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

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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 €.