Ελεγχος θερμοκρασιας

Έλεγχος θερμοκρασίας και απομακρυσμένη επίβλεψη του συστήματος μέσω βιομηχανικής οθόνης ΗΜΙ

Στην αποθήκη μίας βιομηχανίας τροφίμων έχει εγκατασταθεί κατάλληλο σύστημα εξαερισμού, το οποίο διατηρεί την θερμοκρασία του χώρου στα επιθυμητά επίπεδα. Το σύστημα αυτό διαθέτει τρεις ανεμιστήρες οι οποίοι λειτουργούν ως εξής: Όταν η θερμοκρασία του χώρου ξεπεράσει τους 200C (threshold 1) τίθεται σε λειτουργία ο πρώτος ανεμιστήρας. Αν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 400C (threshold 2) μπαίνει σε λειτουργία και ο δεύτερος, ενώ σε περίπτωση που η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 600C (threshold 3) θα πρέπει να λειτουργήσει και ο τρίτος ανεμιστήρας. Οι τιμές των παραπάνω thresholds είναι ενδεικτικές και θα πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισής τους από βιομηχανική οθόνη HMI, η οποία βρίσκεται εγκατεστημένη στο γραφείο του διευθυντή παραγωγής.  Σε περίπτωση που ενεργοποιηθεί το μπουτόν Emergency Stop θα πρέπει να διακόπτεται η λειτουργία όλων των κινητήρων. Αν αποτύχει ένα από τα τρία θερμικά ρελέ προστασίας, θα πρέπει να διακοπεί η λειτουργία του αντίστοιχου κινητήρα, χωρίς να επηρεαστεί το υπόλοιπο σύστημα. Η επίβλεψη του συστήματος μέσω της βιομηχανικής οθόνης πρέπει να περιλαμβάνει πληροφορίες για την κατάσταση της λειτουργίας όλων των κινητήρων.

Ανάλυση απαιτήσεων

Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, το βασικό μέγεθος το οποίο επηρεάζει άμεσα τη λειτουργία ολόκληρου του συστήματος είναι η θερμοκρασία του χώρου. Έτσι λοιπόν, ο αυτοματισμός αυτός θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις διακυμάνσεις τις θερμοκρασίας, προκειμένου να ελέγξει τη λειτουργία των τριών κινητήρων.  Για το λόγο αυτό, θεωρείται απαραίτητη η χρήση ενός θερμοστάτη, ο οποίος θα μας παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες. Με τον τρόπο αυτό, θα γνωρίζουμε με ακρίβεια τα επίπεδα της θερμοκρασίας στην αποθήκη και θα μπορούμε να προσδιορίσουμε πότε ακριβώς θέλουμε να ενεργοποιηθούν οι ανεμιστήρες.

Άλλο ένα βασικό στοιχείο της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι η απομακρυσμένη παρακολούθηση της εγκατάστασης. Εκτός από την υλοποίηση του αυτοματισμού που απαιτείται για τον έλεγχο των τριών κινητήρων, θα πρέπει η εφαρμογή να παρέχει τις κατάλληλες πληροφορίες στον διευθυντή παραγωγής. Οι πληροφορίες οι οποίες θα φτάνουν στην οθόνη ΗΜΙ του διευθυντή θα πρέπει να είναι οι εξής: α) Κατάσταση λειτουργίας συστήματος (Process is on – Process is off), β) κατάσταση λειτουργίας ανεμιστήρων (π.χ. Fan 1 is on – Fan 1 is off) και γ) Κατάσταση λειτουργίας των θερμικών ρελέ προστασίας των κινητήρων (π.χ. Thermal overload relay 1 failed). Επίσης θα πρέπει να δίνεται η δυνατότητα στον διευθυντή να μπορεί να αλλάζει τα κατώφλια ενεργοποίησης (thresholds 1, 2 και 3) των ανεμιστήρων (απομακρυσμένος καθορισμός της τιμής της θερμοκρασίας που ενεργοποιεί κάθε κινητήρα).

Επιλογή του κατάλληλου PLC

Όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενες εφαρμογές, οι βασικές προδιαγραφές που θα πρέπει να ικανοποιούνται κατά την επιλογή ενός PLC είναι το πλήθος και το είδος των I/O καθώς και η επιθυμητή γλώσσα προγραμματισμού. Στο συγκεκριμένο σύστημα απαιτείται μία αναλογική είσοδος για το σήμα του θερμοστάτη, πέντε ψηφιακές είσοδοι και τρεις ψηφιακές έξοδοι. Ωστόσο, αυτό που θα πρέπει επίσης να λάβουμε σοβαρά υπόψη για την εφαρμογή αυτή, είναι η απαίτηση για απομακρυσμένη παρακολούθησης της διαδικασίας μέσω οθόνης ΗΜΙ. Όπως θα δούμε παρακάτω, ένα από τα PLC που μας παρέχουν αυτή τη δυνατότητα είναι το Twido της Schneider Electric.

Είσοδοι του PLC

Στοιχείο του κυκλώματος

Έξοδοι του PLC

Στοιχείο του κυκλώματος

I0.0

Μπουτόν Start (Procces On)

Q0.0

Κινητήρας 1 (Fan 1)

I0.1

Μπουτόν Stop (Emergency Stop)

Q0.1

Κινητήρας 2 (Fan 2)

I0.2

Επαφή (ΝC) θερμικού 1 (Thermal 1)

Q0.2

Κινητήρας 3 (Fan 3)

I0.3

Επαφή (ΝC) θερμικού 2 (Thermal 2)

I0.4

Επαφή (ΝC) θερμικού 3 (Thermal 3)

IW1.0 ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ

Θερμοστάτης (Temperature Sensor)

Ο τύπος του Twido που επιλέχτηκε είναι ο TWDLMDA20DTK. Τα χαρακτηριστικά του είναι τα εξής:

  • Modular κατηγορία ελεγκτή,
  • 12 ψηφιακές είσοδοι με τάση 24 VDC,
  • 8 ψηφιακές έξοδοι τύπου transistor.

Χρησιμοποιήσαμε μία επέκταση με αναλογικές εισόδους τύπου TWDAMI2HT. Τα χαρακτηριστικά της είναι τα εξής:

  • 2 αναλογικές είσοδοι (0-10V) (4-20mA),
  • Ανάλυση 12 bits.

twido analog exp mod

Ανάλυση προγράμματος

Το πρόγραμμα με το οποίο μπορούμε να προγραμματίσουμε ένα Twido είναι το TwidoSuite της εταιρείας Schneider Electric.

twido module configuration

Προκειμένου να πετύχουμε μεγαλύτερη ευκολία στη διαχείριση της ονοματολογίας των Ι/Ο μέσα στην LADDER, δίνουμε ονόματα στις εισόδους και τις εξόδους του κυκλώματος, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Αρχικά τροποποιούμε τα ονόματα των Ι/Ο που βρίσκονται στο Twido. Στη συνέχεια αλλάζουμε τα ονόματα της επέκτασης αναλογικών εισόδων, όπως παρουσιάζεται στην επόμενη εικόνα.

twido module conf anal exp

Αφού δώσουμε ονόματα στις Ι/Ο μπορούμε να περάσουμε στον προγραμματισμό του Twido.

temp_contr

Όπως βλέπουμε στην παραπάνω εικόνα, έχουμε χωρίσει το πρόγραμμα σε 4 sections. Κάθε section χωρίζεται σε Rungs. Στο πρώτο section (INITIALIZATION) πραγματοποιούνται οι αρχικοποιήσεις που απαιτούνται για το πρόγραμμα. Στο Rung 0 διαβάζεται η αναλογική είσοδος ΙW1.0 του PLC και εκχωρείται στο memory word MW0. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η εισαγωγή της τιμής της θερμοκρασίας -εντός του προγράμματος- σε πραγματικό χρόνο (1). Έτσι το PLC έχει πληροφορίες για την θερμοκρασία του χώρου ανά πάσα στιγμή

Σημείωση (1): Θυμίζουμε ότι η ανάγνωση της μονάδας εισόδων του PLC πραγματοποιείται μία φορά για κάθε κύκλο προγράμματος: Ανάγνωση μονάδας εισόδων -> Εκτέλεση εντολών   ->Εγγραφή αποτελεσμάτων στη μονάδα εξόδων. Νέος κύκλος: Ανάγνωση μονάδας εισόδων ->Εκτέλεση εντολών -> Εγγραφή αποτελεσμάτων στη μονάδα εξόδων κ.ο.κ. Άρα η ανάγνωση των εισόδων πραγματοποιείται ανά ένα χρονικό διάστημα (μερικών msec) το οποίο εξαρτάται από το πλήθος και το είδος των εντολών.

Στο Rung 1 του section INITIALIZATION ορίζουμε τα τρία κατώφλια της θερμοκρασίας στα οποία θα ενεργοποιηθούν οι αντίστοιχοι ανεμιστήρες. Πρόκειται για τα memory words ΜW1, MW2 και ΜW3. Οι τιμές (2) που δίνουμε σε αυτά τα memory words είναι ενδεικτικές και μπορούν να τροποποιηθούν από την οθόνη HMI (ικανοποίηση απαίτησης απομακρυσμένης τροποποίησης των thresholds).

Σημείωση (2): Προκειμένου να διευκολυνθεί η περιγραφή του προγράμματος, οι τιμές που δώσαμε στα ΜW1, MW2 και ΜW3 είναι 20, 40 και 60 αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές δεν αντιστοιχούν στις θερμοκρασίες των 20C, 40C και 60C. Κατά την σύνδεση του θερμοστάτη πρέπει να μετρηθούν οι ακριβείς επιθυμητές τιμές τάσεων ή ρευμάτων που ενεργοποιούν τους κινητήρες και να τροποποιηθεί κατάλληλα η αρχικοποίηση των παραπάνω memory word.

Στο section 2 (PROCESS ON) υπάρχει μόνο ένα Rung. Στο Rung αυτό, ενεργοποιούμε με το μπουτόν Process on ένα βοηθητικό ρελέ (memory bit M0), το οποίο τίθεται εκτός λειτουργίας με το πάτημα του μπουτόν Emergency Stop. Η ενεργοποίηση αυτού του βοηθητικού ρελέ προκαλεί την ενεργοποίηση όλου του συστήματος. Αντίστοιχα, σε περίπτωση που πατηθεί το μπουτόν Emergency Stop προκαλείται η απενεργοποίηση όλου του συστήματος.

Το section 3 (TEMPERATURE CONTROL) αποτελεί το κύριο μέρος ελέγχου των κινητήρων με τον εξής τρόπο. Πραγματοποιείται η σύγκριση: Εάν η θερμοκρασία του θερμοστάτη (MW0) είναι μεγαλύτερη από το πρώτο κατώφλι (MW1) και δεν έχει πέσει το θερμικό, τότε ενεργοποιούνται α) η έξοδος Q0.0 (FAN 1) και το memory bit Μ1. Η ενεργοποίηση της Q0.0 ενεργοποιεί τον κινητήρα του ανεμιστήρα 1 ενώ η ενεργοποίηση του Μ1 ανάβει ένα led στην οθόνη HMI (ικανοποίηση απαίτησης για απομακρυσμένη παρακολούθηση της κατάστασης των κινητήρων). Ομοίως πραγματοποιείται ο έλεγχος και των δύο άλλων κινητήρων.

Στο section 4 (ΗΜΙ-PROCESS INDICATORS) ενημερώνουμε τα κατάλληλα memory bits για την κατάσταση του κυκλώματος προκειμένου να φτάσουν στην οθόνη οι κατάλληλες πληροφορίες:
Rung 0: Αν το σύστημα είναι ενεργοποιημένο (το Μ0 είναι ενεργοποιημένο) τότε ενεργοποιείται το M7 μέσω της ανοιχτής επαφής Μ0. To M7 θα ανάψει ένα led στην οθόνη το οποίο θα σηματοδοτεί την ενεργοποίηση της λειτουργίας του συστήματος. Αν το σύστημα απενεργοποιηθεί (το Μ0 είναι απενεργοποιημένο) τότε ενεργοποιείται το Μ8 μέσω της κλειστής επαφής Μ0. Το Μ8 θα ανάψει ένα led στην οθόνη το οποίο θα σηματοδοτεί την απενεργοποίηση του συστήματος.

Rung 1: Θυμίζουμε ότι στις εισόδους του PLC χρησιμοποιούμε τις κλειστές επαφές των θερμικών. Άρα αν πέσει κάποιο θερμικό, η κλειστή επαφή του θα βρεθεί σε ηρεμία και έτσι θα ενεργοποιηθεί το αντίστοιχο memory bit (M4, M5 ή M6). Η ενεργοποίηση ενός εκ των τριών αυτών memory bit θα ανάψει το αντίστοιχο led στην οθόνη. Έτσι ο διευθυντής παραγωγής θα ξέρει ότι η διακοπή ενός κινητήρα προκλήθηκε από σφάλμα θερμικού.

list

Το πρόγραμμα του PLC σε γλώσσα Instruction List

sim

Προσομοίωση προγράμματος

Συντάκτης:
Γιάννης Σοφιανίδης
Μηχανικός Αυτοματισμού Τ.Ε.

References: Giannis Sofianidis (2013), Automation Engineer, for the sofianidis.eu