ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΙΔΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Μελέτη και εγκατάσταση μονάδας PLC σε τόρνο
Διπλωματική εργασία Μαυρίδη Παναγιώτη
Επιβλέπων: Σπάρης Παναγιώτης Καθηγητής ΞΑΝΘΗ ΙΟΥΛΙΟΣ 2008
2
Αφιερώνεται στους γονείς μου
3
4
ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μετατροπή της κλασικής διάταξης αυτοματισμού που ελέγχει την λειτουργία τόρνου με κινητήρα δύο ταχυτήτων, σε διάταξη ελεγχόμενη από PLC. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο ελεγκτής Zelio logic Compact basic PLC module SR2D101FU 10i/o της Telemecanique. Στα πλαίσια της εργασίας αλλαχτήκαν όλα τα παλιά στοιχεία λόγω φθοράς όπως ασφάλειες , θερμικά στοιχεία, ρελέ και επανασχεδιάστηκε και επανακαλωδιώθηκε η ηλεκτρολογική εγκατάσταση.
Επίσης
γράφτηκε ένα πρόγραμμα για το PLC όπου αυτό πραγματοποιεί τον έλεγχο των ρελέ και αντικαθιστά στην πράξη τον υπάρχων κλασσικό αυτοματισμό. Το PLC προγραμματίστηκε σε γλώσσα LADDER με την βοήθεια του λογισμικού της Telemecanique το zelio soft 2. Η μελέτη και υλοποίηση της εργασίας αυτής διαρθρώνεται στις εξής ενότητες: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στον κλασσικό αυτοματισμό και στον τρόπο λειτουργίας των κάθε στοιχείων. Επίσης γίνεται μια περιγραφή στα υφιστάμενα στοιχεία του αυτοματισμού και στον τρόπο λειτουργίας της διάταξης της μηχανής. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή των καινούργιων στοιχείων που αγορασθήκαν και τον τρόπο επιλογής τους. Επίσης γίνεται μια εισαγωγή στους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC) στα πλεονεκτήματα τους έναντι του κλασσικού αυτοματισμού και στον τρόπο επιλογής του PLC που χρησιμοποιήθηκε στην διάταξη. Στο
τρίτο
κεφάλαιο
περιγράφεται
όλη
η
διαδικασία
εκσυγχρονισμού της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης καθώς και ο τρόπος λειτουργίας της καινούργιας διάταξης μετά την εγκατάσταση του PLC.
5
Στο
τέταρτο
κεφάλαιο
γίνεται
μια
εισαγωγή
στον
προγραμματισμό του PLC σε γλώσσα LADDER και ανάλυση του λογισμικού που χρησιμοποίει το PLC μας. Στο παράρτημα Α παρατίθενται φωτογραφίες των κατασκευών. Στο παράρτημα Β το πρόγραμμα του PLC σε γλώσσα LADDER. Στο σημείο αυτό νιώθω υποχρεωμένος να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον κύριο Τάσο Καρκάνη για τις συμβουλές και τις γνώσεις που μου έδωσε κατά την διάρκεια της εκπονήσεως της διπλωματικής μου εργασίας όπως και τον υπεύθυνο καθηγητή μου κύριο Παναγιώτη Σπάρη. Ευχαριστώ επίσης τον υπεύθυνο του μηχανουργείου κύριο Χριστοφορίδη για την βοήθεια και τα υλικά που μου παρείχε στην δουλειά που είχα στο μηχανουργείο. Όλοι οι πιο πάνω μου έδειξαν συμπαράσταση και υπομονή, με βοήθησαν σε κάθε δυσκολία που αντιμετώπισα και χωρίς την βοήθεια τους δεν θα ήταν δυνατή η εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας.
6
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΠΡΟΛΟΓΟΣ…………………………………………………………….5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ……………………………………………………….7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ……………………………………………………………...9 1. Αξιοπιστία………………………………………………………..11 2. Ασφάλεια…………………………………………………………12 3. Ευκολία στην ανίχνευση βλαβών……………………………….12 4. Επεκτασιμότητα…………………………………………………13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΔΙΑΤΑΞΗ…………………………14 1.1 Εισαγωγή……………………………………………………….14 1.2 Ηλεκτρονόμοι(ρελέ)……………………………………………14 1.3 Θερμικά στοιχεία………………………………………………16 1.4 Ασφάλειες και ασφαλειοδιακόπτες…………………………...18 1.5 Περιγραφή της διάταξης και της λειτουργίας της…………..19 1.5.1 Περιγραφή των υπαρχόντων στοιχείων…………………….22 1.5.2 Περιγραφή της λειτουργίας του αυτοματισμού…………….26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 – ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ…………………29 2.1 Εισαγωγή……………………………………………………….29 2.2 Περιγραφή των καινούργιων στοιχείων……………………...29 2.3 Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) ……………..34 2.3.1 Πλεονεκτήματα PLC έναντι κλασσικού αυτοματισμού…..36 2.4 Telemecanique zelio- logic controller………………………...38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ………….41 3.1 Εισαγωγή……………………………………………………….41 3.2 Περιγραφή της καινούργιας διάταξης………………………..41 3.3 Περιγραφή της λειτουργίας της………………………………43
7
3.4 Καλώδια – αγωγοί……………………………………………..45 3.4.1 Διαχωρισμός και ομαδοποίηση καλωδίων………………...45 3.5 Ο ηλεκτρολογικός πίνακας……………………………………47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 – ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ PLC………..48 4.1 Εισαγωγή στην γλώσσα προγραμματισμού LADDER………48 4.2 Εργαλεία προγραμματισμού του PLC zelio logic……………51 4.3 Διαδικασία μεταφοράς του προγράμματος στο PLC………..54 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α………………………………………………………59 ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ……………………………...59 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β………………………………………………………68 ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PLC ΣΕ LADDER…………………………..68 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ………………………………………………………72
8
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο τόρνος είναι ένα συμβατικής τεχνολογίας μηχάνημα που υπάρχει στο μηχανουργείο για αρκετά χρόνια. Είναι η πρώτη διπλωματική εργασία που ασχολείται με τoν τροφοδοσίας και έλεγχο της μηχανής αυτής. Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο εκσυγχρονισμός της τροφοδοσίας της μηχανής με καινούργια στοιχεία καθώς τα παλιά είχαν φθαρεί καθώς και χρησιμοποίηση του PLC για τον έλεγχο της. Περιγραφή του τόρνου: Ο τόρνος αποτελεί μια από τις περισσότερο παραγωγικές εργαλειομηχανές και το 40% περίπου των εργασιών κοπής των μετάλλων γίνονται σε τόρνο. Οι σύγχρονοι τόρνοι έχουν δυνατότητα παραγωγής καμπύλων εξαρτημάτων, με μεγάλο αριθμό ακρίβειας και μεγάλες ταχύτητες παραγωγής. Το μέγεθος του τόρνου εκτιμάται βασικά από δύο χαρακτηριστικά : • τη μέγιστη διάμετρος τεμαχίου που μπορεί να δεθεί στους σφικτήρες και να περιστραφεί γύρω από τους οδηγούς, • το μήκος κλίνης. Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά ένας τόρνος, όπου διακρίνονται και τα μέρη από τα οποία αποτελείται.
9
Σχ 1 Η κεντρική ιδέα της διπλωματικής είναι η μετατροπή της κλασικής διάταξης αυτοματισμού που ελέγχει την λειτουργία τόρνου με κινητήρα δύο ταχυτήτων, σε διάταξη ελεγχόμενη από PLC. Θα αναπτυχθεί το αναγκαίο λογισμικό στην γλώσσα προγραμματισμού του PLC, μέσα από την οποία θα εξασφαλισθεί ότι ο τόρνος θα εκτελεί τουλάχιστον τις ίδιες λειτουργίες με εκείνες που έκανε με τον κλασικό αυτοματισμό. Οι γνώσεις που απαιτήθηκαν για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής είναι οι γνώσεις τεχνικού σχεδίου, συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας,
αυτοματισμού
ενεργειακών
συστημάτων
και
προγραμματισμός σε περιβάλλον Windows σε γλώσσα κατάλληλη για PLC.
10
Όλες οι μετατροπές που έγιναν στο σύστημα τροφοδοσίας της μηχανής είχαν τους παρακάτω στόχους: 1. Αξιοπιστία 2. Ασφάλεια 3. Ευκολία στην ανίχνευση βλαβών 4. Επεκτασιμότητα 1. Αξιοπιστία Με τον όρο αξιοπιστία περιγράφεται η ικανότητα ενός συστήματος να λειτουργεί ικανοποιητικά στα πλαίσια των προδιαγραφών του για μεγάλο αριθμό αντίξοων συνθηκών. Η εξασφάλιση της αξιοπιστίας της διάταξης βασίστηκε στις προδιαγραφές του εξοπλισμού της σύγχρονης βιομηχανίας. Μια βιομηχανική συσκευή κατά κύριο λόγο να προσφέρει ασφάλεια στους χειριστές του, αξιοπιστία στην λειτουργία της, έλεγχο της παραγωγής της και δυνατότητα άμεσης αποκατάστασης των βλαβών της. Επίσης, όλα τα νέα στοιχεία που θα αγορασθούν είναι υπερδιαστασιολογημένα ώστε να παρέχουν αξιόπιστη λειτουργία ακόμη και κάτω από αντίξοες συνθήκες. Η υπερδιαστασιολόγηση έγινε με γνώμονα να μην αυξηθεί υπερβολικά το κόστος κατασκευής της τροφοδοσίας της μηχανής. Τα νέα στοιχεία που επιλέχθηκαν να αντικαταστήσουν τα παλιά όπως τα ρελέ, τα θερμικά και οι ασφαλειοδιακόπτες έχουν μεγαλύτερη αντοχή και επιτρέπουν στην μηχανή να λειτουργεί χωρίς προβλήματα σε περιβάλλοντα με υγρασία και υψηλές θερμοκρασίας. Γενικά τα υλικά και οι αγωγοί(καλώδια) που χρησιμοποιήθηκαν έχουν ενισχυμένη διατομή για να διασφαλισθεί η ηλεκτρική και μηχανική αντοχή του ηλεκτρικού κυκλώματος.
11
2. Ασφάλεια Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στην ασφάλεια των χειριστών της μηχανής . Μέσα στο κουτί τροφοδοσίας στον πίνακα τηρούνται όλοι οι κανόνες ασφαλείας των ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων. Τίποτε όμως δεν μπορεί να προφυλάξει τον χειριστή μιας μηχανής καλύτερα από την προσωπική του επαγρύπνηση, υπευθυνότητα και εμπειρία. Εκτός
από
την
ασφάλεια
του
προσωπικού
στόχος
της
διπλωματικής είναι και η ασφάλεια του εξοπλισμού. Όλες οι λειτουργίες της μηχανής ελέγχονται και επιτηρούνται από μια μονάδα κεντρικού ελέγχου (PLC). Με την χρήση των νέων στοιχείων ασφαλείας και του προγράμματος του PLC η μηχανή προστατεύεται από τα συνήθη σφάλματα όπως υπερθέρμανση και η υπερβολική αύξηση των στροφών του κινητήρα. Το πρόγραμμα του PLC κάνει ρουτίνες ελέγχου πριν από κάθε κίνηση του χειριστή στην μηχανή. Η επιλογή των υλικών ασφαλείας στο ηλεκτρικό κύκλωμα έγινε με σκοπό να προστατεύονται τα υλικά από τα ηλεκτρικά σφάλματα όπως βραχυκυκλώματα και υπερτάσεις. Η φιλοσοφία σχεδιασμού του κυκλώματος ήταν το λιγότερο σημαντικό υλικό να προστατεύει το πιο σημαντικό. 3. Ευκολία στην ανίχνευση βλαβών. Όσο καλά και να προστατεύει ένα κύκλωμα τον εαυτό του, υπακούοντας του φυσικού νόμους της φθοράς, μοιραία κάποιο κομμάτι του θα τεθεί εκτός λειτουργίας. Και επειδή τα ηλεκτρικά μέρη είναι πιο επιρρεπή σε βλάβες χρησιμοποιήσαμε μόνο τυποποιημένα υλικά Η χρήση του PLC ως μονάδα ελέγχου καθιστά την ανίχνευση σφαλμάτων εύκολη υπόθεση. Ο χειριστής, συνδέοντας το PLC με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσου του προγράμματος μπορεί να διαβάσει 12
την κατάσταση εισόδων-εξόδων την κάθε χρονική στιγμή. Επίσης, η καλωδίωση του συστήματος χρησιμοποιεί αγωγούς διαφορετικών διατομών και χρωμάτων για λόγους διαχωρισμού ενώ οι περισσότεροι αγωγοί είναι αριθμημένοι. Έτσι έχοντας το ηλεκτρολογικό σχέδιο, οποιοσδήποτε που είναι σε θέση να το διαβάσει, μπορεί να εντοπίσει τον αγωγό που τον ενδιαφέρει και τα σημεία διασύνδεσης του. 4. Επεκτασιμότητα Η προσθήκη στο ηλεκτρικό κύκλωμα του PLC σαν μέσο αυτοματοποίησης εξασφαλίζει την ευκολία στην επέκταση του συστήματος. Οι είσοδοι και οι έξοδοι του PLC μπορούν στο μέλλον να μεταβληθούν ανάλογα με τις νέες ανάγκες που μπορεί να προκύψουν στην μηχανή και πολύ εύκολα μπορεί να γίνει επαναπρογραμματισμός του PLC για να συμβαδίζει με τις αλλαγές που μπορεί να γίνουν. Επίσης ο ηλεκτρολογικός πίνακας έχει αρκετό χώρο για την εγκατάσταση νέων οργάνων και συσκευών που μπορεί να χρειαστούν.
13
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 – ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΔΙΑΤΑΞΗ
1.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η λειτουργία της κλασσικής διάταξης αυτοματισμού που ελέγχει την λειτουργία τόρνου δύο ταχυτήτων. Στόχος του κεφαλαίου είναι η εισαγωγή του αναγνώστη στον κλασσικό αυτοματισμό και στον τρόπο λειτουργίας της διάταξης με τον αυτοματισμό αυτό καθώς και στα μειονεκτήματα ή προβλήματα που δημιουργεί η διάταξη αυτή. 1.2 Ηλεκτρονόμοι(ρελέ) Οι ηλεκτρονόμοι αποτελούν την καρδιά των αυτοματισμών. Είναι οι μηχανισμοί που μετατρέπουν μια ηλεκτρική εντολή σε μηχανική. Έτσι με την μηχανική δύναμη, κλείνουν τις επαφές τους, και συνδέουν φορτία, πολύ μεγαλύτερα από την ισχύ της εντολής που δέχονται.
Σχ. 1.2.1 δομή του ηλεκτρονόμου 14
Οι ηλεκτρονόμοι αποτελούνται από τα πιο κάτω τμήματα: α)το πηνίο: είναι το πιο σημαντικό τμήμα του ηλεκτρονόμου. Δημιουργεί το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που είναι απαραίτητο για να δημιουργηθεί η μηχανική δύναμη. β)ο
μαγνήτης:
είναι
η
σιδερένια
μάζα
που
γίνεται
ηλεκτρομαγνήτης μόλις βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Ο μαγνήτης είναι το σταθερό τμήμα του ηλεκτρομαγνήτη. γ)ο οπλισμός: είναι το κινητό τμήμα του ηλεκτρομαγνήτη. Όταν βρεθεί κάτω από την επίδραση του μαγνητικού πεδίου κινείται προς τον μαγνήτη. δ)σταθερές επαφές: αποτελούν τις σταθερές άκρες μέσα από τις οποίες θα περάσει το φορτίο που θα συνδεθεί μέσω του ηλεκτρονόμου. ε)κινητές επαφές: αποτελούν το δεύτερο τμήμα των επαφών του ηλεκτρονόμου. Είναι μηχανικά συνδεδεμένες με τον οπλισμό του ηλεκτρομαγνήτη, και όταν αυτός κινείται, συνδέονται με τις σταθερές επαφές και αποκαθιστούν το κύκλωμα ΑΒ(σχ 1.2.1). Την κίνηση του οπλισμού, την εκμεταλλευόμαστε για να πετύχουμε εκτός από την σύνδεση των τριών κύριων επαφών, και την ενεργοποίηση μερικών άλλων επαφών, που τις λέμε βοηθητικές . Τα πιο γνωστά είδη βοηθητικών επαφών είναι οι επαφές αδρανείας ή κανονικά κλειστές (NC) και οι επαφές λειτουργίας ή κανονικά ανοικτές (NO). Ανάλογα με τις ανάγκες μας μπορούμε να αυξήσουμε τις βοηθητικές επαφές με ένα βοηθητικό ρελέ που περιέχει μόνο βοηθητικές επαφές. Όπως θα δούμε στον υπάρχον κλασσικό αυτοματισμό της μηχανής υπάρχει ένα βοηθητικό ρελέ για αυτόν τον λόγο. Με την χρησιμοποίηση του PLC δεν θα χρειαστούμε το βοηθητικό ρελέ γιατί την δουλεία των βοηθητικών επαφών αυτών θα την κάνει το πρόγραμμα.
15
1.3 θερμικά στοιχεία Θερμικά λέμε τους μηχανισμούς εκείνους οι οποίοι προστατεύουν τους
κινητήρες
από
υπερεντάσεις.
ΔΕΝ
προστατεύουν
από
βραχυκύκλωμα άρα μαζί με τα θερμικά πρέπει να τοποθετούνται οπωσδήποτε και ασφάλειες ή ασφαλειοδιακόπτες.
Σχ 1.3.1 Το θερμικό αποτελείται από 3 διμεταλλικά στοιχεία γύρω από τα οποία περνούν οι φάσεις πριν τροφοδοτήσουν τον κινητήρα. Από το σχ 1.3.1 βλέπουμε το κύκλωμα μεταξύ των σημείων 95-96 είναι κλειστό. Έστω από τις φάσεις περνάει περισσότερο ρεύμα (υπερένταση). Αυτό έχει σαν συνέπεια τη θέρμανση των διμεταλλικών τα οποία λυγίζουν και κινούν τον πλαστικό άξονα ο οποίος θα ανοίξει την επαφή 95-96 που προκαλεί τελικά το σταμάτημα του κινητήρα όπως φαίνεται στο σχ 1.3.2. το θερμικό ελέγχει και τις 3 φάσεις αλλά σ’ όποια φάση και αν φανεί υπερένταση το θερμικό ανοίγει μια επαφή την 95-96. τα θερμικά έχουν όπως και τα ρελέ βοηθητικές επαφές.
16
Σχ 1.3.2 Η επαφή 95-96 συνδέεται στο βοηθητικό κύκλωμα του ηλεκτρονόμου που κινεί τον κινητήρα. Έτσι η μέσω θερμικού διακοπή της λειτουργίας του κινητήρα γίνεται έμμεσα (σχ 1.3.3) ως εξής:
Σχ 1.3.3 17
• - ανοίγει η επαφή 95-96 • - η επαφή διακόπτει την παροχή ρεύματος στο πηνίο • - το πηνίο ανοίγει τις κύριες επαφές του ρελέ • - οι κύριες επαφές διακόπτουν τη τροφοδοσία του κινητήρα και έτσι ο κινητήρας σταματά. 1.4 Ασφάλειες και ασφαλειοδιακόπτες Είναι τα στοιχεία που προστατεύουν μια διάταξη από ένα βραχυκύκλωμα. Η ασφάλεια επιτρέπει στο ρεύμα να περάσει μέχρι μια επιτρεπόμενη τιμή που είναι ανάλογη με το είδος τις ασφάλειας που επιλέγουμε. Αν η τιμή του ρεύματος περάσει την επιτρεπόμενη τότε λόγω της θέρμανσης κόβεται τα μεταλλικά της στοιχεία και διακόπτει το ρεύμα.(λέμε ότι η ασφάλεια καίγεται). Για να ξαναλειτουργείσει η διάταξη πρέπει να αλλαχτεί η ασφάλεια με μια άλλη. Είναι δηλαδή μιας χρήσης. Στο σχήμα 1.4.1 φαίνεται μια τυποποιημένη ασφάλεια που συναντούμε στην αγορά.
Σχ 1.4.1 Οι ασφαλειοδιακόπτες κάνουν την ίδια δουλειά με τις ασφάλειες αλλά έχουν το πλεονέκτημα να χρησιμοποιούνται συνέχεια χωρίς να θέλουν αλλαγή. Δηλαδή όταν η τιμή του ρεύματος
περάσει την
επιτρεπόμενη τιμή τότε διακόπτης του ασφαλειοδιακόπτη ανοίγει και κόβει το ρεύμα.( λέμε ότι πέφτει ο ασφαλειοδιακόπτης.) έτσι αν ανεβάσουμε μετά τον διακόπτη δηλαδή τον κλείσουμε τότε έχουμε πάλι
18
την λειτουργία της διάταξης. Ένας τυποποιημένος ασφαλειοδιακόπτης φαίνεται στο σχ 1.4.2.
Σχ 1.4.2 1.5 Περιγραφή της διάταξης και της λειτουργίας της Στα πιο κάτω σχήματα (σχ 1.5.1 , σχ 1.5.2) φαίνεται το ηλεκτρολογικό
σχέδιο
της
διάταξης
της
μηχανής
όπως
αυτή
λειτουργούσε με τον κλασσικό αυτοματισμό. Στο σχέδιο φαίνονται οι ασφάλειες με τον κωδικό Β, οι ηλεκτρονόμοι με τον κωδικό S, τα θερμικά με τον κωδικό PT, 2 μετασχηματιστές με τον κωδικό Τ, οι λαμπτήρες με τον κωδικό L, και οι δύο κινητήρες της μηχανής 1Μ και 2Μ. Πολύ σημαντικοί είναι οι αριθμοί που φαίνονται στο σχέδιο αφού δείχνουν τις ενώσεις των καλωδίων, και χωρίς αυτούς θα ήταν πολύ δύσκολη η καλωδίωση της μηχανής. Στην συνέχεια θα περιγράψουμε τα χαρακτηριστικά των στοιχείων της διάταξης αυτής καθώς και τον τρόπο λειτουργίας
της
μέσω
του
κλασσικού
αυτοματισμού
και
πως
επιτυγχάνεται η εκκίνηση του κινητήρα και η αλλαγή ταχύτητας του
19
Σχ 1.5.1 20
Σχ 1.5.2 21
1.5.1 Περιγραφή των υπαρχόντων στοιχείων Ασφάλειες: οι ασφάλειες που χρησιμοποιούνται στην διάταξη με μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα για κάθε ασφάλεια είναι:
Σχ 1.5.3 1B: είναι οι τρεις ασφάλειες τις τριφασικής γραμμής που μπαίνουν στην αρχή της διάταξης και έχουν μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα 50Α. στην φωτογραφία φαίνονται οι ασφάλειες με τα καπάκια ασφαλείας τους.
Σχ 1.5.4 2Β: είναι οι τριφασικές ασφάλειες που προστατεύουν τον κινητήρα των λαδιών της μηχανής και έχουν επιτρεπόμενο ρεύμα μόλις 2Α.
22
Σχ 1.5.5 3Β,6Β,7Β:
είναι
οι
μονοφασικές
ασφάλειες
που
έχουν
επιτρεπόμενο ρεύμα αντίστοιχα 6Α, 6Α, 4Α. Ηλεκτρονόμοι και θερμικά στοιχεία: τα θερμικά όπως θα δούμε κουμπώνουν κάτω από τους ηλεκτρονόμους.
Σχ 1.5.6 1S,1PT: Ο ηλεκτρονόμος 1S είναι υπεύθυνος για την εκκίνηση του κινητήρα 1Μ στην πρώτη χαμηλή ταχύτητα. Η μέγιστη επιτρεπτή ισχύς του για τάση 380V(τριφασική) είναι 7,5KW. Το θερμικό 1PT που είναι ενωμένο με το 1S έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο 6,5-9,5Α. Στο ρελέ 1S εκτός από τους τρεις διακόπτες ισχύος χρησιμοποιούνται δύο βοηθητικές επαφές normally open και μία επαφή normally closed. Επίσης στο θερμικό χρησιμοποιείται μια βοηθητική επαφή normally closed.
23
Σχ 1.5.7 2S,3S,2PT: Οι ηλεκτρονόμοι 2S και 3S έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τον 1S και ενεργοποιούνται με το START II όπου αυξάνουν τις στροφές του κινητήρα 1Μ και τον οδηγούν στην δεύτερη μεγαλύτερη ταχύτητα ισχύς 6,7KW. Το θερμικό 2PT που είναι ενωμένο με το 2S έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο 11-16Α.
Σχ 1.5.8 4S, 3PT: Ο ηλεκτρονόμος 4S είναι υπεύθυνος για την εκκίνηση του κινητήρα 2Μ που είναι ο κινητήρας των λαδιών της μηχανής. Ο κινητήρας αυτός είναι μικρής ισχύος μόλις 0,1KW γι’ αυτό και το ρελέ αυτό έχει μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ για 380V 4KW. Το θερμικό 3PT που είναι ενωμένο με το 4S έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο 0,67-1Α.
24
Σχ 1.5.9 PP: Ο PP είναι ένας βοηθητικός ηλεκτρονόμος δηλαδή δεν έχει επαφές ισχύος αλλά μόνο βοηθητικές επαφές. Σκοπός του είναι να γίνει κατορθωτή η αλλαγή ταχύτητας του κινητήρα διακόπτοντας τον ηλεκτρονόμο 1S και ενεργοποιώντας τους ηλεκτρονόμους 2S και 3S. Μετασχηματιστές: Υπάρχουν δύο μετασχηματιστές στην διάταξη μας
Σχ 1.5.10 1T: Ο μετασχηματιστής 1T χρησιμοποιείται για να ρίξει την τάση και να μπορούν να τροφοδοτηθούν τα φωτάκια που υπάρχουν μπροστά και δείχνουν την λειτουργία του κινητήρα 1Μ και σε ποια ταχύτητα βρίσκεται
καθώς
και
την
λειτουργία
του
κινητήρα
2Μ.
O
μετασχηματιστής 1Τ μετατρέπει την τάση της μιας φάσης του δικτύου δηλαδή 220V σε 6V.
25
Σχ 1.5.11 2Τ: Ο μετασχηματιστής 2Τ μετατρέπει την τάση της μιας φάσης του δικτύου δηλαδή 220V σε 24V. Ο λόγος είναι για να τροφοδοτηθεί η λάμπα που βρίσκεται πάνω από την μηχανή και φωτίζει τον τόρνο όταν δουλεύει ο χειριστής. Να σημειώσουμε εδώ ότι οι μετασχηματιστές είναι τα μόνα στοιχεία που δεν θα αλλαχτούν κατά την εκσυχρόνιση της διάταξης και θα μείνουν όπως έχουν. 1.5.2 Περιγραφή της λειτουργίας του αυτοματισμού Όλα τα πιο πάνω στοιχεία που περιγράψαμε συνθέτουν την διάταξη
της
τροφοδοσίας
της
μηχανής
μέσω
του
κλασσικού
αυτοματισμού. Στην συνέχεια θα περιγράψουμε πως λειτουργεί η διάταξη που φαίνεται στο σχήμα 1.5.1. Το σχέδιο μπορούμε να το χωρίσουμε σε 2 μέρη. Στο κύκλωμα ισχύος όπως φαίνεται στα αριστερά του σχεδίου που είναι το τριφασικό ρεύμα που τροφοδοτεί τους κινητήρες μας και το κύκλωμα αυτοματισμού στα δεξιά που τροφοδοτείται από την φάση 1 είναι δηλαδή μονοφασικό. Πιο δεξιά βλέπουμε τους δύο μετασχηματιστές που τροφοδοτούν τους λαμπτήρες L και την λάμπα 1GW.
26
Ανοίγοντας τον κεντρικό διακόπτη το τριφασικό μας ρεύμα περνά από τις ασφάλειες 1Β, 2Β, 3Β, και σταματά όπου συναντά ανοιχτούς διακόπτες. Αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε από το άναμμα του λαμπτήρα 1L. Ο χειριστής πατάει το I start 1M για να εκκινήσει την μηχανή. Σημειώνουμε ότι αν ο χειριστής πατήσει πρώτα το II start 1M δεν θα εκκινήσει η μηχανή γιατί το ρεύμα θα σταματήσει στον ανοικτό διακόπτη του βοηθητικού ρελέ PP(44). Έτσι πατώντας το I start 1M που είναι ένα μπουτόν, κλείνει ο διακόπτης, περνάει το ρεύμα και τροφοδοτείται ο ηλεκτρονόμος 1S. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να κλείσουν οι τρεις διακόπτες ισχύος του ηλεκτρονόμου και να τροφοδοτηθεί ο κινητήρας 1Μ. Ταυτόχρονα αλλάζουν φάση όλες οι βοηθητικές επαφές του 1S δηλαδή οι ανοιχτές επαφές κλείνουν (ΝΟ) και οι κλειστές ανοίγουν (ΝC). Ο διακόπτης 38-39 χρησιμοποιείται για δύο λόγους. Ως ανάδραση έτσι ώστε να συνεχίζει να τροφοδοτείται ο ηλεκτρονόμος 1S και μετά που αφήσουμε το μπουτόν I start 1M, και για να τροφοδοτήσει το βοηθητικό ρελέ PP που θα βοηθήσει στην συνέχεια όπως θα δούμε στην μετάβαση του κινητήρα 1M στην δεύτερη ψηλή ταχύτητα. Επίσης ανάβει ο λαμπτήρας 2L που μας δείχνει ότι η μηχανή δουλεύει στην πρώτη ταχύτητα. Στην συνέχεια ο χειριστής πατάει το μπουτόν II start 1M με σκοπό να μεταφέρει τον κινητήρα στην δεύτερη ταχύτητα δηλαδή να αυξήσει τις στροφές του κινητήρα. Αυτό θα γίνει μέσω του 2S και 3S στο σχέδιο ισχύος. Πατώντας το μπουτόν II start 1M πρώτο πράγμα που γίνεται είναι να ανοίξει η επαφή 39-40 και να διακοπεί η τροφοδοσία του ηλεκτρονόμου 1S. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ανοίξουν οι διακόπτες ισχύος που τροφοδοτούσε τον κινητήρα 1Μ και να αλλάξουν φάση οι βοηθητικές επαφές δηλαδή να επανέλθουν στην κατάσταση ηρεμίας τους. Στην συνέχεια ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος 3S και στην συνέχεια με την βοήθεια της βοηθητικής επαφής 45-46 ενεργοποιείται 27
και ο ηλεκτρονόμος 3S. Έτσι ο κινητήρας 1Μ όπως φαίνεται στο σχέδιο ισχύος τροφοδοτείται από διαφορετική γραμμή που του δίνει αύξηση της ισχύς άρα και των στροφών του. Ενεργοποιώντας τον ηλεκτρονόμο 2S διακόπτουμε την τροφοδοσία του βοηθητικού ρελέ PP και ανάβει και ο λαμπτήρας 3L που δείχνει ότι η μηχανή δουλεύει στην δεύτερη ψηλή ταχύτητα. Τέλος πατώντας ο χειριστής το μπουτόν start 2Μ ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος 4S που τροφοδοτεί τον κινητήρα 2Μ των λαδιών. Και πάλι μένει ενεργοποιημένο το 4S μέσω της ανάδρασης της βοηθητικής επαφής της 4S. Επίσης ανάβει ο λαμπτήρας 4L που δείχνει ότι δουλεύει ο κινητήρας των λαδιών 2Μ. Το
μπουτόν
stop
διακόπτει
την
τροφοδοσία
όλων
των
ηλεκτρονόμων που έχει ως αποτέλεσμα την διακοπή της τροφοδοσίας των κινητήρων σε όποια φάση και αν βρίσκονται(η μηχανή σταματά). Επίσης βλέπουμε τις βοηθητικές επαφές των θερμικών που επίσης διακόπτουν την τροφοδοσία σε περίπτωση υπερέντασης στο κύκλωμα μας.
28
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ
2.1
Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται η περιγραφή των καινούργιων
στοιχείων και οι λόγοι που επιλέχθηκαν τα συγκεκριμένα στοιχεία καθώς και οι λόγοι για τους οποίους επιλέχθηκε ο αυτοματισμός με την χρήση προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή. Επίσης παρουσιάζεται το PLC που εγκαταστάθηκε. 2.2
Περιγραφή των καινούργιων στοιχείων Ασφαλειοδιακόπτες: στην θέση των ασφαλειών που υπήρχαν στην
παλιά διάταξη θα βάλουμε ασφαλειοδιακόπτες που είναι πιο προηγμένοι και δεν θέλουν αλλαγή σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Ανάλογα χρησιμοποιούμε τριφασικούς και μονοφασικούς ασφαλειοδιακόπτες.
Σχ 2.2.1 1Β, 2Β: στην θέση των τριών ασφαλειών μέγιστο
επιτρεπόμενο
ρεύμα
50Α
βάζουμε
του 1Β που είχαν ένα
τριφασικό 29
ασφαλειοδιακόπτη όπως φαίνεται στο σχήμα με μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα όμως 25Α. ο λόγος που βάλαμε 25Α αντί 50Α είναι ότι δεν περνά ποτέ τόσο ρεύμα από την γραμμή αυτή και έτσι θεωρητικά δεν θα ‘πέσουν’ ποτέ οι ασφαλειοδιακόπτες. Δηλαδή στην αρχική διάταξη είχε λανθασμένα επιλεχθεί οι συγκεκριμένες ασφάλειες. Με τον ίδιο τρόπο στην θέση των τριών ασφαλειών του 2Β με μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα 2Α βάζουμε ένα τριφασικό ασφαλειοδιακόπτη επίσης 2Α.
Σχ 2.2.2 3B, 6B, 7B: Οι ασφαλειοδιακόπτες που χρησιμοποιήσαμε εδώ είναι μονοφασικοί και έχουν αντίστοιχα μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα 6Α, 6Α και 4Α, όπως δηλαδή και οι ασφάλειες που υπήρχαν στην παλιά διάταξη . Ηλεκτρονόμοι: Οι ηλεκτρονόμοι που επιλεχθήκαν είναι της Schneider Electric και συγκεκριμένα της Τelemecanique. Επιλέχθηκαν τα υλικά αυτά από αυτή την εταιρία και για λόγους κόστους και για ευκολία αφού από την ίδια εταιρία αγοράστηκε και το PLC.
30
Σχ 2.2.3 1S, 2S, 3S: Οι ηλεκτρονόμοι 1S, 2S, 3S έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα έχουν μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ στα 400V 7,5KW. Επίσης έχουν εκτός από τις τρεις επαφές ισχύος και δύο βοηθητικές επαφές μια normally open (NO) και μια normally closed (NC).
Σχ 2.2.4 4S: ο ηλεκτρονόμος 4S είναι πιο μικρής ισχύος από τους υπόλοιπους αφού είναι υπεύθυνος από για τον μικρό κινητήρα των λαδιών. Συγκεκριμένα έχει μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ για τάση 400V τριφασική 2,2KW. Επίσης έχει εκτός από τις τρεις επαφές ισχύος και μια βοηθητική επαφή normally open (NO). Θερμικά στοιχεία: τα θερμικά που επιλέχθηκαν είναι επίσης της ίδιας εταιρίας με τους ηλεκτρονόμους για να ταιριάζουν και να κουμπώνουν μαζί με αυτούς. 31
Σχ 2.2.5 1PT, 2PT: Το θερμικό 1PT κουμπώνει κάτω από τον ηλεκτρονόμο 1S και το 2PT κάτω από το 2PT. το θερμικό 1PT έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο ρεύματος 7-10Α, και το 2PT έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο 12-18Α. Και τα δύο θερμικά εκτός από τις τρείς επαφές που κουμπώνουν με τους ηλεκτρονόμους (τα τρία σιδεράκια που φαίνονται στο σχήμα) έχουν και δύο βοηθητικές επαφές μία normally open (NO) και μία normally closed (NC).
Σχ 2.2.6 3PT: Το θερμικό 3PT κουμπώνει με τον ηλεκτρονόμο 4S. Έχει μεταβαλλόμενο επιτρεπόμενο όριο ρεύματος 0,8-1,2Α. Ακόμη έχει δύο έξτρα βοηθητικές επαφές μία normally open και μία normally closed. Διακόπτης ηλεκτροπληξίας: Ένα νέο στοιχείο που προσθέτουμε στην καινούργια διάταξη που δεν υπήρχε πριν είναι ο διακόπτης ηλεκτροπληξίας. 32
Σχ 2.2.6 Λειτουργία: Όταν η ηλεκτρική εγκατάσταση λειτουργεί κανονικά το άθροισμα των ρευμάτων των φάσεων και του ουδετέρου είναι μηδέν. Όταν όμως παρουσιαστεί διαρροή, το άθροισμα παύει να είναι μηδέν. Τότε στο δευτερεύον τύλιγμα του διαφορικού μετασχηματιστή του διακόπτη δημιουργείται ρεύμα εξ’ επαγωγής. Μόλις το ρεύμα αυτό φτάσει το όριο των 30 χιλιοστών του Αμπέρ, αντιδρά αυτόματα ο μηχανισμός προστασίας και διακόπτει την τροφοδότηση ολόκληρου του κυκλώματος μέσα σε 30 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Μετά από έρευνες έχει αποδειχθεί ότι τα όρια αυτά είναι τελείως ακίνδυνα για τον ανθρώπινο οργανισμό. Μετασχηματιστές: Όπως αναφέραμε και στο πρώτο κεφάλαιο οι μετασχηματιστές είναι τα μοναδικά στοιχεία που δεν θα αλλαχθούν από την παλιά διάταξη αλλά θα μείνουν όπως έχουν. Δηλαδή ο 1Τ στα 6V και ο 2Τ στα 24V.
33
2.3
Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) Τα PLC (Programmable Logic Controllers) είναι συσκευές που
χρησιμοποιούνται από την βιομηχανία για την αυτοματοποίηση των διεργασιών της. Η πρόοδος της τεχνολογίας συρρίκνωσε το κόστος των PLC τόσο ώστε πλέον να τα συναντούμε σε όλες βιομηχανικές μονάδες από μικρές βιοτεχνίες (π.χ εργαστήρια ζαχαροπλαστικής μέχρι τεράστιες βιομηχανίες (διυλιστήρια, χυτήρια κτλ.).
Σχ 2.3.1 Σε
πολύπλοκα
συστήματα
είναι
επιβεβλημένη
η
χρήση
συστημάτων με μικροεπεξεργαστή. Σε αυτό το είδος αυτοματοποίησης τα σήματα ελέγχου, είσοδοι και έξοδοι, συγκεντρώνονται παράλληλα στην κεντρική μονάδα του συστήματος ελέγχου. Τα στοιχεία που είναι
34
απαραίτητα
για
τον
έλεγχο
(χρονικά,
συναρτήσεις) αντικαθιστούνται από θέσεις
μετρητές,
μαθηματικές
μνήμης και εντολές του
επεξεργαστή. Ο έλεγχος πραγματοποιείται μέσω ενός αλγόριθμου που εκτελείται στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Τα συστήματα με μικροεπεξεργαστή
περιλαμβάνουν
πλακέτες
με
μικροελεγκτές,
βιομηχανικά PC και PLC. Από όλα αυτά τα συστήματα ως πιο αξιόπιστα χαρακτηρίζονται τα PLC. Στο πιο κάτω σχέδιο φαίνεται η δομή ενός PLC.
Σχ 2.3.2
35
2.3.1
Πλεονεκτήματα PLC έναντι κλασσικού αυτοματισμού Οι κλασσικοί αυτοματισμοί χρησιμοποιούν μανδαλώσεις μεταξύ
των επαφών των στοιχείων τους για να πραγματοποιήσουν τον έλεγχο. Αυτό τους καθιστά κατάλληλους μόνο για τον έλεγχο απλών συστημάτων. Από ένα επίπεδο πολυπλοκότητας και άνω η χρήση κλασσικών αυτοματισμών είναι ασύμφορη. Αυτό συμβαίνει διότι όσο ο αριθμός των στοιχείων αυξάνει, η καλωδίωση τους γίνεται δαιδαλώδης. Σε περίπτωση βλάβης ή όταν χρειάζεται να γίνει κάποια αλλαγή, η διαδικασία της διόρθωσης ή της αλλαγής μπορεί να γίνει εξαιρετικά δύσκολη και απαιτεί έμπειρο και εξειδικευμένο προσωπικό. Συνεπώς οι κλασσικοί αυτοματισμοί έχουν υψηλό κόστος μελέτης, κατασκευής και εγκατάστασης ενώ οι δυνατότητες τους σε επέκταση και αλλαγές είναι περιορισμένες. Άλλα πλεονεκτήματα είναι: • Υπάρχει σημαντική οικονομία στο χώρο, τη συντήρηση (δεν υπάρχουν μηχανικές επαφές) και την κατανάλωση ενέργειας. • Δεν υπάρχει το γνωστό πρόβλημα των ¨μη ενημερωμένων¨ σχεδίων του πίνακα αυτοματισμού μετά από λίγο καιρό. Το PLC έχει πάντα κρατημένο μέσα του το τελευταίο πρόγραμμα, το οποίο μπορεί να διαβαστεί με μια συσκευή προγραμματισμού ή να εκτυπωθεί σε χαρτί • Η τοποθέτηση μπορεί να γίνει χωρίς κίνδυνο και μέσα σε πεδία ισχύος.
36
Σχ 2.3.2 Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.3.2 ένα άλλο πλεονέκτημα των PLC είναι ότι η αλλαγή στον αυτοματισμό αντιστοιχεί σε μια απλή 37
αλλαγή στο πρόγραμμα και όχι σε αλλαγή στην καλωδίωση όπως συμβαίνει στον κλασσικό αυτοματισμό. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα των PLC είναι ότι η κύρια γλώσσα προγραμματισμού τους, η LADDER είναι στην ουσία ίδια με διάγραμμα κλασσικού αυτοματισμού. Έτσι ένας τεχνικός αυτοματισμού μπορεί εύκολα να εξοικειωθεί με τον προγραμματισμό των PLC και ένας ηλεκτρολόγος που γνωρίζει ηλεκτρολογικό σχέδιο να καταλάβει τις λειτουργίες του προγράμματος. Γενικά μπορούμε να περιγράψουμε τα PLC ως αξιόπιστες, ευέλικτες,
εύκολες
στον
προγραμματισμό
και
φτηνές
μονάδες
αυτοματισμού. 2.4
Telemecanique zelio - logic controller Το PLC που επιλέχθηκε και ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της
διπλωματικής τόσο από πλευράς δυνατοτήτων όσο και από πλευράς κόστους είναι το Telemecanique zelio logic controller compact basic PLC module, SR2D101FU 10i/o. Με βάση τις απαιτήσεις μας είχαμε δυο επιλογές για το PLC. Το Telemecanique zelio και το Siemens logo. Και τα δύο πληρούσαν τις προϋποθέσεις αλλά επιλέχθηκε το zelio της Telemecanique λόγω κόστους αλλά και λόγο προηγούμενης εμπειρίας με το λογισμικό του.
38
Σχ 2.4.1 Το zelio της Telemecanique στην πραγματικότητα δεν ονομάζεται PLC αλλά λογικό ρελέ μιας και είναι πολύ απλό και χρησιμοποιείται για απλές εφαρμογές. Το μοντέλο που επιλέξαμε είναι το πιο απλό που υπάρχει αφού δεν υπάρχει ούτε οθόνη στο PLC. Συγκεκριμένα το μοντέλο μας έχει έξι εισόδους που συμβολίζονται από I1-I6 και τέσσερις εξόδους ρελέ που συμβολίζονται με Q1-Q4. Το δεύτερο ερώτημα που έπρεπε να απαντηθεί, αφορούσε την τροφοδοσία του PLC. Αρκετά PLC για λόγους ασφαλείας έχουν χαμηλή τάση τροφοδοσίας στα 24V. Αυτό θα ήταν πού δύσκολο στην δική μας διάταξη να συμβεί γιατί η τάση μας σε όλη την διάταξη είναι η τάση του δικτύου μας δηλαδή τα 230V. Έτσι θα χρειαζόταν να εγκαταστήσουμε στην διάταξη μας ένα μετασχηματιστή για να επιτύχουμε τα 24V πράγμα ασύμφορο. Έτσι το PLC μας έχει τάση τροφοδοσίας 240V AC.
39
Σχ 2.4.2
40
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ
3.1
Εισαγωγή Η λειτουργία της διάταξης είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας
μηχανικών
και
ηλεκτρικών
τμημάτων.
Για
την
ηλεκτρολογική
εγκατάσταση επιλέχθηκαν τα τυποποιημένα υλικά που περιγράψαμε στο 2ο κεφάλαιο. Ο τρόπος σύνδεσης και η καλωδίωση των υλικών έγινε με τις προδιαγραφές μια σύγχρονης βιομηχανικής εγκατάστασης. Ο στόχος της σχεδίασης του ηλεκτρολογικού μέρους της διάταξης ήταν να κάνει το σύστημα εύκολο στην συντήρηση και ανοικτό στην επέκταση μέσω του προγράμματος του PLC. Θα γίνει και μια περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης καθώς και την επιλογή των καλωδίων που χρησιμοποιήθηκαν. 3.2
Περιγραφή της καινούργιας διάταξης Η καινούργια ηλεκτρολογική διάταξη έγινε με βάση την υπάρχον
διάταξη του κλασσικού αυτοματισμού. Η λογική του κλασσικού αυτοματισμού διατηρήθηκε και στην καινούργια διάταξη. Αρκετές βοηθητικές επαφές διατηρήθηκαν και μετά την εισαγωγή του PLC για να έχουμε εκτός από την προστασία και την λειτουργία του αυτοματισμού από το πρόγραμμα του PLC και προστασία στο μηχανικό μέρος. Έτσι με αυτόν το τρόπο έχουμε διπλή προστασία ότι η διάταξη μας θα δουλεύει σωστά και με ασφάλεια. Άλλη μια προστασία που προσθέσαμε και δεν υπήρχε στην παλιά διάταξη είναι ο διακόπτης ηλεκτροπληξίας. Στο σχήμα 3.2.1 φαίνεται το καινούργιο ηλεκτρολογικό σχέδιο της διάταξης
41
με την εισαγωγή του PLC όπως αυτό επανασχεδιάστηκε στην AUTOCAD.
Σχ 3.2.1 42
3.3
Περιγραφή της λειτουργίας της διάταξης Όπως βλέπουμε στο νέο σχέδιο και συγκρίνοντας το με το
προηγούμενο
σχέδιο
του
κλασσικού
αυτοματισμού
η
αλλαγή
επικεντρώνεται κυρίως στο κύκλωμα αυτοματισμού. Το κύκλωμα ισχύος δεν υπέστη καμιά αλλαγή στον τρόπο σύνδεσης του αλλά αλλαγή των στοιχείων του αφού αλλαχτήκαν όλοι οι ηλεκτρονόμοι και τα θερμικά στοιχεία. Επίσης καμία αλλαγή δεν υπήρξε στους μετασχηματιστές και στα στοιχεία που τροφοδοτούν εκτός από τον λαμπτήρα 1L που ανάβει όταν ανοίξουμε τον γενικό διακόπτει και περάσει το ρεύμα στην ηλεκτρολογική μας διάταξη. Προηγουμένως αυτό άναβε μέσω του μετασχηματιστή που το τροφοδοτούσε με 6V ενώ με την καινούργια διάταξη ο λαμπτήρας μεταφέρθηκε στην αρχή της διάταξης πριν τον διακόπτη ηλεκτροπληξίας και τροφοδοτείται με 230V. Έτσι έγινε αλλαγή του λαμπτήρα 1L. Στο κύκλωμα αυτοματισμού το PLC αναλαμβάνει μέσω των εισόδων που βάλαμε εμείς και των ενεργειών του χειριστή αλλά και του προγράμματος που δημιουργήσαμε να τροφοδοτεί τους τέσσερις ηλεκτρονόμους μας που με την σειρά τους αυτοί ανοίγουν η κλείνουν τις επαφές ισχύος τους ανάλογα και τροφοδοτούν τους δύο κινητήρες της μηχανής μας. Δηλαδή το PLC κάνει ότι έκαναν οι βοηθητικές επαφές των ηλεκτρονόμων αλλά όχι με μηχανικό τρόπο αλλά μέσω του προγράμματος του. Το PLC μας όπως περιγράψαμε και φαίνεται στο σχήμα έχει έξι εισόδους και τέσσερις εξόδους. Στις εξόδους όπως είναι προφανές έχουμε συνδέσει τους τέσσερις ηλεκτρονόμους όπου το πρόγραμμα αναλαμβάνει να τους τροφοδοτήσει ανάλογα με την κατάσταση των εισόδων μας (κατάσταση 1: πέρνα ρεύμα, κατάσταση 0: δεν περνά ρεύμα).
43
Στην είσοδο 1 έχουμε συνδέσει το μπουτόν του στοπ όπου όταν το πατήσει ο χειριστής πρέπει να διακόπτει την τροφοδοσία όλων των ηλεκτρονόμων για να σβήνουν οι κινητήρες. Το μπουτόν του στοπ είναι μια normally closed επαφή που σημαίνει ότι σε κατάσταση ηρεμίας περνάει ρεύμα στην είσοδο 1 και αυτή μεταβάλλεται στιγμιαία σε κατάσταση 0 όταν ο χειριστής πατήσει το μπουτόν. Στην είσοδο 2 έχουμε συνδέσει το μπουτόν I start 1M όπου όταν το πατήσει ο χειριστής περνάει ρεύμα στιγμιαία στην είσοδο μας. Το ίδιο συμβαίνει και στην είσοδο 3 όταν ο χειριστής πατήσει το μπουτόν II start 2M. Επίσης τα έχουμε συνδέσει έτσι ώστε το ένα να αναιρεί το άλλο δηλαδή πατώντας το I start τροφοδοτεί την είσοδο 2 αλλά διακόπτει το ρεύμα στην είσοδο 3 και το αντίστροφο για το II start. Στην είσοδο 4 έχουμε συνδέσει το μπουτόν start 2M όπου όταν το πατήσει ο χειριστής περνάει ρεύμα στιγμιαία στην είσοδο μας. Τέλος στις εισόδους 5 και 6 έχουμε συνδέσει τις βοηθητικές επαφές των θερμικών στοιχείων έτσι ώστε σε περίπτωση υπερέντασης να κλείσουν οι επαφές αυτές και να περάσει ρεύμα στις εισόδους μας. Έχοντας
αναλύσει
τις
εισόδους
μας
και
ξέροντας
πώς
λειτουργούσε ο κλασσικός αυτοματισμός δηλαδή ποιοι ηλεκτρονόμοι πρέπει να λειτουργούν και με ποια σειρά είμαστε έτοιμοι να μπούμε στην λογική του προγράμματος. Το πρόγραμμα μας πρέπει: • Να τροφοδοτεί τον ηλεκτρονόμο 1S όταν πατήσουμε το I start 1M • Να διακόπτει τον ηλεκτρονόμο 1S και να τροφοδοτεί πρώτα τον ηλεκτρονόμο 3S και μετά τον 2S όταν πατήσουμε το II start 2Μ. • Nα τροφοδοτεί τον ηλεκτρονόμο 4S όταν πατήσουμε το start 2M. • Να διακόπτει την τροφοδοσία όλων των ηλεκτρονόμων όταν πατήσουμε το stop.
44
• Να διακόπτει την τροφοδοσία όλων των ηλεκτρονόμων όταν κλείσει έστω και μία βοηθητική επαφή των θερμικών στοιχείων (όταν αλλάξουν κατάσταση από 0 σε 1 οι είσοδοι 5 και 6) • Να μην τροφοδοτεί τους ηλεκτρονόμους 2S και 3S όταν πατάω το II start 1M χωρίς να δουλεύει ο κινητήρας στην χαμηλή ταχύτητα (δηλαδή να μην έχω πατήσει πριν το I start 1M) • Να μπορεί να μεταβάλλεται ο κινητήρας 1Μ στις δύο ταχύτητες εναλλάξ. Επειδή στους ηλεκτρονόμους και στα θερμικά μας έχουμε βοηθητικές επαφές μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε για να έχουμε και μηχανική ασφάλεια στον αυτοματισμό μας. Έτσι με αυτό τον τρόπο έχουμε διπλή ασφάλεια αφού εκτός από την ασφάλεια που έχουμε στο πρόγραμμα έχουμε και την μηχανική ασφάλεια των διακοπτών. Συγκεκριμένα έχουμε συνδέσει σε σειρά τις τρείς normally closed επαφές των θερμικών με την τροφοδοσία των ηλεκτρονόμων έτσι ώστε σε περίπτωση υπερέντασης να κόβει την τροφοδοσία όλων των ηλεκτρονόμων. Την normally closed επαφή του 3S την συνδέσαμε στον 1S έτσι ώστε όταν τροφοδοτείτε ο 3S να κόβει μηχανικά την τροφοδοσία του 1S. Την normally open επαφή του 3S την συνδέσαμε έτσι ώστε να μην μπορεί να τροφοδοτηθεί ο 2S παρά μόνο όταν τροφοδοτείται ο 3S. Τέλος η normally closed επαφή του 1S δεν επιτρέπει την τροφοδοσία του 2S όταν τροφοδοτείται η 1S. 3.4
Καλώδια – αγωγοί
3.4.1 Διαχωρισμός και ομαδοποίηση καλωδίων Ένα πολύ σοβαρό ζήτημα στις ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις είναι η αναγνώριση του κάθε αγωγού ή καλωδίου στο σχέδιο και η 45
ταυτοποίηση του στην εγκατάσταση. Για να διασφαλισθεί ότι η διαδικασία αλλαγής ενός κατεστραμμένου αγωγού ή η εύρεση μίας βλάβης θα είναι εύκολη, χρησιμοποιήθηκαν αγωγοί διαφορετικών διατομών και χρωμάτων σε κάθε περίπτωση. Όπου ήταν απαραίτητος περαιτέρω διαχωρισμός οι αγωγοί μαρκαρίστηκαν με ειδικές ετικέτες. Ο στόχος της διαδικασίας διαχωρισμού των αγωγών είναι να γίνει εύκολο σε οποιονδήποτε μπορεί να κατανοήσει ηλεκτρολογικό σχέδιο να κάνει μία παρέμβαση στην εγκατάσταση ακόμη και αν δεν έχει ασχοληθεί με την φάση της καλωδίωσης του συστήματος. Επίσης μεγάλο ρόλο παίζουν οι αριθμήσεις των καλωδίων που υπάρχουν πάνω στο σχέδιο αλλά και πάνω στα καλώδια αφού χωρίς αυτές θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο το ξήλωμα της μηχανής αφού δεν θα ξέραμε από πού έρχεται το κάθε καλώδιο. Η απαρίθμηση αυτή διατηρήθηκε και στην καινούργια ηλεκτρολογική διάταξη. Οι
διατομές
των
αγωγών
που
χρησιμοποιήσαμε
στην
ηλεκτρολογική μας εγκατάσταση είναι: • 2.5 mm 2 για τριφασικό κύκλωμα ισχύος των 380VAC • 1.5 mm 2 για το μονοφασικό κύκλωμα αυτοματισμού 220VAC Σε όλη την εγκατάσταση οι αγωγοί διαρρέονται από ρεύματα πολύ μικρότερα από τις ονομαστικές αντοχές τους. Η υπερδιαστασιολόγηση στους αγωγούς έγινε για λόγους μηχανικής αντοχής και διαχωρισμού των αγωγών. Εκτός από τις διατομές των αγωγών για την αναγνώριση τους χρησιμοποιούνται και διαφορετικά χρώματα. Τα χρώματα αυτά είναι: • Μαύρο
2.5 mm 2
τροφοδοσία του κινητήρα 1Μ
• Μαύρο
1,5 mm 2
τροφοδοσία του κινητήρα 2Μ
• Κόκκινο
1,5 mm 2
κύκλωμα των μετασχηματιστών
46
• Καφέ
1,5 mm 2
κύκλωμα
αυτοματισμού
(τροφοδοσία
PLC από φάση R, είσοδοι και έξοδοι του PLC) • Μπλε
1,5 mm 2
• Πράσ/κίτρ 1,5 mm 2 3.5
N (ουδέτερος) γείωση
Ο ηλεκτρολογικός πίνακας Ο
ηλεκτρολογικός
πίνακας
είναι
ένα
κουτί
διαστάσεων
60,5x76,5cm. Μέσα είναι μία μεταλλική πλάκα διαστάσεων 56x72cm όπου πάνω σε αυτή βρίσκονται το PLC, οι ηλεκτρονόμοι, και οι ασφάλειες. Η διάταξη των υλικών πάνω στην μεταλλική πλάκα φαίνεται σε φωτογραφία στο παράρτημα Α. Για
την
στερέωση
των
υλικών
στην
μεταλλική
πλάκα
χρησιμοποιούνται τυποποιημένες διάτρητες ράγες των 35 mm. Πάνω στις ράγες τα υλικά τοποθετούνται και αποσπώνται με ένα ίσιο κατσαβίδι χωρίς να είναι απαραίτητη η χρήση βιδών για την στερέωση τους. Στις ράγες υπάρχει αρκετός χώρος για εγκατάσταση πρόσθετου ηλεκτρολογικού υλικού που μπορεί να χρειαστεί στο μέλλον.
47
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 – ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ PLC
4.1
Εισαγωγή στην γλώσσα προγραμματισμού LADDER Στο παρελθόν η κύρια μέθοδος ελέγχου μίας διαδικασίας ήταν ο
άνθρωπος. Με την πρόοδο της τεχνολογίας η ανθρώπινη παρέμβαση στον έλεγχο αντικαθίστατο συνεχώς από μηχανές οι οποίες ήταν σε θέση να πάρουν λογικές αποφάσεις. Τα πρώτα συστήματα που μπορούσαν να πάρουν απλές αποφάσεις ήταν οι ηλεκτρονόμοι. Με την εισαγωγή της τεχνολογίας του ψηφιακού ελέγχου στην βιομηχανία την δεκαετία του 1970 τα συστήματα που χρησιμοποιούσαν ηλεκτρονόμους για την εφαρμογή του ελέγχου έπρεπε να αντικατασταθούν από προγράμματα. Η κύρια γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιείται από όλους τους κατασκευαστές PLC είναι η γλώσσα LADDER. Το κύριο χαρακτηριστικό
της
γλώσσας
LADDER
είναι
ότι
μιμείται
τα
διαγράμματα ελέγχου με ηλεκτρονόμους. Η απόφαση να χρησιμοποιηθεί μία τέτοια γλώσσα για τον προγραμματισμό του PLC πάρθηκε με γνώμονα το κόστος που θα είχε η μετεκπαίδευση των μηχανικών ελέγχου. Με την LADDER είναι πολύ ευκολότερο για ένα σχεδιαστή αυτοματισμών με ηλεκτρονόμους να εκπαιδευτεί στον προγραμματισμό των PLC. Όπως
έχει
αναφερθεί
η
γλώσσα
LADDER
μιμείται
τα
διαγράμματα των ηλεκτρονόμων. Χρησιμοποιεί δηλαδή επαφές και πηνία για να πραγματοποιήσει τον έλεγχο. Στο σχήμα 4.1.1 φαίνεται ένα κύκλωμα ελέγχου για την αναστροφή ενός τριφασικού κινητήρα με την χρήση κλασσικών αυτοματισμών. Στο σχήμα 4.1.2 φαίνεται η συνδεσμολογία του αντίστοιχου αυτοματισμού με την χρήση PLC. Το
48
PLC είναι φανταστικό και χρησιμοποιείται μόνο για το συγκεκριμένο παράδειγμα. Στο σχήμα 4.1.3 φαίνεται το πρόγραμμα του PLC σε LADDER.
Σχ 4.1.1
49
Σχ 4.1.2
Σχ 4.1.3 50
4.2
Εργαλεία προγραμματισμού του PLC zelio logic Για τον προγραμματισμό του PLC μας η εταιρία Schneider
χρησιμοποιεί την εφαρμογή Zelio Soft 2. Το Zelio Soft 2 είναι μία εφαρμογή η οποία τρέχει σε περιβάλλον windows. Με το Zelio Soft 2 ο προγραμματιστής μπορεί να δημιουργήσει μία εφαρμογή, να την φορτώσει στο PLC και να την εκσφαλματώσει σε πραγματικό χρόνο την ώρα δηλαδή που το PLC τρέχει το πρόγραμμα του. Επίσης έχει και εφαρμογή simulation η οποία μπορεί να τρέχει το πρόγραμμα εικονικά και να βλέπει τις μεταβολές στις εισόδους και εξόδους του PLC. Στο σχήμα 4.2.1 φαίνεται η μορφή και το περιβάλλον του Zelio Soft 2.
Σχ 4.2.1
51
Κάτω αριστερά του προγράμματος έχουμε τις εισόδους I, τις εξόδους Q και τους βοηθητικούς
ηλεκτρονόμους M τους οποίους
χρησιμοποιούμε τραβώντας τους στο σχέδιο.
Οι είσοδοι του PLC
Οι έξοδοι του PLC
Οι γλώσσες που προσφέρει το Zelio Soft 2 είναι: 1. Η γλώσσα LADDER η οποία έχει περιγραφεί στην προηγούμενη παράγραφο. Στο σχήμα 4.2.2 φαίνεται ένα παράθυρο επεξεργασίας ενός προγράμματος σε LADDER.
52
Σχ 4.2.2
2. Η γλώσσα FBD. Στο σχήμα 4.2.3 φαίνεται ένα παράθυρο επεξεργασίας της γλώσσας FBD.
53
Σχ 4.2.3 4.3
Διαδικασία μεταφοράς του προγράμματος στο PLC Αφού γράψουμε το πρόγραμμα μας στο Zelio Soft 2 και το
περάσουμε από το simulation του προγράμματος για να βεβαιωθούμε ότι δουλεύει σωστά, είμαστε έτοιμοι να το μεταφέρουμε από τον υπολογιστή στο PLC. Αυτό γίνεται με την βοήθεια του ειδικού καλωδίου που αγοράστηκε ξεχωριστά από το PLC. Το καλώδιο αυτό έχει ειδική υποδοχή που ενώνεται με το PLC και υποδοχή USB που ενώνεται με τον υπολογιστή. Η σειρά που ακολουθείται για να ενώσουμε το PLC
τον
υπολογιστή φαίνεται στο σχ 4.3.1.
54
Σχ 4.3.1
55
Μια σημαντική δυσκολία που αντιμετώπισα στην μεταφορά του προγράμματος στο PLC ήταν το γεγονός ότι δεν αναγνώριζε το PLC ο υπολογιστής μας με αποτέλεσμα να μην μπορούμε να μεταφέρουμε το πρόγραμμα μας. Η αιτία είναι ότι δεν αναγνώριζε το port το λογισμικό μας γιατί ήταν με σύνδεση μέσω USB. Για να λύσουμε το πρόβλημα έπρεπε να εγκαταστήσουμε τα drivers του USB που βρίσκονται σε φάκελο μέσα στο εγκατεστημένο λογισμικό μας Zelio Soft 2. Έτσι αφού ενώσουμε το καλώδιο μας κάνουμε τις εξής κινήσεις: • Πηγαίνουμε στο control panel και στο εικονίδιο add hardware. • Εκεί στην επιλογή ‘can windows connect to windows update to search for software’ επιλέγουμε το ‘no, not this time’ και πατάμε next. • Μετά επιλέγουμε την επιλογή ‘install from a list or specific location’ και πατάμε next. • Στην συνέχεια πατάμε το ‘browse’ και βρίσκουμε τον φάκελο USB drivers που βρίσκεται στο program filesÎ Schneider ElectricÎ Zelio Soft 2Î DriverUSB και πατάμε next. Αυτή η διαδικασία θα εγκαταστήσει τα drivers μας στον υπολογιστή μας. Στην συνέχεια πρέπει να αλλάξουμε την επιλογή του port μας που βρίσκεται στο πρόγραμμα Zelio Soft 2 σε port(USB). Αυτό γίνεται με την εξής διαδικασία: • Ανοίγουμε το πρόγραμμα Zelio Soft 2. • Από την μπάρα επιλέγουμε το transferÎCOMMUNICATION configuration. Θα δούμε στην οθόνη μας την πιο κάτω εικόνα
56
Σχ 4.3.2
• Στο ‘com port’ αλλάζουμε στο port όπου γράφει μέσα στην παρένθεση USB, και πατάμε το test. Τώρα είμαστε έτοιμοι να μεταφέρουμε το πρόγραμμα μας από τον υπολογιστή στο PLC
57
58
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ
Φωτογραφία Α1 Η μηχανή τόρνος
Φωτογραφία Α2 Η μηχανή τόρνος 59
Φωτογραφία Α3 Τα μπουτόν εκκίνησης της μηχανής
Φωτογραφία Α4 Ο διακόπτης τροφοδοσίας της μηχανής
60
Φωτογραφίες Α4-Α5 Η ηλεκτρολογική διάταξη του κλασσικού αυτοματισμού
61
Φωτογραφία Α6 Η μπάρα καλωδίων που έρχονται από κινητήρες
Φωτογραφία Α6 το κουτί μετά την αφαίρεση της μεταλλικής πλάκας
62
Φωτογραφίες Α7-Α8 Η καλωδίωση με τις επαφές των μπουτόν
63
Φωτογραφίες Α9-Α10 διαδικασία τοποθέτησης των νέων στοιχείων στην μεταλλική πλάκα
64
Φωτογραφία Α11 Τα υλικά που αφαιρέθηκαν από την διάταξη
Φωτογραφία Α12 Το PLC συνδεδεμένο
65
Φωτογραφίες Α13-14 Η τελική ηλεκτρολογική διάταξη με την αλλαγή των στοιχείων και την προσθήκη του PLC
66
Φωτογραφία Α15 Το καλώδιο σύνδεσης του PLC με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή
67
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ PLC ΣΕ LADDER
68
69
70
71
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1) Ηρακλή Α. Σωτηράκη: ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ Υλικά - Θεωρία – Εφαρμογές 2) Σταύρου Ρουμπή: Αυτοματισμός με προγραμματιζόμενους ελεγκτές 3)Διπλωματική εργασία Μπέρσου Χρήστου: Βελτιστοποίηση λειτουργίας Συστήματος πέδησης Κινητήρα ελεγχόμενου μέσω PLC
72
