industrial technologies project: liquid level control in industrial barrel
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Progetto di controllo del livello del liquido all’interno di un serbatoio industriale
Corso di Sistemi e Tecnologie Industriali
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Progetto di controllo del livello del liquido all’interno di un serbatoio industriale
Corso di Sistemi e Tecnologie Industriali
Corso di Laurea di Ingegneria Informatica
Anno accademico 2012/2013
Committente: Ing. Lucio Ippolito Ing. Vincenzo Galdi
Autori: Antico Diana
Apicella Gabriella Di Poto Annalisa
Di Taranto Raffaele Grimaldi Angelo
Scaldaferri Antonio Trezza Vincenzo
Sommario
1. Specifiche del committente ................................................................................................................... 5
2. Analisi del problema .............................................................................................................................. 5
3. Descrizione della proposta progettuale ................................................................................................ 7
3.1 Teleavviatore. ....................................................................................................................................... 8
3.2 Teleinvertitore. ..................................................................................................................................... 9
3.3 Elettrovalvola. ..................................................................................................................................... 10
3.4 PLC. ..................................................................................................................................................... 10
3.5 Sinottico .............................................................................................................................................. 10
4. Progettazione della logica di controllo dell’impianto ......................................................................... 12
4.1 SFC del blocco Gestione Processo. ............................................................................................... 15
4.1.1 SFC riempimento/svuotamento ................................................................................................... 16
4.1.2 SFC manuale/automatico ............................................................................................................ 16
4.1.3 SFC gestione allarme e inizializzazione (a gerarchia superiore) .................................................. 17
4.1.4 SFC gestione malfunzionamento sui sensori ............................................................................... 18
4.2 Gestione Pompa .......................................................................................................................... 19
4.3 Gestione valvola .......................................................................................................................... 21
5. Implementazione STEP 7 ..................................................................................................................... 22
5.1 Gestione processi ........................................................................................................................ 24
5.2 Gestione Pompa .......................................................................................................................... 38
5.3 Gestione valvola .......................................................................................................................... 42
6. Costi ..................................................................................................................................................... 48
6.1 Prezzo d’impianto ........................................................................................................................ 48
6.2 Computo metrico estimativo ....................................................................................................... 49
6.2 Descrizione Componenti Principali .............................................................................................. 50
6.2.1 Motore ABB M2AA 132 SB ........................................................................................................ 50
6.2.2 Elettrovalvola 3/2 NC comand diret G 1/8 .............................................................................. 51
6.2.3 SIMATIC S7-300, CPU 314C-2 PTP .............................................................................................. 52
7. Onorario....................................................................................................................................................... 53
Indice delle figure
Figura 1.Schema dell’impianto……………………………………………………………………………………………………………………2
Figura 2.Proposta d’impianto……………………………………………………………………………………………………………………..3
Figura 3.Teleavviatore………………………………………………………………………………………………………………………………..5
Figura 4.Teleinvertitore………………………………………………………………………………………………………………………………6
Figura 5.Elettrovalvola………….…………………………………………………………………………………………………………………….6
Figura 6.PLC…….………………………………………………………………………………………………………………………………………….6
Figura 7.Sinottico….…………………………………………………………………………………………………………………………………….7
Figura 8.Schema FBD del progetto……………………………………………………………………………………………………………..9
Figura 9.Automi gestione processo……………………………………………………………………………………………………………11
Figura 10.SFC riempimento/svuotamento…………………………………………………………………………………………………12
Figura 11.SFC automatico/manuale…………………………………………………………………………………………………………..13
Figura 12.Gestione allarme e inizializzazione……………………………………………………………………………………………..14
Figura 13.SFC gesione malfunzionamento sensori…………………………………………………………………………………….15
Figura 14.Automa teleavviatore elettropompa…………………………………………………………………………………………16
Figura 15.SFC avviatore elettropompa………………………………………………………………………………………………………17
Figura 16.Automa valvola………………………………………………………………………………………………………………………….18
Figura 17.SFC valvola…………………………………………………………………………………………………………………………………18
Indice delle tabelle
Tabella 1.Tabella ingressi/uscite ……………………………………………………………………………………………………………….10
Tabella 2.Componenti……………………………………………………………………………………………………………………………….44
Tabella 3.Computo metrico ………………………………………………………………………………………………………………………45
1. Specifiche del committente
Occorre controllare il livello del liquido all’interno di un serbatoio in modo tale che:
Quando il livello scende al di sotto del livello di riferimento L1 si attivi una pompa per il
riempimento fino al raggiungimento del livello di riferimento L2;
Quando il livello supera il livello di riferimento L4 si apra una valvola motorizzata per lo
svuotamento fino al raggiungimento del livello di riferimento L3;
con L1<L2<L3<L4 .
L’impianto è costituito da un’ elettropompa costituita da un motore asincrono trifase, per il
riempimento del serbatoio con tele-avviatore a inserzione di due banchi di resistenze statoriche, per
ridurre la corrente di spunto, e una valvola motorizzata con tele-invertitore per apertura/chiusura
della saracinesca.
2. Analisi del problema
Si tratta di un classico esempio di controllo industriale che può essere risolto mediante l’utilizzo di
un controllore a logica programmabile. Gli ingressi e le uscite del PLC sono collegate direttamente ai
sensori e agli attuatori dell’impianto. In figura 1 è riportato un modello schematico dell’impianto.
Per la realizzazione dell’impianto sono necessari:
un PLC su cui eseguire l’algoritmo di controllo e gestire l’elettrovalvola e l’elettropompa;
un’elettropompa con motore asincrono trifase;
una valvola motorizzata;
un quadro sinottico che consente di avere costantemente informazioni sullo stato del sistema e
permetta la gestione dell’emergenza;
4 sensori di galleggiamento per la comunicazione del livello del liquido all’interno del
serbatoio;
Di seguito si riporta lo schema impiantistico di interesse:
Figura 1. Schema dell’impianto
3. Descrizione della proposta progettuale
L’impianto in analisi, riportato in Figura 2 , consta di vari elementi:
- Tele avviatore collegato al motore della pompa (a sinistra); - PLC e impianto di controllo da utente (centro); - Tele invertitore collegato al motore dell’elettrovalvola (a destra);
Figura 2. Proposta d’impianto
Legenda
1), 2), 3), 6), 7)
Contattori
9) Sinottico
8) Elettrovalvola
4) Motore
5) PLC
Nello specifico si propongono le seguenti realizzazioni:
24 V /230 V
9)
3.1 Teleavviatore
E’ un dispositivo composto da tre contattori, due banchi di resistenze statoriche alimentato da una
corrente trifase.
Le impedenze statoriche sono dimensionate secondo il seguente criterio:
dalla formula del funzionamento del motore asincrono a rotore fermo, la corrente di
spunto (Icc) risulta essere:
Z rappresenta l’impedenza equivalente del motore per cui, per avere una riduzione della corrente di
spunto di un fattore k, è necessario aggiungere in serie alla Z una un’impedenza supplementare
complessiva , dimensionata secondo la relazione:
Nel caso del motore selezionato per il controllo della pompa:
= 400 V
In = 7,7 A (corrente nominale)
Icc = 8,1 In = 62,4 A.
I cavi di alimentazione scelti supportano una corrente massima di 10 A. Per cui la corrente di spunto
deve essere ridotta di un fattore 7.
Infatti:
e quindi:
Andando a sostituire i valori nella relazione (2) otteniamo che = 25,3 Ω. Da cui possiamo scegliere
tre resistenze rispettivamente di valore R1 = 13 Ω , R2 = 13 Ω ed R3=13/3 Ω (per tale resistenza si
considera in valore di 5 Ω per ragioni di costruzione), per soddisfare la relazione precedentemente
imposta.
Una volta fatto partire il motore, questo si porta a regime dopo circa 10 s, supponendo che il carico sia
sempre costante, per cui la prima impedenza sarà sganciata dopo 80 ms e l’altra dopo 160 ms.
Figura 3. Telavviatore
3.2 Teleinvertitore
E’ un dispositivo composto da due contattori collegati fra loro in modo tale da invertire le fasi della
corrente e gestire l’elettrovalvola:
Figura 4. Teleinvertitore
3.3 Elettrovalvola
E’ una valvola di tipo elettrico, collegata al teleinvertitore e all’alimentazione.
Figura 5. Elettrovalvola
3.4 PLC
E’ un componente collegato a tutti gli altri anzitempo descritti, che gestisce in automatico il
funzionamento dell’impianto.
Figura 6. PLC
3.5 Sinottico
Il sistema è completato da un quadro sinottico progettato in accordo con le specifiche e
rappresentato in Figura 7:
Figura 7. Sinottico
Tale quadro può essere suddiviso in varie zone :
Superiore dedicata alla pulsantiera di comando, in cui sono presenti :
2 pulsanti semplici:
Riempi (Nero) per avviare manualmente il riempimento del serbatoio;
Svuota (Nero) si pigia per avviare lo svuotamento manuale del suddetto;
1 manopola bipolare per avviare o fermare l’impianto .
Centrale dedicata ai 4 led di notifica:
Allerta (Arancione) è accesa quando il liquido si trova a L3 nel riempimento e ad L2
nello svuotamento;
Guasto (Gialla) è accesa quando si osserva un malfunzionamento nell’impianto;
Pieno (Verde) si accende quando si raggiunge il massimo livello consentito nel
serbatoio;
Vuoto (Verde) si accende quando si raggiunge il livello minimo consentito nel
serbatoio;
Inferiore che potrebbe essere divisa ulteriormente in due:
sulla sinistra una manopola bipolare per impostare la gestione automatica o manuale
dell’impianto;
sulla destra 1 fungo di Emergenza, che deve essere premuto nel caso in cui l’operatore
rilevi una condizione anomala di funzionamento.
Sia i led che i pulsanti sono controllati ed alimentati dal PLC.
4. Progettazione della logica di controllo dell’impianto
Il progetto della logica di controllo dell’impianto si articola in 3 punti fondamentali:
gestione processo;
gestione pompa;
gestione valvola.
In Figura 8 è riportato il diagramma a blocchi funzionali del progetto.
Figura 8. Schema FBD del progetto.
Il programma di controllo è costituito da un’istanza del blocco funzionale Gestione Processo , un’ instanza
del blocco funzionale Gestione Pompa e un’istanza del blocco funzionale Gestione Valvola.
Il blocco Gestione Processo ha in ingresso tutti i sensori , i pulsanti e gli switch;
e in uscita i segnali per Gestione Pompa, per Gestione Valvola e di accensione dei 4 led del sinottico.
I blocchi Gestione Pompa, Gestione Valvola ricevono il segnale di riempi e svuota dal blocco Gestione
Processo e controllano l’apertura/chiusura della valvola e l’avviamento/spegnimento dell’elettropompa.
Si riporta in seguito la tabella degli ingressi e delle uscite dell’intero programma (Tabella 1).
Tabella 1.Tabella degli ingressi e delle uscite del PLC.
Pompa_ON
Valvola_ON
A12
1
4.1 Automi per la gestione del processo
Di seguito si riportano gli automi della gestione del processo.
Figura 9. Automi Gestione Processo
4.2 SFC del blocco Gestione Processo.
Il blocco Gestione Processo viene implementato mediante 4 SFC :
SFC riempimento/svuotamento
SFC manuale/automatico
SFC gestione allarme e inizializzazione (a gerarchia superiore)
SFC gestione malfunzionamento sui sensori
Di seguito li analizziamo nel dettaglio.
4.2.1 SFC riempimento/svuotamento
Figura 10. SFC riempimento/svuotamento serbatoio.
Come riportato in figura l’SFC è composto da 3 fasi nelle quali: nella fase a0 si attende che vi sia una
richiesta di riempimento o svuotamento del serbatoio; nella fase a1 si è verificata la condizione di
riempimento e viene inviato il segnale “riempi” alla pompa e il segnale “allerta” al sinottico; nella fase
a2 invece la richiesta pervenuta è di svuotamento, dualmente inviamo “svuota” alla pompa e “allerta”
al sinottico.
4.2.2 SFC manuale/automatico
/SVUOTAMENTO
a1
Figura 11. SFC manuale/automatico
Questo SFC permette il passaggio di modalità, cio avviene grazie allo switch presente sulla piattaforma di
controllo utente. Nella fase b1 si implementa realmente il passaggio prima descritto, a patto di superare la
condizione per la quale non sono attive le fasi a1 e a2 dell’SFC riempimento/svuotamento prima descritto,
ossia che non siano in atto svuotamenti o riempimenti del serbatoio.
4.2.3 SFC gestione allarme e inizializzazione (a gerarchia superiore)
Figura 12. Gestione allarme e inizializzazione
L’SFC presenta in ingresso il pulsante START e controlla se non vi sono emergenze da segnalare. Valutato
ciò si passa alla fase c1 che permette di inizializzare tutti i grafi a gerarchia inferiore. Per permettere il
settaggio di fase si necessita che si alzino i segnali di emergenza oppure di stop. Una volta passato alla fase
c3 vengono sospesi i grafi ed il funzionamento delle valvole.
4.2.4 SFC gestione malfunzionamento sui sensori
t1 = NOT(L1) AND ( L2 OR L3 OR L4 )
t2 = NOT(L2) AND ( L3 OR L4 )
t3 = NOT(L3) AND L4
Figura 13. SFC gestione malfunzionamento sensori
Questo SFC invece, rileva il malfunzionamento dei sensori, controllando se il sensore più vicino al
fondo non invia segnale rispetto a quello più lontano.
4.3 Gestione Pompa
Figura 14. Automa tele avviatore elettropompa
In figura 14 è rappresentato l’automa a stati finiti esplicativo dell’avviamento dell’elettropompa.
Come rappresentato, non appena arriva il segnale di accensione “riempi” si passa dallo stato
iniziale , in cui tutte le resistenze sono agganciate, allo stato 1 in cui si sgancia una di esse
perseverando in questo stato per un tempo di 80ms; si procede in seguito allo sgancio delle
restanti impedenze, una per volta, restando nei rispettivi stati per il tempo suddetto. Lo
sganciamento progressivo delle impedenze statoriche viene effettuato per ridurre la corrente di
spunto (o di avviamento) in modo da evitare di varcare i limiti fisici imposti dai cavi.
riempi TIME >= 80ms
TIME >= 80ms !riempi
Di seguito ne è riportato anche il diagramma SFC. Al termine del funzionamento viene poi
resettato.
Figura 15. SFC avviatore elettropompa
Pompa_ON
K1
4.4 Gestione valvola
In figura16 è rappresentato l’automa a stati finiti esplicativo di controllo per il funzionamento della
valvola. Come rappresentato, non appena arriva il segnale di accensione Start si passa dallo stato 0, in
cui al primo contattore viene inviato un segnale dal plc , allo stato 1 dove viene disabilitato il segnale
per il primo contattore, la durata del segnale disabilitato è pari a quattro volte al tempo di apertura del
contattore 80 ms; dopo di chè si procede ad abilitare il secondo contattore ,passando nello stato 2, in
seguito non appena gli arriva il segnale di stop si passa nello stato 3 dove viene disabilitato il segnale al
secondo contattore. Si permane in questo stato per un tempo pari a 80 ms dopo di che si ritorna allo
stato inziale.
Figura16. Automa valvola
L’SFC riportato segue lo stesso funzionamento dell’automa con l’aggiunta del segnale ausiliario
Valvola_on, dunque permette di attivare nella fase iniziale il contattore per alimentare la bobina che
fa chiudere i contatti del tele invertitore e la valvola è chiusa. Succesivamente, all’arrivo del segnale
“svuota” comincia il processo di apertura della valvola, resettando il contattore A11 e attivando il
segnale che indica l’utilizzo della valvola stessa. Dopo 80ms il contattore puo chiudersi e settare il
contattore che farà aprire la valvola. Se invece arriva il segnale di svuota, in questo caso negato,
viene effettuata l’operazione inversa e la valvola deve chiudersi .
Figura 17. SFC valvola
5 Implementazione STEP 7
Di seguito è riportato l’intero programma di gestione scritto il linguaggio a contatti (KOP) utilizzando il
programma Simatic Step7 della Siemens.
Il codice, effettivamente risulta essere la traduzione dei blocchi funzionali scritti in SFC, presentati
precedentemente. Per cui si possono trovare corrispondenze univoche tra fasi e transizioni nelle
implementazioni in SFC con le relative variabili indicatrici nell’implementazione in Ladder(KOP).
Con un’istanza principale “OB1” vengono richiamati i blocchi funzionali “FB1”, “FB2” e “FB3” che
corrispondono alla gestione dei processi della pompa e della valvola .
A questo punto basta istanziare nuovamente “OB1” ed i relativi “FB” si voglia aggiungere un ulteriore
serbatoio.
a3.t >=t#80ms
5.2 Gestione processi
5.3 Gestione Pompa
5.4 Gestione valvola
6 Costi
6.2 Prezzo d’impianto
Di seguito è presentato il prezzo dell’impianto dato dalla somma dei prezzi dei singoli componenti
necessari.
Tabella 2. Componenti
Progress. Descrizione Prez
zo m
ater
iale
(€)
N. o
pera
i spe
cial
izza
ti
N. o
pera
i qua
lific
ati
Tem
po(h
)
Prez
zo m
anod
oper
a (€
)
Spes
e ge
nera
li (€
)
Uti
le d
'impr
esa
(€)
Prez
zo (
€)
COM1 Elettrovalvola 3/2 NC Comand Diret GM/8 35,90 1 1 2 104,00 20,99 13,99 174,88
COM2 Elettropompa ABB 2 pol i M2BA 112MB 3GBA b3 512,90 1 1 2 104,00 92,54 61,69 771,13
COM3 Selettore 2 posizioni 18,50 0 1 0,5 10,80 4,40 2,93 36,63
COM4 PLC SIMATIC S7-300, CPU 314C-2 PTP 1.512,89 1 0 2 56,00 235,33 156,89 1.961,11
COM5 Luce sensore lampada BA95 LED 5,90 0 1 0,3 7,20 1,97 1,31 16,38
COM6 Resistenza a filo metallo HS255R 25W(5Ω) 2,80 0 1 0,2 4,80 1,14 0,76 9,50
COM7 Contattore 3 poli NA 32 A/24 V 95,50 0 1 0,6 14,40 16,49 10,99 137,38
COM8 Pulsante molla rit 2POS nero 13,91 0 1 0,1 2,40 2,45 1,63 20,39
COM9 Gallegiante con cavo 10A/250V 51,50 0 1 0,5 12,00 9,53 6,35 79,38
COM10 Pulsante E-STOP station turn to release 1 NA 2 NC 70,40 0 1 0,3 7,20 11,64 7,76 97,00
Operaio specializzato : 28,00€
Operaio qualificato : 24,00€
Operaio specializzato installazione controllori: 71,20 €
Spese generali : 15% della somma tra prezzo materiali e manodopera
Utile d’impresa : 10% della somma tra prezzo materiali e manodopera
6.2 Computo metrico estimativo
Il computo metrico estimativo fornisce il costo dell’impianto, tale costo è dato dalla somma dei
prezzi dei singoli elementi che compongono l’impianto
Tabella 3. Computo metrico
Progress. Descrizione Quantità Prezzo cad. Importo
COM1 Elettrovalvola 3/2 NC Comand Diret GM/8 1 € 174,88 € 174,88
COM2 Elettropompa ABB 2 pol i M2BA 112MB 3GBA b3 1 € 771,13 € 771,13
COM3 Selettore 2 posizioni 2 € 36,63 € 73,26
COM4 PLC SIMATIC S7-300, CPU 314C-2 PTP 1 € 1.961,11 € 1.961,11
COM5 Luce sensore lampada BA95 LED 4 € 16,38 € 65,52
COM6 Resistenza a filo metallo HS255R 25W(5Ω) 6 € 9,50 € 57,00
COM7 Contattore 3 poli NA 32 A/24 V 5 € 137,38 € 686,90
COM8 Pulsante molla rit 2POS nero 2 € 20,39 € 40,78
COM9 Gallegiante con cavo 10A/250V 4 € 79,38 € 317,52
COM10 Pulsante E-STOP station turn to release 1 NA 2 NC 1 € 97,00 € 97,00
TOTALE € 4.245,10
6.3 Descrizione Componenti Principali
6.2.1 Motore ABB M2AA 132 SB
Motore utilizzato per il trasferimento per
mezzo di una pompa del liquido all’interno del
silos.
Dati targa Motore
Rendimento 88 %
Fattore di Potenza (cos ) 0.86
Corrente di Spunto 63,7 A
Coppia in uscita massima 14,5 Nm
Corrente nominale 7,7 A
Diametro asta 10mm
Fase Trifase
Larghezza 216 mm
Lunghezza 481.5mm
Lunghezza asta 80mm
Potenza nominale 4 kW
Profondità 295.5mm
Rotazione Reversibile
Tensione di alimentazione 400 V c.a.
Tipo di motore c.a. Asincrono (induzione)
Velocità di uscita 2895 giri/min a 400 V (50 Hz)
6.3.2 Elettrovalvola 3/2 NC comand diret G 1/8
Dati targa
Applicazioni adatte Aria, gas inerte, olio, acqua
Connessione G 1/8" femmina
Connessione Femmina
Diametro orifizio 1.6mm
Dimensione connessione 1/8Poll
Fattore di flusso Kv 0.08m³/h
Filettatura standard o tipo di connessione G
Massima temperatura operativa +60°C
Materiale corpo Ottone
Minima temperatura operativa -10°C
Numero di porte 3
Operazione Diretto
Posizione predefinita della valvola NC
Pressione di esercizio massima 10bar
Serie 356
Tempo massimo di apertura 10ms
Tempo massimo di chiusura 10ms
Tensione di alimentazione 24 V c.a.
Tipo 3/2
La valvola a saracinesca compatta è
adatta per la maggior parte delle
applicazioni che richiedono l'impiego di
gas e fluidi.
6.2.3 SIMATIC S7-300, CPU 314C-2 PTP
Dati targa
Baud rate massima 187,5 (RS485), 19,2 (RS422, Full Duplex), 38,4 (RS422, Half
Duplex) kbit/s
Capacità programma 96 kB
Categoria di tensione 20,4 → 28,8 V c.c.
Corrente di uscita 500 mA
Interfaccia di programmazione Computer
Larghezza 120mm
Lingua di programmazione AWL, FUP, Graph, HiGraph, Ladder Logic, STEP 7, Controllo
di sistema
Lunghezza 125mm
Massima temperatura operativa +40°C
Memoria totale disponibile 96 kB
Numero di I/O 46
Numero di ingressi 28 (24 digitali, 4 analogici)
Numero di porte di comunicazione 1
Numero di uscite 18 (16 digitali, 2 analogici)
Per uso con Serie S7-300
Serie Serie S7-300
Tempo di scansione 0,1 (Operazioni con i bit), 0,2 (Operazioni con le parole), 2
(Virgola fissa), 3 (Virgola mobile) μs
Tipo di ingresso Analogico, digitale
Tipo di montaggio Rack
Tipo porta di comunicazione RS422, RS485
Tipo uscita Analogico, digitale
Il PLC viene utilizzato per regolare
l’azionamento del motore in modo da
limitare la corrente di spunto e per
automatizzare il processo di
riempimento del serbatoio. Permette
inoltre di regolare l’inversione della
fase per il teleinvertitore collegato alla
valvola.
7. Onorario
In riferimento alla Legge 143/49 il presente progetto si colloca nell'ambito della classe III categoria
(c), per le quali il D.M. 4/04/2001, tenendo conto che il costo dell'impianto è inferiore a euro 26000,
prevede una parcella calcolata ad una percentuale superiore al 23,5555% sul costo dell'impianto.
Tenendo conto dei seguenti valori:
Costo totale: € 4245.10
Percentuale di progetto e direzione lavori: 30%
Parcella di progetto e direzione lavori: 1324.50 €
La parcella per il solo progetto va decurtata del 35%, quota assegnata alla direzione lavori, pertanto:
Parcella di progetto: 860.06€
Il costo totale dell’opera risulta: 5105.16 €.