• 1. 1. 1. اینورتر مدل VFD-B برای کنترل سرعت پمپ آب برگشت

     

   

   

این اینورتر [۶۱] دارای ورودی سه فاز است که برای استفاده در حالت تک­فاز می توان وروردی AC را به دو فاز R، S یا T متصل کرد که در این پروژه برق ورودی به پایه های R و S متصل شده است. خروجی اینورتر به موتور تک‏فاز موجود در آزمایشگاه با مشخصات ۲۲۰V و ۲٫۵A متصل می‏شود، در حالی که اینورتر دارای خروجی سه فاز است که اختلاف ولتاژ بین دو فاز آن ۲۲۰V و اختلاف بین فاز و نول آن ۱۱۰V است. بنابراین خروجی موتور را به پایه های U و T متصل می­کنیم. شکل ۶-۳ و ۶-۴ به ترتیب این اینورتر و پایه­ های ورودی و خروجی آن را نشان می‏دهند.
شکل ۶-۳٫ اینورتر مدل VFD-B.
شکل ۶-۴٫ پایه‏های ورودی و خروجی اینورتر مدل VFD-B [61].
پس از اتصال ورودی به اینورتر و خروجی آن به موتور، این اینورتر را همانند اینورتر C2000 به PLC متصل می‏کنیم. پایه‏های آنالوگ اینورتر در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل ۶-۵٫ پایه‏های آنالوگ اینورتر [۶۱].
در شکل فوق سه پایه­ AVI (Analog Voltage Input)، ACI (Analog Current Input) ، AUI (Analog Auxilary Input)، وجود دارد. پایه ی AVI برای ولتاژهای آنالوگ ورودی در محدوده ۰ تا ۱۰ ولت، ACI برای جریان آنالوگ ورودی در محدوده ۴ تا ۲۰ میلی­آمپر و AUI برای ولتاژهای آنالوگ در محدوده ی ۱۰- تا ۱۰ ولت است. البته باید دقت کرد که در تنظیمات سخت­افزاری PLC این محدوده­ها باید با پایه­ های فوق مطابقت داشته باشند، به این معنی که محدوده خروجی آنالوگ در تنظیمات سخت­افزاری کارت آنالوگ، بایستی به درستی انتخاب شود. وقتی اتصالات همانند آنچه که در بالا توضیح داده شد برقرار گردد، می‏توان از طریق اینورتر و تنظیم آن، به موتور فرمان داد که با چه فرکانسی کار کند. این فرمان از طریق PLC صادر می‏گردد. PLC تصمیم می­گیرد که در هر لحظه سرعت موتور چقدر باشد. این تصمیم از طریق ورودی­های آنالوگ و دیجیتال و با بهره گرفتن از برنامه نوشته شده در آن اتخاذ می­گردد. سپس تصمیم گرفته شده را از طریق ماژول خروجی آنالوگ به صورت ولتاژ DC بین ۰ تا ۱۰ ولت به ورودی آنالوگ اینورتر می­دهد و اینورتر هم به تناسب ولتاژ DC اعمال شده در ورودی، فرکانس خروجی را تغییر داده و دور موتور تغییر می‏کند. به این ترتیب با بهره گرفتن از دستور Move مقدار مطلوب مورد نظر را در آدرس PQW258، آدرس آنالوگ خروجی مربوط به کانال دوم، قرار می­دهیم و سپس با RUN کردن PLC این فرمان به اینورتر منتقل می­ شود. در واقع توسط خروجی آنالوگ می­توان یک ولتاژ مثلا ۰ تا ۱۰ ولت DC به اینورتر تزریق نمود که اینورتر نیز با دریافت این ولتاژ می ­تواند سرعت موتور را تغییر دهد.
در ادامه این فصل جزئیات سخت­افزاری فرایند مورد مطالعه­ موجود در آزمایشگاه PLC دانشگاه شیراز بررسی خواهد شد.

• 1. 1. سخت‏افزار سیستم

   

   

فرایند مورد مطالعه متصل به PLC که در آزمایشگاه دانشگاه شیراز موجود می­باشد، یک پروسه کنترل دما و سطح شامل دو مخزن آب است. ورودی­های سیستم به صورت یک دبی ورودی و یک دبی خروجی آب است که توسط دو پمپ متصل به اینورتر تامین می­ شود و همچنین گرمایی که توسط یک هیتر به سیستم داده می­ شود. برای سیستم کنترل، دبی آب ورودی و خروجی اندازه ­گیری نمی­ شود و تنها خروجی­های متغیر قابل اندازه ­گیری، سطح آب مخزن و دمای آب می­باشد. آب توسط یک پمپ می ­تواند وارد مخزن شود و توسط پمپ دیگری خارج شود. سطح تانک توسط یک سنسور فشار که درکف تانک اول قرار گرفته شده است اندازه گیری می‏شود. سنسور دمایی ^[۴۷]RTD از نوع PT100 است که به صورت یک مقامت می‏باشد که با تغییر دما اندازه مقاومت آن تغییر می­ کند. سطح مایع و دمای درون تانک از طریق ترانسمیتر فشار و سنسور دما با ارسال سیگنال خروجی آنالوگ ۴-۲۰mA به PLC قابل اندازه‏گیری است. فرمان باز و بسته شدن شیرها، پمپ ها و هیتر از طریق ماژول دیجیتال PLC به فرایند اعمال می­گردد. حجم آب داخل مخزن در کمترین سطح که سنسور دما و هیتر را در بر می‏گیرد در حدود ۱۰۰ لیتر است. مخزن توسط پایه هایی از سطح زمین فاصله دارد و تبادل حرارتی با بیرون به کندی انجام می­ شود. توان نامی هیتر ۲ کیلو وات است. هم‏چنین برنامه­ای برای تغییر ولتاژ هیتر از ۰ تا ۱۰ ولت طراحی شده است که درقسمت­های بعد به شرح جزئیات سخت­افزاری این فرایند می‏پردازیم.
شکل ۶-۶٫ نمایی از فرایند دما و فشار در آزمایشگاه دانشگاه شیراز.
شکل ۶-۷٫ PLC S7-300 به انضمام ماژول های آنالوگ در آزمایشگاه.
۶-۶-۱- کنترل‏کننده قابل برنامه‏ ریزی و ماژول‏های آن
۶-۶-۱-۱- پردازنده PLC
برای کنترل فرایند مورد نظر از PLC ( که متشکل از CPUو ماژول های ورودی/خروجی دیجیتال، یک ماژول­های آنالوگ ورودی و خروجی و یک کارت CP است) نوع Step7-300 شرکت زیمنس استفاده شده است [۵۸، ۵۹]. این PLC دارای CPU به مدل ۳۱۲C می­باشد که در رده­ی PLC های Mini قرار می­گیرد و ساختار ماژولار دارد. حرف C در انتهای نام این PLC به معنی Compact بودن آن است، به این معنی که این نوع PLC همراه با تعداد مشخصی از ماژول های ورودی/خروجی دیجیتال به صورت یک­جا عرضه می­ شود.
CPU، ماژول های ورودی و خروجی دیجیتال، کارت شبکه و سایر ماژول‏ها روی Rack نصب می­شوند که برای PLC های سری ۳۰۰ فقط یک نوع Rack وجود دارد که شامل ۱۵اسلات می­باشد که فقط نقش نگهدارندگی را برای ماژول­ها دارد و قابلیت برقرای ارتباط بین ماژول­های مختلف را ندارد. برقراری این ارتباط از طریق کانکتوری که پشت هر دو ماژول قرار می­گیرد، انجام می­گیرد. این کانکتور شامل سه درگاه داده، درگاه آدرس و درگاه کنترل می­باشد که وظیفه آن­ها ارسال اطلاعات از ماژول­های مختلف به CPU می­باشد. شکل زیر نحوه قرارگیری ماژول‏ها را روی Rack نشان می‏دهد.
شکل ۶-۸٫ نحوه قرارگیری PLC روی Rack [63].
نوع این PLC با پردازنده نوع CPU312C و شماره مشخصه۶ES7-5BD01-0AB0 در شکل ۶-۹ نشان داده شده است. تغذیه این نوع PLC، ۲۴ ولت DC می­باشد که نیازی به تهیه ماژول منبع تغذیه به صورت جداگانه نمی ­باشد. برای سایر ماژول­هایی که روی Rack قرار می­گیرند نیز باید تغذیه جداگانه تامین شود که می­توان آن را با تغذیه CPU به هم متصل نمود. این PLC دارای ۱۰ ورودی دیجیتال و نیز ۶ خروجی دیجیتال می­باشد که چراغ­های نشانگر روی PLC وضعیت روشن و خاموش بودن آن­ها را مشخص می­ کند.
شکل ۶-۹٫ PLC S7-300 CPU312C.
برنامه‏نویسی این نوع PLC توسط Step7 Simatic Manager انجام می­ شود که روی کامپیوتر نصب می­ شود. جهت اتصال کامپیوتر به PLC، برای بارگذاری برنامه ­های نوشته شده روی PLC می‏توان از PC-adaptor یا کارت شبکه (CP) متعلق به ین شرکت استفاده کرد.
PC-adaptor از طریق پورت سریال یا USB از کامپیوتر به پورت MPI از PLC متصل می شود. که می تواند از دو نوع زیر باشد:
۱- Serial pc-adaptor: به پورت سریال ۹ پین (com2 or com1) از کامپیوتر متصل می­ شود؛
۲-USB pc-adaptor .
شکل ۶-۱۰٫ مبدل MPI.
ماژول کارت شبکه روی Rack قرار می‏گیرد و با اختصاص دادن یک آدرس IP به آن، که در رنج آدرس IP کامپیوتر متصل به آن باشد، ارتباط بین PLC و کامپیوتر برقرار می گردد.
۶-۶-۱-۲- ماژول ‏ورودی آنالوگ
در اتوماسیون صنعتی سیگنال­های آنالوگ ورودی از جمله سیگنال­های پرکاربرد محسوب می‏شوند. به طور کلی سیگنال‏های آنالوگ ورودی برای دو کاربرد اصلی زیر در PLC استفاده می‏شوند:

• مانیتورینگ شرایط فرایند: در این حالت PLC پس از دریافت سیگنال­های آنالوگ ورودی با پردازش مختصر، آن را در اختیار سیستم مانیتورینگ قرار می­دهد.

• کنترل فرایند: در این حالت PLC پس از دریافت سیگنال­های آنالوگ ورودی، آن را در برنامه کنترل استفاده می­ کند و فرامین عملگرها را صادر می­ کند. این کاربرد تحت عنوان حلقه کنترل شناخته می­ شود.

۶-۶-۱-۲-۱- عملکرد ماژول‏های آنالوگ ورودی
سیگنال آنالوگ توسط مبدل A/D کارت به یک رشته داده­ی ۱۶ بیتی تبدیل می­ شود. ممکن است تمام ۱۶ بیت برای تبدیل استفاده نشود، که این به میزان دقت و حد تفکیک کارت آنالوگ ورودی بستگی دارد. منظور از حد تفکیک، قابلیت جداسازی است و بیانگر تشخیص کوچکترین تغییر در سیگنال الکتریکی دریافتی توسط کارت می­باشد. در برخی کارت­ها تغییرات سیگنال توسط مبدل A/D به ۱۶ بیت تبدیل می­ شود. این نوع کارت­ها دقت زیادی دارند. در برخی دیگر تغییرات سیگنال به ۱۲ بیت تبدیل می­ شود که نتیجه آن دقت کمتر این نوع کارت­ها می­باشد. دقت کارت می ­تواند از ۸ بیت تا ۱۶ بیت باشد. حد تفکیک یک کارت بر حسب بیت بیان شده و هر چه عدد آن بزرگتر باشد، تغییرات کوچکتر توسط کارت قابل شناسایی خواهد بود و دقت کارت بیشتر است. بیشترین حد تفکیک ۱۶ بیت می­باشد که در آن یک بیت به منظور علامت در نظر گرفته می‏شود [۶۴].
کارت ورودی استفاده شده در این پروژه دو کانال ورودی ۱۲ بیتی دارد که شماره سریال آن ۶ES7 331-7KB02-0AB0 است. برای بررسی دقت کارت آنالوگ مثال زیر آورده شده است: