36
Titular curs: Conf. dr. ing. Valeriu BOSTAN Comanda Sistemelor Industriale Integrate Comanda Sistemelor Industriale Integrate
Titular curs:
Conf. dr. ing. Valeriu BOSTAN
Comanda Sistemelor Industriale IntegrateComanda Sistemelor Industriale Integrate
Sistem integrat – definiție:
un ansamblu de elemente proiectat să îndeplinească un set
de funcții bine definit ce are cel puțin un microprocesor;
Caracteristici principale:
- trebuie sa funcționeze în “timp real”;
- este produs în serie mare – trebuie să aibă cost redus;
- trebuie sa conțină “periferice” – echipamente ce asigurălegatura cu “mediul înconjurator”;
- fiabilitate și siguranță în funcționare;
- ușor de configurat și de utilizat – interfață “prietenoasă”
- consum redus de energie.
Sisteme integrate - “Embedded systems”
Direcții de studiu în domeniul sistemelor integrate:- arhitectură;
- configurare;
- comandă;
- proiectare;
Exemple:- linii de producție automatizate/robotizate;
- comanda numerică a motoarelor electrice;
- echipamente medicale;
- automobile;
- aplicații în domeniul militar;
- telecomunicații;
- bunuri de larg consum;
- …
Sisteme integrate - “Embedded systems”
Clasificarea sistemelor integrate:
I) Sisteme integrate pe scară redusă
(sau “sisteme de comandă cu microprocesor”)
II) Sisteme integrate pe scară largă
(Sisteme de monitorizare și control - “Supervisory Control
And Data Acquisition” – sisteme SCADA)
Sisteme integrate - “Embedded systems”
Exemplul 1:
Sistem de comandăpentru un motor electric de curent continuu
I) Sisteme integrate pe scară redusăI) Sisteme integrate pe scară redusă
Structura generală a unui sistem
de comandă
Referință de vitezăBaterie 9V
Motor electric
Sursă de tensiune
12V
Adaptare semnal
Buffer
Microcontroler
Sursă de alimentare
în punte
Tahogenerator
încorporat
Viteză măsurată
Etape ale proiectării părții decomandă a sistemelor integrate
Et. 1: Alegerea modelului matematic adecvat aplicației;
Et. 2: Proiectarea regulatorelor;
Et. 3: Modelarea părții de comandă (de ex. în Matlab –
Simulink;
Et. 4: Modelarea sistemului integrat de comandă în
ansamblul său (de ex. în mediul „Proteus”);
Et. 5: Realizarea și testatea experimentală sistemului.
Et. 1: Modelul matematic al motorului
de curent continuu
Model de ordin I :
Tem = JR/k^2 – constanta de timp electro-mecanică.
Et. 2: Proiectarea sistemului de comandă
folosind regulatorare tip PI
Metodă folosită: alocarea polilor;
Impunerea performanțelor dinamice:
ƺ = 0.8 ω0= 1/Tem
Calculul coeficienților regulatorului:
Kp=(2ƺω0 –a)/b
KI = ω0^2/b
Et. 3: Modelarea părții de comandă – modelareMatlab/Simulink
Modelul servomotorului
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
1
2
3
4
5
6
Timp [s]
Vite
za
[V
]
viteza referinta
viteza motorului
Aplicarea unui cuplu
de sarcină
Et. 4: Modelarea sistemului integrat
utilizând mediul „Proteus”
+88.8
AN
AL
OG
IN
AT
ME
GA
328P
-PU
1121
Reset B
TN
ON
ww
w.T
heE
ng
ineerin
gP
roje
cts
.co
m PD0/RXD
PD1/TXD
PD2/INT0
~ PD3/INT1/OC2B
PD4/T0/XCK
~ PD5/T1/OC0B
~ PD7/AIN1
PC5/ADC5/SCL
PC4/ADC4/SDA
PC3/ADC3
PC2/ADC2
PC1/ADC1
PC0/ADC0
RESET
PB0/ICP1/CLKO
~ PB1/OC1A
~ PB2/OC1B
~ PB3/MOSI/OC2A
PD7/AIN1
PB4/MISO
PB5/SCK
AREF
0
1
2
3
4
5
67
89
10
11
12
13
A5
A4
A3
A2
A1
A0
ARD1
ARDUINO UNO
C21000p
R2100k
C30.47u
R35k
+88.8
Volts
66%
RV1
5k
TACHO+1
TACHO-11
CC2
OPIN+4
OPIN-10
V+
9
GND
12
C8
E5
FLT3
U2
LM2907
R41k
C1100u
IN15
IN27
ENA6
OUT12
OUT23
ENB11
OUT313
OUT414
IN310
IN412
SENSA1
SENSB15
GND
8
VS
4
VCC
9 U1
L298U3
NOT
A
B
C
D
referinta
viteza reala
+88.8
Volts
V2
9V D1DIODE
D2DIODE
D3DIODE
D4DIODE
D5
LED-YELLOW
Convertor frecvență tensiune
(permite modelarea unui
tahogenerator)
Sursa de alimentare a motorului
Comanda de tip PWM numeric
Blocul de adaptare de semnal
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −22𝑘
10𝑘 + 10𝑘𝑉𝑖𝑛 −
22𝑘
22𝑘𝑉𝑟𝑒𝑓
Tensiunea de iesire poate varia între 0 și 5 volți.
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// achiziție date de intrare
viteza_referinta = analogRead(potPin);
viteza_reala = analogRead(potTG);
// calcule – conform algoritmului de comandă
eroare = viteza_referinta - viteza_reala;
parte_prop = eroare*Kp;
parte_integrala = parte_integrala_ant + eroare*Ki;
output = parte_prop + parte_integrala;
parte_integrala_ant = parte_integrala;
Programul de comandă
if(output > 5110){
output = 5110;
parte_integrala_ant = parte_integrala - Ki*eroare;
}
if(output<10){
output = 10;
parte_integrala_ant = parte_integrala - Ki*eroare;
}
// comandă (pentru stabilirea factorului de umplere)
OCR1B = output ;
}
Programul de comandă
Rezultate experimentale
Funcționarea sistemului de comandă considerând reversări succesive:
Exemplul 2:
Sistemul „MINDSTORMS NXT”
I) Sisteme integrate pe scară redusăI) Sisteme integrate pe scară redusă
Sistemul „MINDSTORMS NXT”
Software:- NXC - (Not eXactly C);
API (Application Programming Interface) – librarie de funcţii predefinite NXC;
- MATLAB/SIMULINK - toolbox MINDSTORMS NXT (Remote & Embedded Control);
- LabVIEW - toolkit-ul MINDSTORMS NXT;
Unitatea centrală:- Microcontroler principal pe 32 biți (256 KB FLASH; 64 KB RAM; 48 MHz);
- Microcontroler auxiliar pe 8 biți ( 4 KB FLASH; 512 Byte RAM; 8 MHz);
Interfață: - USB/Bluetooth/I2C (Inter-Integrated Circuit);
- Butoane/Display;
Sistemul „MINDSTORMS NXT”
Senzori: - de ultrasunete/de contact/optic/acustic;
Actuatoare: - 3 servomotoare de cc, cu reductoare și encodere;
Sistemul „MINDSTORMS NXT”
Sisteme SCADA
Sisteme de monitorizare și control
(Supervisory Control And Data Acquisition)
II) Sisteme integrate pe scară largăII) Sisteme integrate pe scară largă
IED = Intelligent Electronic DeviceRTU = Remote Telemetry Unit
= Remote Transmission Unit
Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)
Date despre disciplină:
- Titular curs (2h/săpt): Conf. Dr. Ing. Valeriu BOSTAN
- Titular aplicații (1h/săpt): Conf. Dr. Ing. Valeriu BOSTAN
Conf. Dr. Ing. Sanda Victorinne PAȚURCĂ
Conținut curs – partea I:
- Arhitectura și funcționarea sistemelor de comandă integrate;
- Structuri de comandă serie, parallel, mixte. Criterii de selecție, exemple;
- Analiza regulatoarelor PID utilizate în mediul industrial;
- Metode uzuale de proiectarea a sistemelor de comandă: alocarea polilor,
metoda modelului impus, criterii optimale;
- Particularități ale sistemelor de comandă numerice;
- Sisteme de comandă în timp real. Utilizarea întreruperilor;
Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)
Conținut curs – partea II:
(Sisteme SCADA - „Supervisory Control And Data Acquisition”);
- Componentele de baza ale sistemelor SCADA:
- Senzori și elemente de executie;
- Unități de telemetrie – “remote telemetry units” (RTU);
- Unitățile centrale SCADA (“master units”);
- Rețeaua de comunicație;
- Funcții specifice sistemelor SCADA:
- Achiziția de date;
- Comunicație;
- Prezentarea datelor, arhivare și memorare;
- Control;
- Avertizare (alarmă);
Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)
- Comunicații industriale:
- Standardul OSI – „Open System Interconnection”.
- Protocolul Modbus;
- Protocolul Profibus/Fieldbus;
- Protocoale pentru sisteme SCADA;
- Avantaje ale sistemelor SCADA:
- Monitorizare și control în „timp real”;
- Detectarea și corectarea rapidă a problemelor în timpul funcționării;
- Detectarea punctelor de „blocaj” sau de ineficiență economică;
- Controlul sistemelor complexe cu personal mai puțin specializat;
- Marirea eficienței și a profitabilității.
Comanda Sistemelor Industriale Integrate(extras din Fișa Disciplinei)
Conținut laborator:
- Sistemele de comandă integrată:
- Structura și funcționarea sistemului „Mindstorms NXT;
- Senzori și actuatoare;
- Limbaje și medii de programare utilizate în comanda sistemelor integrate:
C (PIC C), NXC (BricxCC), Matlab;
- Proiectarea, construcţia şi implementarea comenzii de mişcare
a unui braţ de robot, cu două grade de libertate;
- Prezentarea unei aplicaţii-proiect de monitorizare a funcţionării
unui sistem de comandă integrată în mediul LabVIEW;
- Studiu experimental pe un sistem de comandă integrată controlat cu
microcontroller PIC. Interfaţarea senzorilor şi actuatoarelor.
