP, Mechatronics
Assistant.
Fig.2.2. Sisteme mecatronice pentru studiul i dezvoltarea
algoritmilor de control a micrii: motoare de c.a
i pas cu pas, motoare pneumatice, transmisie mecanic prin curea
dinat, senzori numerici incrementali de tipul encoderelor,
controlere digitale n tehnologie PLC sau dSPACE, medii de
dezvoltare Matlab/Simulink,
dSpace, Step 7, Festo FST. Conceptele mecatronice aplicate n
educaie i cercetare permit dezvoltarea de aplicaii care
integreaz diverse tehnologii indiferent de natura energetic a
transformrilor (Fig. 2.1 i 2.2).
Sistemele industriale comport anumite particulariti legate de
arhitectura acestora, de limbajele specifice folosite, de
standardul de comunicaie utilizat, de accesul limitat la resursele
sistemului. n multe situaii, legile de micare nu pot fi introduse
analitic, ci doar prin intermediul unui mediu pus la dispozitie de
productor i n limitele permise de acesta. O asemenea situaie
corespunde cazului analizat n continuare (Fig. 2.3).
PLC
FST 101
gripper,
magazie, brat
oscilant
panou de
comanda
Fig.2.3. Sistem servopneumatic pick & place
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 15
n cazul acestei aplicaii legile de micare dup cele dou axe sunt
controlate de SPC200. Celelalte elemente ale sistemului sunt
controlate de FST101, utiliznd limbaje industriale specifice
PLC-urilor: statement list (STL), ladder diagram (LDR). Funcionarea
sistemului, n configuraia dat, presupune sincronizarea funcionrii
celor dou PLC-uri, ntruct ambele contribuie la executarea unei
anumite sarcini, respectiv utilizarea a dou limbaje industriale
pentru implementarea unei sarcini: cod G pentru legile de micare,
statement list pentru ncadrarea acestor legi n contextul unei
aplicaii.
Legile de micare obinute prin planificarea micrii, chiar ntr-un
cadru limitat (industrial) de accesare a resurselor sistemelor,
conduc la atenuarea ocurilor n funcionarea acestora, la mbuntirea
funcionalitii.
Proiectarea i optimizarea funcional a sistemelor mecatronice
implic proceduri de modelare, identificare, sintez, analiz i
testare a produselor. Tehnica digital permite implementarea de
algoritmi de control care confer flexibilitate, adaptabilitate i
precizii sporite sistemelor. Optimizarea funcional a
servosistemelor hidraulice implic construirea modelului matematic,
analiza fenomenelor fizice asociate: curgerea turbulent prin
diafragme, frecarea n motoarele liniare, compresibilitatea
fluidului de acionare, micarea sertarului sub aciunea
electromagnetului proporional. Determinarea constantelor modelului
matematic, simularea numeric a procesului, identificarea
experimental a procesului, analiza i testarea modelului sunt etape
preliminare proiectrii strategiilor de control. Platformele de
control dSPACE permit achiziionarea datelor din sistem, prelucrarea
i vizualizarea parametrilor de stare, respectiv controlul
servosistemului prin diverse strategii, simple sau complexe. n Fig.
2.4 se detaliaz standul i strategia de control pentru servosistemul
considerat.
Sistemul de dezvoltare dSPACE face parte dintr-o platform de
modelare, simulare i control a sistemelor mecatronice dezvoltat n
cadrul proiectului CEEX, CONMEC. Alte abordri n domeniul cercetrii
vizeaz tehnici de proiectare a sistemelor mecatronice n care pri
ale sistemului sunt reale, altele sunt virtuale astfel nct
procedurile de testare i validare a rezultatelor s poat fi derulate
chiar n absena unor componente ale sistemului vizat. Alte direcii
de cercetare au ca obiectiv optimizarea proceselor de urmrire a
traiectoriilor i eliminarea ocurilor, reducerea zgomotului n
sistemele mecatronice, optimizarea parametrilor micrii prin
prelucrarea optimal a parametrilor de stare, optimizarea tehnicilor
de control a impedanei mecanice. Platformele mecatronice constituie
o baz ideal pentru instruire, educaie i cercetare mecatronic,
pentru susinerea procesului de reconversie i orientare profesional
n acord cu meseriile i cerinele UE.
Signa
l 1
Signal Builder
Signal
Generator
Saturation
Manual
Switchu
e3u3
K3
u
e2u2
K2
u
e1u1
K1
1
s
Integrator
-
K-Gain
3
du/dt
Derivative
DACDS1104 DAC_C1 ADC C7ADC C6ADC C5
ref
U=-k*x
K = matricea
de control
optimal
x2x1 xp
SERVOSISTEM HIDRAULIC
GENERARE
REFERINTA
CONTROLER
OPTIMAL
CONVERSIE
DATEdSPACE
DS1104
x1 x2 xpu
Fig.2.4. Optimizarea funcional a servosistemelor hidraulice
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 16
Concepte utilizate n dezvoltarea aplicaiilor Metode de
dezvoltare precum Prototiparea Controlului (Control Prototyping),
Software In the Loop
(SIL), Hardware In the Loop (HIL) sunt tot mai des utilizate n
industrie n procesul de proiectare i cercetare (n special n
industria auto), ele permind dezvoltarea fazelor proiectrii ntr-un
mediu integrat, respectiv implementarea i testarea rapid a
algoritmilor de control. Aceste metode implic o funcionare n timp
real a platformelor de proiectare, indiferent de configuraia
sistemului/procesului, atta vreme ct se nteracioneaz cu sisteme
reale. Echipamentele din dotarea autolaboratorului platforma dSpace
DS1104 permit implementarea acestor metode moderne. O succint
detaliere a acestor tehnici de dezvoltare, simulare i testare n
timp real este realizat n Fig. 2.5.
Fig.2.5. Metode de dezvoltare a aplicaiilor
Prototiparea Controlului (Control Prototyping): procesul este
real i este controlat de un sistem de
control simulat prin utilizarea unui alt hardware dect cel ce va
fi utilizat n final. Hardware-In-the-Loop (HIL): procesul este
simulat i controlat pe baza unei strategii de control
implementat pe un hardware specific (cel care va fi utilizat n
controlul sistemului). Software in the loop: procesul este simulat
i este executat n timp real mpreun cu algoritmul de
control, care este de asemenea simulat. Tehnicile de dezvoltare
amintite mai sus comport utilizarea unor componente hardware i
software dedicate, care s permit rularea n timp real a
aplicaiilor. Cteva din elementele ce pot fi utilizate n arhitectura
unui sistem de simulare-testare utiliznd resursele acestei
platforme de cercetare sunt detaliate n cele ce urmeaz:
Componente hardware: module procesor, module intrare/ieire ce
acoper cerinele HIL
(generatoare de semnal bazate pe algoritmi i forme de und,
module de msurare etc.), simulatoare ale bus-urilor de comunicaie,
elemente de condiionare de semnal, incluznd adaptoare de tensiune,
simularea defectelor electrice, simulatoare de sarcin (electric,
mecanic etc.)
Componente software: software de implementare (pentru
implementarea i execuia n timp real a modelului), software pentru
stabilirea i monitorizarea comunicaiei pe bus; modele virtuale ale
sistemelor sau componentelor acestora, software pentru managementul
experimentelor, software pentru testare, pentru programarea grafic
i administrarea automat a testelor.
Componente opionale: animaie real-time 3D, integrarea i
sincronizarea unor module adiionale, precum cele pentru
diagnosticare i calibrare.
Simulare in timp real
Proces real
Controler simulatProces simulat
Controler simulatProces simulat
Controler real
CP
(Control Prototyping)SIL
(Software-In-the-Loop)
HIL
(Hardware-In-the-Loop)
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 17
Compatibilitatea dintre dSpace i Matlab-Simulink genereaz un
mediu de dezvoltare extrem de puternic, grania dintre abordarea
virtual i cea real aproape disprnd. n configuraia unei asemenea
platforme de dezvoltare/simulare/testare pot fi introduse att
componente reale ct i modele virtuale, funcie de obiectivul vizat.
Astfel sunt posibile urmtorele abordri: testarea unei funcii noi pe
un sistem existent fr a pune n pericol sistemul, testarea fiecrei
componente din sistem prin conectarea la sistemul virtual, testarea
comportamentului sistemului la apariia unor defeciuni, testarea
unor noi strategii de control care optimizeaz funcionarea
sistemului.
Instrumente software pentru dezvoltarea aplicaiilor
industriale
Din punct de vedere educaional, respectiv din punct de vedere al
tehnicilor de cercetare, se identific trei abordri privind studiul
sistemelor:
studiul pe sistem real (proces real, controler real; toate
componentele sistemului sunt reale, Fig.
3.1); studiul pe sistem simulat (proces simulat, controler
simulat; toate componentele sistemului sunt
simulate - concept SIL, Fig. 3.2); studiul pe sistem parial real
- parial simulat (hibrid - concept HIL, Fig. 3.3).
Fig. 3.1. Studiul pe sistem industrial real (proces real,
controler real)
3
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 18
Fig. 3.2. Studiul pe sistem industrial simulat (proces simulat,
controler simulat) - concept SIL
a) Controler simulat Proces real
b) Controler real Proces simulat
Fig. 3.3. Studiul pe sistem parial real - parial simulat
(hibrid) (concept HIL)
Tehnologia SIEMENS-FESTO (Siemens Simatic STEP7 - Cosimir PLC -
FluidSim H/P) permite urmtoarele abordri:
proces simulat n Cosimir PLC controler simulat n Siemens
S7-PLCSIM (SIL) proces simulat n Cosimir PLC controler real prin
interfaa EasyPort (HIL) proces simulat n Cosimir PLC controler
simulat n FluidSim H/P (SIL)
proces simulat n FluidSim H/P controler simulat n Siemens
S7-PLCSIM (SIL) proces simulat n FluidSim H/P controler real prin
interfaa EasyPort (HIL) proces simulat n FluidSim H/P controler
simulat n FluidSim H/P (HIL)
proces real prin interfaa EasyPort controler simulat n Siemens
S7-PLCSIM (HIL) proces real prin interfaa EasyPort controler
simulat n FluidSim H/P (HIL)
Legturile de date care favorizeaz comunicarea ntre cele trei
medii sunt asigurate prin intermediul
unui server OPC. Comunicarea dintre medii se face simplu,
selectnd tipul de simulare dorit, dup cum se poate observa n Fig.
3.4.
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 19
Fig. 3.4. Tipuri de conectare a sistemului parial real - parial
simulat prin intermediul server-ului OPC Cosimir PLC este un
simulator grafic 3D care pune la dispoziia utilizatorului diferite
replici ale unor sisteme de producie industriale (Fig. 3.5). Toate
aceste aplicaii software pot fi conduse prin intermediul unui PLC
extern sau a unui PLC simulat, fiind permis simularea defeciunilor
(defeciuni ale senzorilor, cabluri ntrerupte sau alte avarii),
testarea diverselor strategii de control, monitorizarea
parametrilor etc. Utilizatorul se familiarizeaz astfel cu modul de
operare i structura unui sistem industrial, programeaz funcionarea
sistemului utiliznd tehnologii i limbaje reale specifice mediului
industrial, fr riscul de a deteriora instalaia (se aduce procesul n
laborator n form simulat).
Fig 3.5. Mediul Cosimir PLC
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 20
S7-PLCSIM este simulatorul integrat al mediului de dezvoltare
Simatic STEP 7 (Fig. 3.6). Funciile simulatorului:
testarea programelor de control fr a fi necesar conectarea la un
PLC real. Vizualizarea i modificarea variabilelor programului
(temporizatoare, numrtoare, etc.), Rularea pas cu pas a
algoritmului de control.
Fig 3.6. Interfa S7-PLCSIM FluidSIM H/P este un software pentru
crearea, simularea i studiul circuitelor electropneumatice,
electrohidraulice i digitale (Fig. 3.7). Programul dispune de
fotografii, animaii i explicaii ale principiului de funcionare
pentru toate componentele hidraulice i pneumatice uzuale. Acest
lucru il face extrem de bun pentru persoanele autodidacte. Ofer de
asemenea o ntreag gam de posibiliti de comunicare cu alte programe
prin intermediul interfeelor standardizate DDE i OPC. Cu ajutorul
interfeei EasyPort D16 se poate asigura legtura cu procesul
real.
Fig 3.7. Aplicaia FluidSIM
-
A1 Sisteme industriale moderne. Tehnologii educaionale
A1 - Pag 21
Interfaa EasyPort D16 (16 intrri/16 ieiri) asigur legtura dintre
PLC-ul extern i PC/proces simulat, convertete semnalele logice
externe i comunic cu PC-ul prin intermediul unui protocol de
comunicaie RS-232 (Fig. 3.8). Intrrile i ieirile interfeei sunt
izolate optic prin intermediul unor optocuploare.
Fig.3.8. Interfaa hardware EasyPort
Aplicaia EzOPC (server-ul OPC) asigur legturile bidirecionale de
date dintre cele trei medii SIEMENS-FESTO (Fig. 3.9). Termenul OPC
provine din Open Connectivity via Open Standards i este o interfa
standardizat n mediul industrial ce asigur transferul de informaie
dintre aplicaiile de tip Windows i echipamentele industriale.
Server-ul OPC permite sarcini cum ar fi vizualizarea, msurarea sau
achiziia de date s fie efectuat indiferent de echipamentele
implicate. Astfel c, OPC este un standard ce nu este legat strict
de o anumit aplicaie.
Fig.3.9. Aplicaia EzOPC
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A1 - Pag 22
-
A2 - Pag 1
Sisteme de acionare
pentru aplicaii industriale 1. Studiu comparativ ntre sistemele
electricehidraulice-pneumatice 2. Structura circuitelor hidraulice
i pneumatice
Studiu comparativ ntre sistemele
electrice-hidraulice-pneumatice
Orice proces industrial necesit manipularea unor obiecte sau
exercitarea unor fore asupra lor.
Acest lucru este realizat uzual prin conversia energiei
electrice, hidraulice sau pneumatice n lucru mecanic. n majoritatea
cazurilor, sistemele de poziionare sunt controlate cu ajutorul
motoarelor de curent continuu
sau a celor de inducie de curent alternativ. Micarea de rotaie
se obine simplu, fiind starea normal de
funcionare a unui motor electric, iar cea de translaie prin
utilizarea unor mecanisme de conversie:
transmisii prin urub, prin curele etc. Pentru obinerea unei
simple fore sau a unei deplasri scurte se pot
utiliza solenoizii (exist o limit pentru fora ce poate fi obinut
cu aceste dispozitive). Echipamentele
conduse cu ajutorul lichidelor se numesc sisteme hidraulice (din
grecescul hydra = ap i aulos = conduct;
descriere ce implic utilizarea apei ca i fluid dei n practic se
utilizeaz uzual uleiuri). Echipamentele
conduse cu ajutorul aerului se numesc sisteme pneumatice (din
grecescul pneumn = suflare, vnt). Cel mai
utilizat gaz n sistemele pneumatice este aerul, ocazional azot
(exemplu - roile de avion).
Fiecare tip de sistem are avantajele i dezavantajele lui i
pentru ndeplinirea aceleai sarcini
industriale se pot utiliza sisteme din cele trei categorii mai
sus amintite. Inginerul trebuie s analizeze
situaia i s aleag soluia constructiv cea mai favorabil care se
preteaz pentru sarcina de realizat. De
exemplu, principalele avantaje i dezavantaje ale sistemelor
pneumatice sau hidraulice sunt strns legate de
caracteristica fluidului ce le acioneaz: compresibilitatea
ridicat a aerului i incompresibilitatea uleiului.
Compresibilitatea aerului face extrem de dificil controlul
proporional al sistemelor pneumatice, n
industrie fiind utilizate n majoritatea cazurilor pentru sarcini
de poziionare de tip ON/OFF sau cu mai multe
poziionri intermediare. n ultimii ani au aprut i soluii pentru
controlul proporional al sistemelor
A2
1
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 2
pneumatice, ns trebuie avute n vedere costurile. Totodat: sunt
rapide, robuste, simple i uor de
ntreinut, curate. Incompresibilitatea uleiului permite
realizarea unui control proporional bun n cazul
sistemelor hidraulice, ns pot aprea scurgeri de ulei. Un sistem
pneumatic industrial lucreaz uzual la o
presiune de 8 bar pe cnd unul hidraulic la o presiune de 150-300
bar (densitate mare de for). Comparnd
un motor electric cu unul hidraulic d.p.d.v. al densitii de for,
primul dezvolt o presiune de maxim 15
bar, pe cnd cel de-al doilea 600 bar. Aceast diferen face ca
raportul maselor celor doua motoare sa fie
de 14:1, raportul gabaritelor de 26:1, momentul de inerie masic
de 72:1 (cu implicaii mari n timpul de
accelerare sau de rspuns la o excitaie treapta, adic performana
dinamic a motorului). Un al doilea mare
avantaj este acela al realizrii mult mai simple a micrii
liniare, la vitez mic, att de deficitar n
acionarea electric.
Avantajele si dezavantajele celor trei tipuri de sisteme vor fi
exemplificate n cele ce urmeaz prin
analiza unui sistem de ridicare a unei sarcini pe o distan de
500 mm utiliznd acionare electric,
hidraulic i pneumatic. Astfel de procese sunt uzuale n
industrie. Exemplul se va concluziona cu un tabel
n care se vor prezenta principalele caracteristici ale celor
trei sisteme de acionare.
Sistem de acionare electric
n cadrul unui sistem de acionare electric avem trei soluii
uzuale de acionare: solenoid, motorul
de curent continuu sau motorul de inducie de curent alternativ.
Solenoidul produce o micare liniar, dar
cursa este limitat la o distan de aproximativ 100 mm. Motoarele
de curent continuu i cele de curent
alternativ au nevoie de un mecanism de conversie a micrii lor
naturale de rotaie ntr-una de translaie.
Acest lucru nu reprezint o problem; exist soluii comerciale care
includ att motorul ct i mecanismul
de conversie. Alegerea motorului depinde n general de viteza
dorit n cadrul aplicaiei. Un motor de curent
continuu echipat cu un tahometru i acionat de un circuit de
putere cu tiristoare permite un control n
vitez foarte bun, dar necesit mentenan repetat a periilor i
comutatorului. Motorul de inducie de
curent alternativ nu necesit mentenan, dar sunt dispozitive de
acionare cu vitez fix impus constructiv
de numrul de poli i frecvena tensiunii de alimentare. Viteza
poate fi modificat cu un convertizor de
frecven dar trebuie avut n vedere supranclzirea motorului, dat
fiind faptul c multe dintre aceste
motoare sunt rcite de un ventilator intern prins pe rotorul
motorului (blocarea la suprasarcin).
Vom presupune c o vitez constant de avans i retragere este
suficient pentru aplicaia noastr,
prin urmare alegerea logic va fi un motor de inducie de curent
alternativ mpreun cu un mecanism urub-
piuli. Motoarele electrice nu pot rmne blocate la capt de curs,
asta ar nsemna absorbia unui curent
extrem de mare i n final distrugerea lor (exist totui motoare
speciale de curent continuu care cu un
control foarte bun n curent i un sistem de rcire adecvat pot fi
blocate la capt de curs), de aceea se vor
utiliza senzori pentru semnalizarea captului de curs pentru
oprirea motorului din funcionare.
Astfel c sistemul nostru va arta precum cel din Fig. 1.1, fiind
alctuit dintr-un mecanism urub-
piuli (cric) acionat de un motor de inducie de curent
alternativ, doi senzori pentru semnalizarea
captului de curs i un dispozitiv de protecie a motorului n caz
de suprasarcin.
-
A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale
A2 - Pag 3
Fig.1.1. Sistem de acionare electric
3 ~ 415V
Avans
Retragere
Siguran suprasarcin
Motor
Avans
Retragere
Retragere
Avans
Avans
Retragere
Siguran suprasarcin
Motor electric
W
SC1
SC2
SC1
Senzor capt de curs avans
Senzor capt de curs retragere
Cric mecansim urub-piulit
M
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 4
Sistem de acionare hidraulic
O soluie de acionare prin intermediul lichidelor este prezentat
n Fig. 1.2. Actuatorul liniar
hidraulic este prezentat schematic n Fig. 1.2.a i este format
dintr-o parte mobil, pistonul, care e conectat
direct la axul de ieire i o parte fix, carcasa. Dac fluidul este
pompat n camera A, pistonul va avansa, iar
axul va fi extins; dac fluidul este pompat n camera B, pistonul
se va retrage, iar axul va fi retras. Bineneles
c trebuie gndit o soluie pentru recuperarea fluidului din camera
vecin. Fora maxim generat depinde
de presiunea fluidului i de aria seciunii pistonului. De
exemplu, o presiune de 150 bar permite ridicarea a
150 kg pe cm2 arie a pistonului, deci o sarcin de 2000 kg poate
fi ridicat cu un piston de diametru 4.2cm.
Sistemul de acionare hidraulic pentru ndeplinirea sarcinii este
prezentat n Fig. 1.2.b. Sistemul are nevoie
de un lichid pentru a funciona, reeaua de furtunuri trebuie s
fie nchis, s transfere fluidul de la tanc
pn la una din camerele pistonului i s returneze fluidul din
camera vecin napoi la tanc. Fluidul este
pompat n sistem de o pomp ce asigur fluxul lichidului la o
presiune necesar de 150 bar. Astfel de
pompe, denumite i pompe de debit, nu pot opera cu o sarcin care
crete la infinit, deoarece ele debiteaz
un volum constant de fluid la fiecare rotaie a pompei. Pentru o
sarcin care crete la valori periculoase,
presiunea din sistem trebuie limitat pentru a evita spargerea
furtunurilor sau deteriorarea pompei. Acest
lucru se realizeaz prin utilizarea unei supape limitatoare de
presiune care deverseaz lichidul pompat
napoi la tanc n cazul atingerii unei presiuni maximale n
sistem.
Micarea cilindrului este controlat de un distribuitor 4/3 (4
conexiuni / 3 poziii de funcionare). Pentru
extinderea pistonului, camera A este conectat la linia de
presiune, iar camera B la tanc. Pentru retragerea
pistonului se inverseaz procesul anterior. n poziia de centru a
distribuitorului, fluidul rmne blocat n
cilindru (acesta pstrndu-i poziia) i furtunurile rmn blocate
(tot lichidul pompat se rentoarce la tanc
datorit regulatorului de presiune).
Cteva lucruri de menionat:
viteza pistonului poate fi controlat foarte simplu prin
controlul volumului de debit ctre piston;
controlul foarte precis la viteze mici este principalul avantaj
al sistemelor hidraulice;
capetele de curs sunt determinate de cursa pistonului, deci nu
este necesar un sistem de protecie n
caz de suprasarcin;
pompa de debit trebuie acionat de o surs de energie extern, n
majoritatea cazurilor de un motor de
inducie de curent alternativ, care necesit un circuit de pornire
i un circuit de protecie la
suprasarcin;
fluidele din instalaie trebuie s fie foarte curate, deci prezena
unui filtru este obligatorie pentru a
ndeprta impuritile nainte ca acesta s treac din tanc n pomp;
ca ultim observaie, de remarcat faptul c scurgerile de fluid
sunt neplcute i de nedorit, o defeciune
major n instalaie putnd fi catastrofal.
La prima vedere sistemul hidraulic din Fig. 1.2b pare mai
complicat dect sistemul electric prezentat
anterior, dar de menionat faptul c toate componentele ncadrate n
chenarul cu linie ntrerupt sunt
uzuale pentru diverse procese industriale i nu numai pentru cel
studiat n acest exemplu.
-
A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale
A2 - Pag 5
Fig.1.2. Sistem de acionare hidraulic
Filtru
Motor electric
Supapa limitatoare
Fluid n exces
Avans OFF
Retragere
A
B
Cilindru
Distribuitor
Deversarea fluidului la tanc
Componente uzuale multor
sisteme hidraulice
W
Pomp
Camera A
Camera B
Avans
Retragere
W
a)
b)
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 6
Sistem pneumatic
n Fig. 1.3 sunt prezentate componentele unui sistem de acionare
pneumatic. Acutatorul este un
cilindru cu piston unde fora maxim este dat de presiunea aerului
i de aria seciunii pistonului. Presiunile
de lucru n sistemele pneumatice sunt mult mai joase dect n cele
hidraulice; 10 bar permite ridicarea a 10
kg pe cm2 arie a pistonului, deci un piston cu diametru de 16 cm
poate ridica sarcina de 2000 Kg specificat
n cazul sistemului hidraulic. Sistemele pneumatice necesit
actuatori mult mai mari pentru a ridica aceeai
masa n comparaie cu sistemele hidraulice. Distribuitorul
cilindrului este asemntor cu cel hidraulic.
Diferena dintre cele dou sisteme este dat de fluidul de lucru
(aer). Aerul este tras din atmosfer prin
intermediul unui filtru i adus la presiunea necesar prin
intermediul unui compresor (alimentat printr-un
motor de inducie de curent alternativ). Temperatura aerului
crete considerabil n procesul de compresare,
de aceea nainte ca aerul s poat fi utilizat acesta trebuie rcit,
iar acest lucru implic apariia procesului de
condensare. Compresorul trebuie s fie urmat de un sistem de
rcire i tratare a aerului. Sistemul de tratare
al aerului este urmat de un acumulator. Sistemele hidraulice
utilizeaz o supap de presiune pentru a
deversa fluidul excedentar napoi la tanc, n cazul sistemelor
pneumatice un comutator din cadrul
compresorului pornete motorul compresorului cnd presiunea scade
i l oprete cnd presiunea atinge
nivelul dorit. Impresia general este aceea de complexitate, dar
componentele ncadrate n chenar cu linie
ntrerupt sunt uzuale n majoritatea sistemelor pneumatice.
Majoritatea interprinderilor produc aer
comprimat ntr-o staie central i l distribuie printr-o reea
circular n toate zonele unde este nevoie,
precum se distribuie electricitatea, apa sau gazul.
Fig.1.3. Sistem de acionare pneumatic
Aer Filtru
3 ~ 415V
PSI
Motor electric
Compresor Comutator de presiune PSI
Sistem de rcire i tratare
a aerului Acumulator
OFF Avans Retragere
Distribuitor
Evacuare
W
B
A
Deschis la atingerea presiunii dorite n
sistem
Componente uzuale multor sisteme
pneumatice
-
A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale
A2 - Pag 7
Tabel 1. Studiu comparativ ntre cele trei sisteme de
acionare
Sistem Electric Sistem Hidraulic Sistem Pneumatic
Surs de energie Uzual din surse exterioare
Motoare electrice sau diesel
Motoare electrice sau diesel
Stocarea energiei Limitat (baterii) Limitat (acumulatori) Bun
(acumulatori)
Sistemul de distribuie Excelent, cu pierderi minime
Limitat, facilitate local Bun
Costul energiei Sczut Mediu Scump
Actuatori rotativi Motoare de curent continuu (control bun)
i
alternativ (ieftine).
Viteze mici. Control bun. Pot fi blocate.
Viteze variate. Control deficitar al vitezei.
Actuatori liniari Deplasri mici cu ajutorul solenzoizilor sau
mari prin mecanisme de
conversie.
Cilindri. Densitate de for mare.
Cilindri. Fore medii.
Controlul forei Posibil cu solenoizi i motoare de curent
continuu. Complicat din prisma necesitii unui
sistem de rcire.
Control bun pentru fore foarte mari.
Control bun pentru fore medii.
Densitate de for mic mare medie
Siguran Aproximativ egal pentru toate
Randament bun foarte sczut foarte sczut
Oferta de componente ieftin scump Relativ scump
De notat Pericol de ocuri
electrice.
Scurgeri nedorite. Murdrie. Risc de
incendiu. Zgomot
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 8
Structura circuitelor hidraulice i pneumatice
Structura sistemelor pneumatice
Sistemele pneumatice sunt instalaii de putere ce utilizeaz aerul
comprimat ca i agent de lucru
pentru transmiterea energiei mecanice (Fig 2.1). Compresorul
convertete energia mecanic n energie
potenial a aerului comprimat. Aceast transformare faciliteaz
transmiterea i controlul puterii. nainte de
utilizare, aerul trebuie s fie filtrat, dezumidificat i
amestecat cu vapori de lubrifiant. Aerul comprimat este
stocat n acumulatori i transmis prin conducte sau furtune
flexibile. Puterea pneumatic este controlat
prin valve de presiune, valve de debit i/sau valve
distribuitoare (sau mai simplu: distribuitoare). La final,
energie pneumatic este reconvertit n energie mecanic prin
intermediul motoarelor sau a cilindrilor
pneumatici.
Motor cu ardere intern, motor
electricCompresor
h
Transmisie, stocare i
control
h
Motor circular sau cilindru pneumatic
Sarcin
T
T
F
v
Energie termic sau electric
Lucru mecanic
Energie mecanic
Energie mecanic
Energie pneumatic
Fig.2.1. Schema bloc a sistemelor pneumatice
Sisteme hidrodinamice
Sistemele hidraulice transmit puterea mecanic prin majorarea
energiei lichidelor hidraulice. Exist
dou tipuri de astfel de sisteme: hidrodinamice i hidrostatice.
Sistemele hidrodinamice (numite i sisteme
hidrocinetice) transmit puterea mecanic prin intermediul
energiei cinetice a fluidului hidraulic. n general,
aceste sisteme includ o pomp rotodinamic, o turbin i cteva
elemente adiionale de control.
2
-
A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale
A2 - Pag 9
Aplicaiile sistemelor hidrodinamice sunt limitate la micri
circulare i nlocuiesc transmisiile clasice
datorit unui raport putere/greutate superior i al unui nivel mai
ridicat de controlabilitate. n cadrul
sistemelor hidrodinamice se deosebesc 2 tipuri de echipamente:
cuplajulul i reductorul hidraulic.
Cuplajul hidraulic (Fig. 2.2) este practic un ambreiaj pe baz de
fluid hidraulic. Pompa 2, acionat
prin intermediul arborelui de intrare *1+, antreneaz fluidul cu
vitez foarte mare spre paletele turbinei 3,
creia i transfer o mare parte din energia sa cinetic. Turbina
antreneaz n micare arborele de ieire 4
care dezvolt o putere foarte apropiat de cea de intrare. Fluidul
hidraulic este recirculat permanent.
Reductorul hidraulic (Fig. 2.3) este un cuplaj cu un element
suplimentar: statorul 5, care const ntr-
o serie de palete ataate la carcas. Se utilizeaz atunci cnd se
impun rapoarte de transmitere diferite de
unitate, n condiiile unui randament acceptabil.
3-Turbin
4-Arbore de ieire
2-Pomp
1-Arbore de intrare
1-Arbore de intrare 4-Arbore
de ieire
3-Turbin
2-Pomp
5-Stator
Fig.2.2. Cuplajul hidraulic Fig.2.3. Reductorul hidraulic
Structura sistemelor hidrostatice
Sistemele hidrostatice transmit i controleaz puterea variind
presiunea fluidului hidraulic. Aceste
sisteme sunt utilizate n industrie, echipamente mobile,
aeronautic i altele. Acestea poart denumirea de
sisteme hidraulice de putere. n Fig. 2.4 este evideniat
principiul de funcionare i componena acestora.
Motor cu ardere intern, motor
electric sau turbin cu gaze
PompP
Q
Transmisie i control
P
Q
Motor circular sau cilindru
hidraulicSarcin
T
T
F
v
Energie termic, electric sau
termodinamicLucru mecanic
Energie mecanic
Energie mecanic
Energie hidraulic
Fig.2.4. Schema bloc a sistemelor hidraulice
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 10
Conceptele de energie, putere i transmiterea puterii hidraulice
sunt explicate cu ajutorul
exemplului urmtor: se consider un motostivuitor hidraulic ce
ridic o sarcin dat vertical, pe distana y,
n intervalul de timp t (Fig. 2.5). Pentru ndeplinirea acestei
cerine, motostivuitorul acioneaz asupra
sarcinii cu fora vertical F. Dac frecerea este neglijat, la
echilibru, fora va fi egal cu greutatea maselor
deplasate (F = mg). Lucrul mecanic efectual este:
La sfritul ridicrii, energia potenial a corpului ridicat crete
cu valoarea E, unde
n care
Energia potenial este nmagazinat pe perioada a t secunde. Aceast
energie, raportat la
unitatea de timp, ne indic puterea consumat, astfel
n care
Fig. 2.5. Ridicarea unei greuti cu motostivuitorul hidraulic
P puterea consumat pentru ridicarea sarcinii *W+ v viteza de
ridicare [m/s]
E energia potenial *J+ F fora vertical aplicat *N+ g acceleraia
gravitaional *m/s2] m masa sarcinii [kg] L lucrul mecanic efectual
[J] y deplasarea pe vertical *m+
-
A2 Sisteme de acionare pentru aplicaii industriale
A2 - Pag 11
Sarcina este ridicat prin intermediul unui cilindru hidraulic cu
tij unilateral, simpl aciune (se
extinde sub aciunea forelor de presiune i revine sub aciunea
greutii sarcinii). Cilindrul (Fig. 2.6)
acioneaz asupra sarcinii cu fora F i se deplaseaz cu viteza
v.
Uleiul hidraulic aflat la presiunea p este livrat cilindrului cu
o valoare Q a debitului volumetric (m3/s).
Neglijnd frecarea dintre piston i cama cilindrului, fora de
presiune dezvoltat se deduce din relaia:
Pe perioada t, pistonul este dislocat vertical pe distana y.
Volumul uleiului ce a ptruns n incint
este V=Apy. Prin urmare, debitul poate fi exprimat:
Puterea furnizat de cilindru se determin cu relaia:
n care
Fig. 2.6. Ridicarea pe vertical prin intermediul unui cilindru
hidraulic
Puterea consumat pentru ridicarea sarcinii este egal cu puterea
hidraulic dezvoltat de cilindru
datorit ipotezelor prin care s-au neglijat frecrile i alte
pierderi de energie.
Ap aria pistonului [W] v viteza de ridicare [m/s] Q debitul
volumic [m3/s] V volumul descris de piston [m/s]
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A2 - Pag 12
Componentele de baz ale unui sistem hidraulic
n Fig. 2.7 sunt prezentate comparativ schema cu seciuni
funcionale i simbolizarea standard ale
unui sistem hidraulic simplu.
Din punct de vedere funcional, sistemul este alctuit din:
1. Un motor electric antreneaz n micare pompa cu roi dinate,
care convertete energia mecanic
n energie hidraulic
2. Uleiul hidraulic este condus prin evi i furtunuri ctre
diferite supape prin intermediul crora i se
controleaz curgerea. Instalaia prezentat conine o supap
limitatoare de presiune, o supap
distribuitoare i un drosel variabil cu supap de reinere
3. Energia hidraulic este convertit din nou n energie mecanic la
nivelul cilindrului hidraulic. n
practic, se utilizeaz i motoare hidraulice pentru conversia
energiei hidraulice n energie mecanic
de rotaie.
Cilindru hidraulic
Drosel variabil cu supap de reinere
Distribuitor 4/3
Supap limitatoare de
presiune
Pomp
Filtru
Rezervor
Fig.2.7. Circuitul hidraulic: seciune i simbolizare
-
A3 - Pag 1
Controlul Sistemelor Industriale I
1. Sisteme de control industriale de tip PLC - structur, limbaje
standardizate 2. Limbajul industrial LDR (Ladder Diagram) -
operanzi, operatori, instruciuni
Sisteme de control industriale de tip PLC
Elementul central n cadrul unui sistem mecatronic l constituie
sistemul de control electronic
care conduce, regleaz i optimizeaz procesul. Aceste funcii sunt
asigurate de o structur fizic dedicat de tip controler, care poate
fi realizat cu circuite logice integrate, microprocesoare,
microcontrolere, automate programabile (PLC) sau se poate
identifica chiar cu un calculator personal (PC). n cazul
controlului aplicaiilor industriale, cea mai larg utilizare o au
sistemele de control electronic de tip PLC (Programmable Logic
Controller - Controler Logic Programabil/Automat Programabil),
care, pe baza unor programe elaborate de utilizator, comand i
regleaz aplicaia, vizualizeaz starea procesului, semnalizeaz
anumite defeciuni, comunic ntre ele sau cu alte structuri de
control prin reele standardizate.
n cadrul abordrii curente se urmrete tratarea problematicii
privind programarea aplicaiilor industriale conduse prin
intermediul PLC-urilor.
Scurt istoric. La sfrsitul anilor 60 Compania General Motors
(prin Divizia Hydramatic -1968) a elaborat specificaia de
proiectare pentru un calculator industrial care urma s nlocuiasc
controlul pe baz de relee din industria de maini. Noul sistem de
control trebuia s ndeplineasc urmtoarele cerine: s ofere o
modalitate simpl de programare a aplicaiilor; s poat fi utilizat n
mediile industriale (variaii de temperatur, tensiuni de alimentare
variabile); modificrile de program s nu presupun modificri
structurale; s aib dimensiuni reduse, siguran n funcionare,
robustee; costurile de ntreinere s fie reduse.
Dou companii independente au rspuns cerinelor General Motors:
Bedford Associates (astzi Modicon) i Allen Bradley. Primele
asemenea sisteme erau alctuite dintr-o unitate central (central
processor) conectat la exterior (proces) prin 4 module de cmp:
intrri i ieiri de curent continuu i de curent alternativ.
Proiectate ca nlocuitoare ale releelor, limbajul de programare
conceput a fost inspirat din diagramele aplicaiilor conduse prin
relee, adresat electricienilor i ca atare numit: Ladder Diagram
(diagrame scar). Numele dat acestor sisteme a fost initial
Programable Controllers, cu abrevierea PC. Odat cu apariia
minisistemelor de calcul de tip Personal Computer (PC) i datorit
dezvoltrii fulminate a acestora, pentru a evita confuziile ntre
cele dou abrevieri s-a procedat la referirea acestor sisteme de
control industrial, prin acronimul PLC (Programmable Logic
Controller), marc nregistrat Allen Bradley
A3
1
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A3 - Pag 2
pentru aceast gam de produse. La noi se utilizeaz formularea
Automat programabil pentru aceast gama de produse.
Iniial, sarcina acestor controlere a fost s identifice starea
logic a unor semnale de intrare i, funcie de valoarea de adevr a
unei expresii logice (construite pe baza semnalelor de intrare), s
comute ieirile corespunztoare.
Treptat, capacitatea de procesare s-a dezvoltat prin asimilarea
funciilor temporizatoarelor, numrtoarelor, executarea operaiilor
matematice, procesarea semnalelor analogice (msurarea forelor,
deplasrilor). Evoluia tehnologiei a extins prelucrarea semnalelor
binare, la semnalele analogice, devenind posibil implementarea
controlului n bucl nchis.
Aadar, evoluia n timp PLC-urilor a fcut posibil procesarea
semnalelor analogice, vizualizarea proceselor, comunicarea prin
reele standardizate (CAN, PROFIBUS), accesarea aplicatiilor de la
distan etc. Acest nivel de prelucrare a informaiei nu se mai
regsete n denumirea controlerului (Controler Logic Programabil) ns
denumirea se pstreaz n continuare: PLC.
PLC-uri Definiie, Limbaje standardizate, Structur,
Funcionare
Termenul de PLC este definit prin IEC-1131: ,, Un sistem
electronic (digital) de operare, proiectat pentru utilizarea n
mediul industrial, ce folosete o memorie programabil pentru
stocarea intern a instruciunilor necesare implementrii unor funcii
specifice (logice, secveniale, temporizare, contorizare, calcul
matematic), pentru a controla prin intrrile i ieirile digitale i
analogice diferite tipuri de maini sau procese.
Aadar, un PLC este un computer proiectat pentru funcii de
control.
Majoritatea PLC-urilor (Fig. 1.1b) permit montarea adiional a
unor module prin care se lrgete setul (numrul) de semnale procesate
sau care mbogesc gama funciunilor: module de intrare/ieire digitale
i/sau analogice, module de poziionare, module de comunicaie
etc.
Fig.1.1. PLC-uri : a) structur monobloc; b) structur
modular.
a) b)
-
A3 Controlul Sistemelor Industriale I
A3 - Pag 3
Din punct de vedere funcional, n structura unui PLC se disting
trei componente cu roluri bine
definite (Fig. 1.2): modulele de intrare preiau semnalele din
sistemul controlat prin intermediul senzorilor i le
convertesc n semnale logice pentru a putea fi prelucrate de CPU;
unitatea central de prelucrare(CPU) proceseaz semnalele primite pe
baza instruciunilor unui
program, ia decizii i emite semnale numerice pe modulele de
ieire n conformitate cu strategia de control;
modulele de ieire convertesc semnale de la CPU n semnale de
comand n scopul acionrii diferitelor echipamente prin intermediul
actuatorilor.
Programarea aplicaiilor se realizeaz n general pe un sistem de
calcul auxiliar (PC) care
comunic cu PLC-ul printr-un port serial. Productorii
controlerelor industriale asigur mediile software de dezvoltare i
implementare a aplicaiilor: STEP 7, FST, CX Programmer, RS Logix
etc. Aceste medii permit dezvoltarea aplicaiilor n diverse limbaje
de programare, mai mult sau mai puin populare: Ladder diagram,
Statement list, Structured text, Sequential function chart etc.
Unele PLC-uri sunt prevzute suplimentar i cu dispozitive dedicate
de programare i diagnosticare (console de programare).
n funcionarea PLC-urilor se disting ca elemente specifice pentru
aceste tipuri de structuri: procesarea ciclic i imaginea de proces.
Procesarea ciclic presupune parcurgerea programului ,,linie cu
linie i, dup prelucrarea ultimei instruciuni, reluarea prelucrrii
de la nceput (Fig.1.3). Rularea ciclic a programului va continua pn
la comanda de oprire.
Imaginea de proces este o zon a memoriei n care este nregistrat
configuraia intrrilor la nceputul ciclului i n care se actualizeaz
configuraia ieirilor pe parcursul rulrii unui ciclu.
Tabela de imagine a intrarilor
Tabela de imagine a iesirilor
Program PLC
INTRARI
IESIRI
CPUUNITATEA CENTRALA DE
PRELUCRARE
MODULE
DE
INTRARE
MODULE
DE IESIRE
Fig.1.2. Structura unui PLC
Fig.1.3. Modul de funcionare al unui PLC
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A3 - Pag 4
Aceste mod de funcionare presupune: nainte de procesarea primei
linii, starea (valoarea) intrrilor va fi nregistrat ntr-o tabel
imagine a intrrilor; coninutul imaginii de proces a intrrilor nu
se va modifica pe toat durata unui ciclu chiar dac
unele intrri se modific; pe parcursul unui ciclu programul va
accesa aceast memorie pentru citirea intrrilor; pe msur ce ruleaz
programul, n tabela imagine a ieirilor se nregistreaz starea
(valoarea)
ieirilor; la sfritul ciclului configuraia ieirilor se va
modifica n acord cu valorile furnizate de memoria
imagine de proces; un nou ciclu va presupune o nou nregistrare a
strii intrrilor n memoria imagine i un nou
proces de actualizare a ieirilor cu execuie la sfritul
ciclului.
Structura hardware a unui PLC Structura hardware de principiu a
unui PLC este prezentat n Fig. 1.4. n continuare se detaliaz trei
elemente importante ale acestora: unitatea central de procesare,
memoria i interfeele de intrare/ieire.
PLC-ul este un echipament electronic de automatizare care poate
conduce un proces numai dup efectuarea legturilor cu senzorii i cu
elementele de execuie (actuatori), urmat de nscrierea programului
de lucru n memoria automatului. Legtura dintre PLC i procesul
condus se asigur prin intermediul interfeelor de intrare/ieire
(module de intrare/ieire). Fiecare senzor trebuie conectat la o
interfa de intrare a automatului i fiecare actuator trebuie
conectat la o interfe de ieire a automatului.
Programul de lucru al PLC-ului se scrie ntr-un limbaj de
programare adecvat, cu ajutorul unui dispozitiv de programare (ex.
PC). Programul se stocheaz n memoria automatului i execuia
programului este controlat de procesorul unitii centrale. Faptul c
memoria automatului poate fi tears i apoi ncrcat cu un nou program
ori de cte ori se dorete, sau c programul din memorie poate fi
modificat dup dorin, ofer PLC-ului flexibilitate n utilizare.
PLC-ul este conceput totodat pentru funcionarea n mediu
industrial: este insensibil la perturbaii electromagnetice, poate
funciona ntr-un domeniu larg de temperatur i de umiditate, este
compatibil direct cu procesul prin utilizarea unor semnale la
tensiuni industriale etc.
Fig.1.4. Schema bloc a PLC-ului
-
A3 Controlul Sistemelor Industriale I
A3 - Pag 5
Unitatea central. Reprezint "creierul" automatului programabil i
are rolul de a pune n legtur interfaa de intrare, memoria de date i
interfaa de ieire, pe baza programului descrcat de utilizator n
memoria program. Unitatea central interpreteaz instruciunile din
memoria program, pe baza crora efectueaz evaluri logice, calcule
aritmetice, prelucrri numerice ale variabilelor de intrare i
furnizeaz un rezultat memoriei de date sau interfeei de ieire.
Memoria. Memoria PLC-urilor este alctuit din circuite
electronice integrate care sunt capabile s nregistreze informaii
sub form binar (0 logic sau 1 logic). Informaia elementar este
bit-ul, denumire care provine de la "binary digit" din limba
englez. Memoria joac un rol important n funcionarea PLC-ului
deoarece reprezint locul n care se nscrie programul de lucru al
aplicaiei sub forma unei liste de instruciuni. Procesorul citete
din memorie instruciunile programului i le execut. Memoria PLC-ului
este organizat n: memoria de date i memoria program.
Memoria program pstreaz programul realizat i ncrcat de
utilizator prin intermediul calculatorului sau al consolei de
programare. Memoria program este nevolatil, de tipul flash sau
EEPROM.
Memoria de date sau memoria de lucru, reprezint zona volatil a
memoriei automatului programabil. Aici sunt stocate rezultatele ale
operaiilor efectuate de unitatea central sau valori introduse de
operator de la un terminal extern (consol de programare, terminal
programabil) i care sunt apoi prelucrate de ctre unitatea
central.
Aceast zon de memorie poate fi asimilat memoriei RAM de la
calculatoarele personale (PC-
uri). Majoritatea automatelor programabile sunt prevzute cu
baterie pentru a pstra coninutul unor zone din memoria de date i
dup pierderea tensiunii de alimentare.
Din punctul de vedere a modului de stocare a informaiei nscrise
n memorie se deosebesc dou
tipuri principale de memorii: memorii care pot fi terse
(volatile); memorii care nu pot fi terse (nevolatile). Ambele
tipuri de memorii se utilizeaz n PLC-uri.
Module (interfee) de intrare/ieire. Comunicarea unui PLC cu
aplicaia se realizeaz prin intermediul canalelor de intrare i ieire
(intrri, ieiri). Intrrile i ieirile unui PLC sunt necesare pentru
monitorizarea i controlul procesului i pot s fie de dou tipuri:
logice sau continue. Intrrile vin de la senzori care convertesc
mrimile fizice n semnale electrice. Ieirile spre elementele de
acionare permit PLC-urilor s genereze o anumit aciune n proces.
Ansamblul modulelor electronice de intrare amplasate ntre
bornele de intrare ale automatului
i magistrala intern constituie interfaa de intrare. Interfaa de
intrare este prevzut cu un anumit numr de canale de intrri logice
sau analogice. Fiecrei intrari i se aloc o adres.
Modulele electronice amplasate ntre magistrala intern i bornele
de ieire ale automatului constituie interfaa de ieire. Modulele de
ieire sunt adesea construite pe baz de relee, dar deasemenea pot s
includ, tranzistoare pentru ieirile de curent continuu sau triace
pentru ieirile de AC. Interfaa de ieire este prevzut cu un anumit
numr de canale de ieiri logice sau analogice. Fiecrei ieiri i se
aloca cte o adres.
n PLC-urile monobloc intrrile i ieirile sunt integrate n aceeai
unitate. Pentru PLC-urile modulare intrrile sunt achiziionate prin
module sau carduri. n Fig. 1.5 se arat cum se face conectarea a dou
intrri la un modul (card) de intrare. Ambele contacte (un buton de
apsare i contactul unui releu termic) sunt conectate de o sursa de
curent alternativ. Cnd contactele sunt nchise, se alimenteaz
intrrile. Dac tensiunea de intrare pe o intrare este mai mare de o
anumit valoare, se va activa intrarea respectiv (trece n 1
logic).
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A3 - Pag 6
Aici neutrul pentru alimentarea de la reea este nulul sau
tensiunea de referin. Toate
tensiunile sunt msurate relativ la el. Dac exist o a doua
alimentare, trebuie s legm nulurile mpreun. Adesea nulul comun i
masa pot fi confundate. Nulul este o referin, care se ntrebuineaz
pentru 0V iar masa este folosit pentru prevenirea ocurilor si
distrugerea echipamentelor. Masa este conectat la pmnt prin
sistemul electric al unei cldiri (pmntarea). Din pcate muli
ingineri i fabricani amestec aceste legturi. Adesea masa si nulul
sunt etichetate greit.
n general circuitele de intrare/ieire izoleaz unitatea central
de aparatura extern prin intermediul optocuploarelor (Fig. 1.6).
Alte componente de circuit se folosesc pentru protecie la
supracreteri sau a inversrii polaritii.
Fig.1.5. Modul de intrare (este utilizat notarea Allen Bradley
pentru PLC-uri: I: 013 indic faptul c modul de
intrare e montat n rack-ul 01, slotul 3; 01 i 03 indic adresele
intrrilor)
Fig.1.6. Circuite de intrare
-
A3 Controlul Sistemelor Industriale I
A3 - Pag 7
Fig.1.7. Circuite de ieire
Fig.1.8. Conectarea unui modul de ieire (24 Vdc). Considerm c
alimentm circuitul extern cu 24V DC. Cnd ieirea 07 este activat
curentul va trece prin 07 la COM, astfel nchiznd circuitul i fcnd
lampa sa se aprind. Ieirea 03 a releului este conectat n mod
asemntor. Cnd ieirea 03 este activat curentul va strbate bobina
releului i motorul se va alimenta cu 120V AC.
-
Modulul 3. Mecatronic II - Dezvoltare tehnologic i tehnologii
educaionale n societatea bazat pe cunoatere
A3 - Pag 8
La fel ca i modulele de intrare, modulele de ieire rareori
alimenteaz. Sunt construite pe baz de relee, tranzistoare sau
triace. Releele sunt capabile sa comute ntre ieirile AC i DC, dar
sunt mai lente (comutarea se face n jur de 10ms), cost mai mult i
se uzeaz mai rapid. Tranzistoarele sunt limitate pentru ieirile DC,
triacele sunt limitate pentru ieirile AC, timpii de reacie fiind
sub 1MS.
Ieirile de la PLC-uri trebuie s furnizeze tensiunile de acionare
necesare. Cteva asemenea circuite sunt detaliate n Fig. 1.7. Alte
componente sunt folosite pentru protecie mpotriva curentului
excesiv sau a inversrii polaritii.
Fig.1.9. Conectarea unui modul de ieire (24 Vdc). Considerm c
alimentm modulul (cardul) cu 24V DC. Cnd ieirea 07 este activat
curentul va trece prin 07 la COM, astfel nchiznd circuitul i fcnd
lampa sa se aprind. Cnd ieirea 03 este activat curentul va strbate
bobina releului i mo