Pe plan mondial, în anul 2000 cifra de afaceri în domeniul automatizărilor a fost de 46 miliarde euro, valoare împărţită în mod aproximativ egal între cele trei mari zone: SUA şi Canada, Europa şi Asia. În pofida recesiunii şi a crizei mondiale, la automatizări se înregistrează o creştere anuală de circa 6%. Pentru Europa de Est, ritmul mediu de dezvoltare pe următoarea decadă este de 4.9% pe an. Volumul total al vânzărilor va creşte de la 2,300 miliarde USD în 1998 la 3,700 miliarde în anul 2008. Ritmul cel mai ridicat de creştere se înregistrează în industria celulozei şi hârtiei, de aproape 10%, urmat de centrale (termice, hidro, electrice) şi mediu, cu circa 6,2%. Valoarea cea mai mare a investiţiilor de automatizări este în industria chimică şi farmaceutică, urmate de industria extractivă, petrol şi gaze
Soluţii distribuite pentru automatizările industriale
Pentru aplicaţiile de automatizări industriale, cu cerinţe severe şi echipamentele distribuite pe distanţe mari, sunt necesare calculatoare specializate şi unelte hardware şi software fiabile, robuste şi uşor de folosit. Aceste unelte trebuie să fie capabile să comunice cu dispozitive precum instrumentaţia de proces, controlere logice programabile (PLC-uri), controlere de buclă şi o largă varietate de dispozitive de intrare/ieşire şi de achiziţie de date. Spre deosebire de laboratoare, mediul industrial este dur, din toate punctele de vedere, cu un nivel ridicat de zgomote şi interferenţe electromagnetice, iar dispozitivele care trebuie să comunice între ele sunt adeseori împrăştiate pe distanţe mari. În schimb, debitele de date nu sunt foarte mari, iar frecvenţele de eşantionare necesare sunt mai reduse.
Pentru a satisface cerinţele comunicaţiilor industriale sunt disponibile o gamă largă de produse hardware şi de drivere software pentru comunicarea cu dispozitivele industriale, folosind fie magistralele specifice, cum ar fi DeviceNet, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS, fie interfeţele seriale (RS-485 şi RS-232). (vezi figura 1)
Modulele din seria 7000 ale firmei ICP, brevetate cu patentul nr. 086674, reprezintă o astfel de familie de dispozitive pentru achiziţie de date şi control industrial, care sunt ieftine, uşor de utilizat, şi compatibile cu soluţiile clasice în domeniu. Modulele sunt controlabile de la distanţă, permiţând realizarea unui sistem distribuit. Seria 7000 oferă modulele ce pot fi comandate de la distanţă pe interfaţa serială, cu ajutorul unui set de comenzi specifice.
Dimensiunile modulelor sunt reduse (72x102mm), alimentarea se face la 24V, iar consumul este de circa 2W per dispozitiv. Seria I-7000 include module seriale cu intrări analogice, module cu ieşiri analogice, module cu intrări şi ieşiri digitale, module de ieşire cu relee, module de intrare cu numărătoare şi frecvenţmetre, convertor de la RD-232 la RS-485, şi repetor pentru interfaţa RS-485. De asemenea, mai există controlerul înglobat 7188, care reprezintă “creierul” sistemului distribuit de achiziţie şi control industrial, şi modulele MMI (interfaţă om-maşină) care permit dialogul cu operatorul uman (figura 2).
Setul de comenzi al modulelor I-7000 prezintă compatibilitate inversă cu familii de dispozitive care sunt standard pe industrie, cum ar fi ADAM 4000, Nudam 6000 şi modulele 6B de la firma Analog Devices. Dispozitivele din familia I-7000 sunt compatibile, dar oferă funcţii în plus şi performanţe net superioare: viteza de comunicaţie este sporită la 115K bps, tensiunea de izolare este de 3.000V, iar auto-tunerul permite ajustarea vitezei şi a formatului de date pentru a asigura o flexibilitate optimă. Datorită caracteristicilor deosebite, care nu se mai întâlnesc la alte module seriale, componentele seriei ICP CON I-7000 permit realizarea unor sisteme distribuite de achiziţie şi control, de complexitate ridicată, la un preţ scăzut.
Mai jos se prezintă succint câteva din avantajele modulelor familiei I-7000:
• Gama de temperatură de lucru extinsă, de la -20OC la +75OC;
• Tensiune de izolaţie de 3.000V.(vezi figura 3)
Autotuner
Toate repetoarele şi convertoarele familiei 7000 (convertoare RS-232 -> RS-485/422, repetoare RS-485) sunt echipate cu un nou circuit ASIC, autotunerul. Acest “Self – Tuner” poate regla automat rata de transmisie şi formatul de date (număr de biţi de start şi de stop, de date, de paritate) pe reţea. Astfel puteţi realiza o reţea heterogenă, cu module ce “vorbesc” între ele cu viteze diferite, şi folosesc diverse formate de date! În plus, utilizatorul nu mai trebuie să se preocupe de aceste caracteristici – nu este nevoit să cunoască exact parametrii de comunicaţie, nu trebuie să desfacă modulele pentru a regla formatul şi rata de transfer.
Proiectare cu dublu circuit WatchDog
Modulele 7000 sunt echipate cu circuite de supraveghere atât soft cât şi hard, proiectate pentru a reseta automat microprocesorul, în cazul când modulele dau erori. Circuitul de supraveghere hard are grijă ca modulele să fie resetate, dacă funcţionează incorect. Programul de supraveghere supraveghează controlerul – gazdă (care poate fi un calculator tip PC, un PLC sau alt sistem cu microprocesor). Dacă acest controler generează o eroare, intrările şi ieşirile fiecărui modul I-7000 pot să treacă într-o stare de siguranţă, care a fost definită anterior.
Soluţii de control independente
În mod normal, toate modulele seriale, inclusiv cele din familia I-7000, lucrează sub controlul unui calculator – gazdă. Pentru anumite aplicaţii, utilizatorii pot însă folosi modulele de control înglobate I-7188. Aceste controlere locale preiau programul de aplicaţii de la gazdă, după care pot comanda modulele din seria 7000 fără a mai avea nevoie de calculatorul – gazdă. Este o soluţie foarte utilă pentru anumite sisteme unde survin evenimente ce trebuie tratate urgent, sau în care considerentele de temporizare sunt critice (figura 4). În continuare prezentăm câteva exemple de aplicaţii realizate în Asia (în special în China) cu ajutorul modulelor din familia I-7000.
Familia I-7000 aplicată la echipamentele de control a excitaţiei generatoarelor
Compania Electrochimică Deyang Orient
În cadrul unui generator electric, sistemul de control al excitaţiei joacă un rol foarte important. Performanţele sale determină direct fiabilitatea funcţionării generatorului respectiv.
Pentru generatoarele de capacitate medie şi mare se folosesc în mod obişnuit sisteme de control distribuite cu mai multe dulapuri de acţionare, astfel că schimbarea stării de comutaţie a releelor din fiecare dulap va afecta în mod direct operarea sistemului.
Metoda clasică de culegere a modificărilor de stare a semnalelor digitale din fiecare cabinet şi de transferare a semnalelor digitale de control este de a conecta comutatoarele şi punctele auxiliare de contact ale releelor la mufele de ieşire ale dulapului. Apoi, starea semnalelor din fiecare dulap de acţionare este transmisă la dulapul de reglaj prin intermediul cablurilor ce interconectează dulapurile. Dulapul regulator prelucrează datele şi transmite la rândul său semnalele de control digitale la terminalele dulapurilor de acţionare corespunzătoare. Dezavantajele acestei metode includ complexitatea conectării firelor între dulapuri, fiabilitatea redusă şi dificultatea realizării operaţiilor de service (figura 5).
Din acest motiv s-a adoptat folosirea modulelor distribuite de la ICP CON. Modulele din familia I-7000 comunică pe interfaţa serială RS-485 şi pot conecta până la 256 de module simultan, ceea ce simplifică interconectarea cablurilor şi face controlul foarte uşor şi fiabil. Din 1998, firma Deyang Orient a început să utilizeze calculatoare industriale ICP şi module din seria I-7000 în produsele pentru excitaţia generatoarelor. Reglajul câmpului electric se face de către calculatorul industrial, iar livrarea semnalelor digitale şi de control la cabinetele de acţionare se face pe magistrala de comunicaţie serială RS485 a modulelor din seria 7000.
Principiul controlului pentru sistemul de excitaţie este arătat în figura 6.
Regulatorul realizat cu calculator PC trimite semnalele de control la modulele I-7067 aflate în acelaşi dulap şi în dulapurile celelalte prin convertizorul de interfaţă I-7520. Fiecare modul 7067 va comanda unităţile de control corespunzătoare, executând instrucţiunile primite. Modulul I-7041 mai întâi adună toate semnalele de stare ale sistemului şi apoi le trimite înapoi la modulul I-7520 prin intermediul magistralei RS485. Regulatorul computerizat citeşte semnalele de stare de la modulul 7520 şi ajustează semnalele de control de ieşire în funcţie de semnalele de stare curente, astfel ca să atingă starea optimă de funcţionare a sistemului generator (figura 7).
Sistemul de excitaţie include în principal un dulap pentru calculatorul regulator, un dulap de suprimare a câmpului, unul pentru câmpul electric de pornire şi dulapuri pentru protecţia la supracurent şi la supratensiune. Echipamentul de control mai include câteva dulapuri cu elementele de acţionare, redresoare de putere cu tiristoare.
În fiecare dulap sunt montate module I-7067 şi I-7041, iar modulul I-7520 este montat în dulapul regulator. Interconectarea dulapurilor se face prin cabluri cu perechi de fire răsucite, ecranate.
Figura 8 prezintă conexiunile hardware ale sistemului.
Software de aplicaţii
Platforma software a fost pusă la punct utilizând Borland C++ sub MS-DOS6.22! Pentru cei obişnuiţi cu Windows 2000 poate părea straniu, dar modulele pentru achiziţie distribuită folosesc adeseori soft DOS. Programarea este mai dificilă, dar se obţine astfel un cod-program fiabil şi compact.
Semnalele modulelor I-7041 sunt achiziţionate prin metoda polling, iar ieşirea de control este o ieşire de timp real. Deoarece programul de operare al tuturor modulelor din seria 7000 este un subprogram relativ independent al programului buclei principale de reglare a sistemului, nu afectează ciclul de operare al programului principal. Întârzierile datorate aşteptării datelor nu se propagă cu efecte defavorabile în programul principal.
De aceea, putem să beneficiem de caracteristica de auto-control a cipului de control al portului serial de pe placa de bază oferită de ICP pentru a rezolva problema. Trimiterea valorilor de control la cabinetele de acţionare şi culegerea valorilor de stare ale regulatoarelor sunt transferate cipului TL16C550C, ceea ce elimină necesitatea ca programul principal să tot aştepte până când modulele sunt ocupate cu execuţia instrucţiunilor.
Softul pentru subprogramul de control al modulelor este arătat în figura 9.
Performanţele reale
Aplicarea soluţiei de control cu module I7000 pentru excitaţia generatoarelor din Shanxi Shiquan şi Sichuan Mahui a dovedit că ea poate înlocui pe deplin complexele legături paralele între dulapuri, folosite anterior. Stabilitatea şi fiabilitatea sistemului au fost mult îmbunătăţite. Performanţele sistemului au atins obiectivele de proiectare.
Aplicaţii ale modulelor din seria I-7000 la tratarea apelor reziduale
Compania de dezvoltare a ştiinţei şi tehnologiei Lehua Electric din Shanhai
Pentru o uzină de epurare a apelor reziduale a fost implementat cu ajutorul modulelor I-7000 un sistem de monitorizare şi culegere de date. Datorită dublului circuit de supraveghere al familiei 7000, sistemul poate lucra mai uşor şi mai fiabil. (figura 10)
Sistemul ce trebuie supravegheat constă din 6 zone: pompe vechi de apă uzată turbulentă, pompe noi de apă uzată, pompele de apă curată nr. 1 şi 2, vechea staţie termodinamică şi noua staţie termodinamică. Sistemul necesită numeroase semnale digitale de intrare, semnale digitale de ieşire, semnale de intrare analogice şi semnale de temperatură. În total au fost folosite 77 de module din familia I-7000. Sistemul de monitorizare cuprinde 503 puncte efective de achiziţie de date, iar cablarea pe teren se întinde până la o distanţă de 800m.
Sistemul are următoarele caracteristici principale:
– alarme în timp real;
– înregistrarea curbelor de evoluţie;
– înregistrarea istoricului;
– generarea de rapoarte.
În cadrul proiectului s-au folosit mai multe tipuri de module ICPDAS din familia 7000:
I-7520 convertor de interfaţa RS232/RS485, cu izolare ;
I-7510 repetor pentru reţeaua RS-485;
I-7052 modul cu 6+2 intrări digitale izolate;
I-7067 modul de ieşire cu relee de tip A;
I-7017 modul cu 6+2 intrări analogice de 10Hz;
I-7033 modul cu trei intrări pentru RTD-uri.
Zona pompelor vechi pentru apa turbulentă (murdară)
Această zonă conţine cinci pompe de apă folosite pentru a introduce apa uzată în staţia de epurare. La momentele de vârf de consum de apă toate cele cinci pompe sunt active, dar în extrasezon lucrează doar una până la trei din pompe. Fiecărei pompe i-au fost atribuite 8 semnale digitale de intrare, prin intermediul cărora poate fi supravegheată starea de pornit/ oprit şi toate valvele principale ale fiecărei pompe. În plus, fiecare pompă are alocate şapte semnale digitale de ieşire, care sunt folosite pentru a comanda starea pompelor şi a valvelor de control în această zonă. Cele două funcţii pot fi implementate separat folosind şapte module 7052 şi cinci module 7067. Tensiunile şi curenţii de lucru de la fiecare pompă sunt achiziţionaţi de modulul cu intrări analogice 7017. Toate modulele din această zonă sunt amplasate într-un dulap de comutaţie. Comunicarea dintre calculatorul PC front-end şi staţia de lucru 1 se face prin intermediul unui modul convertor de interfaţă Rs232/RS485, respectiv 7520. Datorită distanţei mari între staţiile de lucru, la mijlocul liniei de comunicaţie este instalat un modul repetor, 7510 (vezi figura 11).
Zona pompelor noi de apă turbulentă
În această zonă există şase pompe, care au aceleaşi funcţii ca cele cinci din prima zonă, cu excepţia faptului că sunt mai noi! Chiar în extrasezon (perioada consumului mic de apă) sunt active toate cele şase pompe. Pentru supravegherea şi controlul celor şase pompe noi se folosesc în total 21 de module de tip 7052, 7067, 7017 şi 7510.
Zona pompelor de apă curată
Pentru apa curată se folosesc mai multe pompe, distribuite în două zone. Prima zonă are şase pompe de apă curată, iar cealaltă, trei pompe. Aceste pompe sunt situate la mai puţin de 200m distanţă, iar comenzile sunt plasate în aceeaşi cameră de calculator. Totuşi, ele sunt împărţite în două zone, deoarece modulele pompelor sunt amplasate în dulapuri de control diferite, cu o anumită distanţă între ele. Pentru pompele de apă curată din zona 1 se folosesc 15 module de tip 7052, 7067, 7017 şi 7510, iar pentru pompele din zona 2 sunt suficiente nouă module. Cu ajutorul acestor module, sistemul poate supraveghea şi controla starea fiecărei pompe de apă curată.
Staţiile termodinamice
Cele două staţii, nouă şi veche, asigură abur şi energie pentru uzina de epurare. Ele folosesc 12 module ce aparţin de patru tipuri, respectiv 7052, 7067, 7017 şi 7510, pentru a culege şi controla semnale digitale şi semnale analogice. Diferenţa faţă de cele patru staţii de pompare descrise anterior este că mai apar două module 7033, folosite pentru a culege temperaturile ţevilor de la generatoarele de abur şi energie.
Probleme în timpul depanării
În faza de testare a sistemului au apărut unele probleme care au fost rezolvate:
• Datorită faptului că sunt situate la mare distanţă de facilităţile din teren, uneori anumite module individuale din zona pompelor noi de apă uzată nu puteau fi detectate. În urma analizelor şi experimentelor repetate, problema a fost rezolvată adăugând rezistori de terminaţie la ambele părţi ale modulelor 7520 şi 7510.
• În timpul folosirii modulului 7017, după ce sunt conectate semnalele de pe teren, apare adresa zero şi nu poate fi resetată on-line. Motivul este că masa analogică şi masa de putere aveau acelaşi nivel de masă. Cum setarea implicită a lui 7017 face ca INIT şi Vin7- să folosească acelaşi port, eroarea poate fi evitată deschizând modulul şi modificând setarea implicită, în loc de 6 canale diferenţiale şi două canale obişnuite în 8 canale de intrare de acelaşi fel.
Software-ul de nivel înalt
Pentru a beneficia pe deplin de avantajele modulelor din seria 7000, la nivelul superior, pe calculatorul PC, s-a utilizat software-ul KingView. Acest soft include drivere pentru toate produsele ICPDAS, ceea ce a redus foarte mult volumul de lucru al proiectanţilor. În plus, el poate utiliza la maxim avantajele programului KingView, rezultând o interfaţă cu utilizatorul mai aspectuoasă (v f.12).
Automatizarea unui releu digital de microunde
Hangzongwen, provincia Zhejiang Departamentul de Calculatoare al fabricii de echipament de telecomunicaţii 100016 de la Pekin
S-a implementat un sistem supervizor computerizat, realizat cu module din familia I-7000. Softul pentru calculatorul supervizor a fost dezvoltat folosind uneltele KingView, iar cel pentru controlerele pe post de “sclavi” a fost pus la punct cu ajutorul bibliotecilor de funcţii integrate sistemului 7188 (vezi figura 13).
Prezentarea situaţiei iniţiale
Sistemul este folosit pentru supravegherea releelor digitale de microunde din Hangzhou, Wezhou şi Ninbo, etc.
Fasciulele de microunde realizează o reţea de comunicaţii. Staţia supervizoare este amplasată în general în centrul de calcul al unui oraş, iar releele propriu-zise, “sclavii”, sunt pe vârfuri de munte în apropierea mării, într-un mediu cu condiţii foarte dure. Există şase staţii supervizoare, fiecare controlând câte un releu. Transmisia datelor dintre supervizori se face prin canale de microunde (liniile negre groase din figura 14).
Legăturile nu sunt simultane, la un moment dat numai un anumit supervizor poate interoga (poll) controlerul care este sclavul său. Toţi ceilalţi supervizori trebuie să rămână în modul de ascultare. După ce supervizorul termină discuţia cu sclavii săi, va ceda privilegiul de polling următorului supervizor. Acesta discută cu sclavii săi, apoi predă mai departe privilegiul, etc.
Elementele ce trebuie supravegheate includ starea de funcţionare a grupului electrogen Diesel, alimentarea comutatoarelor, reţeaua principală, bateriile de accumulatori, etc, precum şi temperatura ambiantă, umiditatea, şi … protecţia împotriva hoţilor!
Hardware
Monitorul pentru motoare cu ardere internă, cu dublu back-up on line, a fost special proiectat pentru a lucra cu grupurile electrogene Diesel de mare capacitate. 1600 şi 2000 sunt monitoare dedicate pentru facilităţile originale. 1600 este folosit în principal pentru a supraveghea reţeaua de alimentare şi parametrii de mediu ambiant, în timp ce 2000 este folosit pentru a monitoriza două seturi de acumulatori (fiecare cu 12 secţiuni). Modulul 7041 este folosit pentru a alarma modulul cu intrări digitale de semnale, 7067 pentru controlul semnalelor digitale, iar controlerul înglobat 7188 este modulul supervizor. El dispune de patru porturi seriale, ce includ două porturi RS-232 (se folosesc doar liniile de semnal Rx, Tx şi masă), un port RS-485 şi unul RS-232 cu toţi cei 9 pini conectaţi, care poate fi transformat în port RS-485 cu ajutorul unui jumper din interiorul modulului.
Modulul de control 7188 a asigurat numeroase interfeţe utile şi poate lucra în condiţii dure de mediu, oferind numeroase funcţii încorporate. Acestea contribuie la dezvoltarea rapidă a unui program fiabil de sistem supervizor pentru calculatoarele de pe teren. Arhitectura hard a staţiei sclav este prezentată în figura 15. Cum toate modulele de supraveghere folosesc reţeaua RS-485, sunt necesare două porturi de conversie RS-232/RS485. Portul COM1 al controlerului este un port RS232 cu toate semnalele, legat la un modem dedicat pentru a transfera datele prin canalul de microunde. La rândul lor, staţiile supervizoare din oraş sunt conectate la câte un modem dedicat, conectat pe seriala (RS232) pentru a transfera datele prin canalele de microunde.
Software
A) Software supervizor
Softul supervizor a fost pus la punct cu KingView 5.1 şi rulează pe platforma Win98/NT.
Poate efectua sarcini multiple în timp real, este multi-threading, cu viteză de eşantionare mare, asigură o fiabilitate ridicată, suportă o bază de date distribuită pentru istoric, funcţii de comunicaţie în reţea locală şi prin dial-up, şi numeroase controale ActiveX. Acest software a fost folosit pe larg în China, în industria metalurgică, oţelării, industria chimică, protecţia mediului, apărarea naţională, aeronautică, astronomie.
Folosind mediul de dezvoltare KingView se pot proiecta uşor şi convenabil sisteme supervizoare computerizate de timp real. Mai întâi trebuie definite dispozitivele şi încărcate driverele de comunicaţii. Sistemul poate să comunice, de exemplu, cu calculatoarele subordonate pe portul serial RS232. Facilităţile sunt definite în secvenţa următoare: module inteligente – familia 7000 – controler 7188 – extensii Modbus RTU. Apoi, trebuie specificaţi parametrii de lucru ai conexiunii RS232. Urmează definirea dicţionarelor de date şi relaţiile existente între regiştrii. Pentru variabilele din dicţionarele de date se pot calcula automat valorile-ţintă liniare pe baza valorilor originale. În fine, puteţi proiecta interfaţa cu utilizatorul folosind controale primitive furnizate de softul KingView şi altele proprii.
Atât pentru şiruri cât şi pentru primitive se pot clădi “legături animate” astfel ca să integreze variabilele de date şi afişarea datelor. Datele pot fi afişate în două feluri: în format text şi sub formă de grafice animate, cum ar fi alarme, unde verdele indică funcţionarea normală, iar roşul situaţia de avarie.
B) Software slave
Calculatorul embedded I7188 oferă ample biblioteci de funcţii care includ supravegherea soft şi hard, funcţiile aferente de transmisie şi recepţie de date, funcţiile de ceas de timp real şi de întreruperi, etc. În plus sunt asigurate numeroase exemple de programare, care pot fi adaptate situaţiei concrete. Toate acestea fac uşoară şi convenabilă punerea la punct a softului pentru calculatoare subordonate şi integrarea acestuia cu module soft furnizate de alte firme. Fiecare port serial al lui 7188 poate să controleze două dispozitive “isteţe” ce pot fi deosebite prin adresele lor respective. Parametrii de lucru şi adresele de modul ale familiei 7000 de la ICP sunt reglabile şi pot fi setaţi după dorinţă înainte de instalarea sistemului, în timp ce parametrii de lucru şi adresele modulelor isteţe ale altor firme au fost stabilite din fabrică şi nu mai pot fi modificaţi ulterior.
Ing. Cristian Malide
IMPERIAL ELECTRIC S.A.
Tel: 211.37.82
e-mail: office@imperialelectric.ro