l 3.1 model experimental a2.3.1. proiectarea si...

Sistem de Automatizare si Telemetrie Eficient energetic pentru managementul ResurseloR in Agricultura de precizie (SA-TERRA) – Etapa 2/2017

1

L 3.1 Model experimental

A2.3.1. Proiectarea si realizarea sistemului experimental

I. Arhitectura generală a sistemului de automatizare și telemetrie

În urma studiului cu privire la sistemele de automatizare pentru irigații deja existente

pe plan mondial, precum și pe baza unor principii (în prealabil definite) de fiabilitate, robustețe

și eficiență în consumul energetic, pentru implementarea soluției de automatizare și telemetrie

s-a propus o arhitectură de sistem ilustrată în Figura 1.

Fig. 1. Arhitectura sistemului SA-TERRA

Arhitectura sistemului SA-TERRA se împarte în 3 nivele de interes, separate în funcție

de localizarea în spațiu:

- Stația de măsurare (telemetrie) din cadrul BEIA – conține echipamentele de

măsurare (traductoare pentru umiditatea solului, umiditatea aerului, temperatura). Staţia de

măsurare de tip ADCON, cu unitate RTU, face achiziţia parametrilor de câmp şi are

posibilitatea de transmitere a comenzilor la echipamentele de acţionare. De asemenea, stația

înglobează un server care permite comunicarea cu nivelul de conducere din cadrul UPB.

Traductoarele funcționează autonom, fiind alimentate de un panou solar și de acumulatori.

- Nivelul de comandă și control din cadrul UPB – în cadrul acestui nivel se regăsește

un echipament IoT 2020 care permite achiziția de date de la serverul Adcon si care furnizează

mai departe aceste date (convertite într-un format standard) către un automat programabil

responsabil cu partea de control. Acest automat conține un algoritm de reglare de tip Fuzzy

care, pe baza datelor obținute de la stația Adcon și pe baza unei metode de predicție

meteorologică, va trimite comenzi către nivelul de proces. Întregul sistemul este supravegheat

de o stație responsabilă cu diagnoza defectelor ce pot apărea pe partea de achiziție de date și

pe partea de comunicație.

- Nivelul de proces – conține un automat programabil (S7-1200) care primește

informații de la stația de comandă prin intermediul unui modul GSM. Mai departe, automatul

implementează logica de comandă pe partea de forță (constuită dintr-un soft starter, motoare,


2

pompe, vane, relee și protecții). Asemănător nivelului de comandă din cadrul UPB, nivelul de

proces conține un modul software de diagnoză.

1. Nivelul de comandă și control

În Figura 2 se poate observa montajul experimental pentru sistemul de conducere SA-

TERRA.

Fig. 2. Modelul experimental

Conform arhitecturii sistemului de automatizare, se observa prezenţa unui

dispozitiv de comunicaţie cu serverul de date din cadrul BEIA. Acest server de comunicaţie

IoT 2020 se află în directă conexiune cu automatul programabil PLC314, echipament ce

conţine logica de control sub forma unui algoritm de tip fuzzy.

În acelaşi timp, PLC-ul are încorporate un modul GSM prin care trasmite wireless

comenzi către automatul programabil responsabil cu coducerea pompelor. Acest automat,

model S7 1200, conţine programul responsabil cu controlul pompelor şi în acelaşi timp este

conectat la o interfaţă HMI care sa faciliteze interacţiunea cu utilizatorul.

2. Nivelul de proces A. Tehnologii hardware utilizate

A.1. Motoare asincron trifazate

Acționarea pompelor de irigare se realizează prin intermediul a 3 motoare asincron

trifazate, cu rotorul în scurtcircuit. Pe lângă cele 3 pompe principale, există și o pompă pilot

care poate fi acționată direct, fără utilizarea soft starter-ului. Motoarele sunt din familia

SIEMENS, modelul 1LA7070-4AB60. Un astfel de motor poate fi vizualizat în figura 3. De

asemenea, cele mai importante caracteristici electrice ale motorului pot fi analizate în Tabelul

1.

Modul GSM

IoT 2020

PLC 314C

PLC 1200 Interfata HMI


3

Fig. 3. Motorul asincron trifazat 1LA7070-4AB60

Denumire caracteristica Valoare U.M.

Tensiunea nominală (conectare stea) 400 V

Puterea nominală 0.25 kW

Factor de putere 0.78 -

Intensitatea nominală a curentului (conectare stea) 0.44 A

Turația nominală 1350 rpm

Tabelul 1. Caracteristici tehnice ale motorului asincron trifazat

A.2. Soft starter

Pentru pornirea pompelor principale s-a utilizat un un soft starter de la SIEMENS, model

3RW3013-1BB14. Acest tip de echipament oferă o pornire graduală a motorului, de la o

tensiune de start selectată în prealabil până la o tensiune principală. În timpul declanșării, acest

dispozitiv limitează atât cuplul, cât și curentul la pornire și, de asemenea, previne șocurile ce

pot apărea în timpul unei declașări spontane.

Soft starterul utilizat în soluția de automatizare poate fi vizualizat în figura 4. De asemenea,

principalele caracteristici electrice ale dispozitivului se regăseasc în Tabelul 2.

Fig. 4. Soft Starter 3rW3013-1BB14

Denumire caracteristica Valoare U.M.

Tensiunea nominală Max 480 V

Timp de pornire/oprire 0 - 3 s

Intensitatea nominală a curentului 3.6 A

Tabelul 2. Caracteristici tehnice ale soft starter-ului


4

A.3. Automatul programabil

Pentru implementarea mecanismului de comandă pentru motoarele de curent alternativ,

a fost utilizat un automat programabil produs de SIEMENS, model S7-1200. Acest tip de

echipament este capabil să funcționeze la diferențe mari de temperatură, este rezistent la

vibrații și este imun la zgomote electrice.

Programul de comandă este implementat și încărcat în memoria echipamentului prin

intermediul programului STEP 7, asociat platformei de programare și configurare TIA-Portal.

Fig. 5. Automatul programabil S7 – 1200

Automatul programabil utilizat în cadrul sistemului poate fi vizualizat în figura 4.

Interacțiunea dintre instalația tehnologică și automatul programabil se realizează prin intrări și

ieșiri analogice și digitale. Aceste mecanisme asigură interacțiunea dintre regiștrii intern și

echipamentele exterioare. Modalitățile prin care se realizează aceste conexiuni sunt fie prin

tranzistoare, fie prin relee.

A.4. Protecția motoarelor

Întreruptoarele automate sunt folosite pentru protecția motoarelor împotriva

alimentării la tensiuni mici și împotriva problemelor din rețelele electrice de distribuție.

Concret, aceasă protecție se realizează prin relee termice pentru suprasarcină, relee

electromagnetice pentru supracurenți și relee de tensiune minimă.

În cadrul sistemului de irigare, protecția motoarelor este asigurată de

întreupătoare tripolare Siemens, model 3RV 1021-0JA10 (Fig. 6).

A.5. Contactoare tripolare de forță

Contactoarele sunt dispositive de comutație cu ajutorul cărora se pot închide,

deschide sau comuta circuitele electrice la distanță de către un operator. În cadrul modului de

forță pentru pornirea motoarelor, au fost incluse contactoare cu 3 contacte principale și câte un

contact auxiliar.

A.6. Relee electromagnetice

Releele electromagnetice funcționează pe același principiu pe care funcționează

și contactoarele, cu mențiunea că prin contactele lor pot trce curenți de până la 6A. În cadrul

componentei de comandă, au fost utilizate relee electromagnetice Finder, cu până la 4 contacte

principale. Un astfel de releu poate fi vizualizat în figura 7.


5

Fig. 6. Întrerupătorul pentru protecția motorului

Fig. 7. Releu electromagnetic

A.7. Interfața om-mașină (Human Machine Interface)

Pentru a putea facilita interacțiunea cu sistemul, a fost necesară implementarea

unei interfețe om-mașină (Human Machine Interface -HMI). Această interfață a fost

implementată pe un dispozitiv KTP600 Basic Color, ce poate fi vizualizat în figura 7.

Fig. 8. Unitatea HMI KTP600 Basic Color

II. Modelul experimental al procesului

A. Consideratii teoretice

Modelul este o reprezentare abstractă a unei entități reale. Modelarea matematică a

fenomenelor, proceselor sau a sistemelor presupune a determina un set de relații între

variabilele fizice specifice, sub forma unor structuri matematice de tipul ecuațiilor algebrice

sau al ecuaiilor diferențiale (sau cu diferențe), în scopul unei caracterizări a funcționării

procesului cât mai apropiată de realitate.


6

De exemplu, modelul unui sistem poate fi descris sub forma unei funcții de transfer în

domeniul operațional:

𝐻(𝑠) =

𝐵(𝑠)

𝐴(𝑠) Eq. 1

, unde s este operatorul Laplace.

Astfel, pentru un proces dat, prin analiza teoretică se determină o structură a modelului

matematic, iar printr-o procedură de identificare se ajustează parametrii modelului pentru a

obține aceeași comportare intrare-ieșire ca a procesului real. Identificarea procesului presupune

delimitarea intrărilor măsurabile și a perturbațiilor ce acționează asupra procesului, asigurându-

se astfel cunoașterea acestuia.

Pornind de la Eq. 1, putem defini funcția de transfer a unui sistem de ordin 1 astfel:

𝐻(𝑠) =

𝐾

𝑇𝑠 + 1 Eq. 2

Pentru un astfel de sistem, răspunsul la intrarea de tip treaptă unitară se numește răspuns

indicial și are formă aperiodică (Fig. 9).

Fig. 9. Raspunsul sistemului la intrare de tip treapta

Așa cum se poate observa în figura 1, mărimea de intrare este u(t), este de tip

treată și este definită de relația:

𝑢(𝑡) = 𝛼 ∗ 1(𝑡) Eq. 3

Pentru a determina un model experimental de ordin 1, este suficient să se

determina parametrii K și T pentru care evoluția modelului urmărește cât mai fidel evoluția

sistemului propriu zis.

În primă fază, se pot determina experimental parametrii α și β . Pe baza lor se poate

determina amplificarea K a modelului de ordin 1 utilizând Eq. 4.

𝐾 = 𝛼

𝛽 Eq. 4

Pentru a determina constanta de timp T a modelului, se va determina

experimental timpul tranzitoriu din caracteristica ieșirii sistemului. Timpul tranzitoriu

reprezintă intervalul de timp din momentul în care se aplică treapta de comandă la intrarea

sistemului până la momentul în care ieșirea intră și nu mai părăsește o bandă de ±5% din

valoarea de staționar yst.

Astfel, constanta de timp T se determină pe baza Eq. 5.

𝑇 ≌𝑇95

𝑐 Eq. 5

În practică, constata de timp T se determină prin raportul dintre timpul tranzitoriu și un

parametru c. Acest parametru variază în funcție de tipul procesului (lent, foarte lent, rapid,

foarte rapid). Valorile pe care le poate lua parametru c aparțin intervalului [2 ÷ 4].

Pe baza procedurii descrise de Eq.4 și 5, se poate determina un model matematic liniar

descris de Eq. 6.


7

Eq. 6

, unde T reprezintă constanta de timp a sistemului determinată cu Eq. 5, K reprezintă

amplificarea sistmului determinată cu Eq. 4, u reprezintă intrarea în sistem iar y reprezintă

ieșirea sistemului.

Folosind transformata Laplace, se trece din domeniul timp în domeniul operațional,

obținându-se un model de tipul Eq. 2.

B. Calcularea modelului matematic

Se pornește de la premiza că procesul este unul liniar care pornește dintr-un regim

staționar, asupra căruia se aplică un semnal de tip treapta u(t) și a cărei evoluție a mărimii de

ieșire , y(t), este de forma celei din Fig. 10.

Pentru identificarea modelului experimental s-a cosiderat ca și mărime de intrare

cantitatea de apă obținută de la precipitații [l/m2] și ca mărime de ieșire umiditatea din sol

[Volume Water Content - VWC%] așa cum se arată în Fig. 2. Mărimi precum temperatura

aerului, viteza vântului sunt considerate mărimi de perturbație.

Pr VWC

Fig. 10. Shema bloc a functiei de transfer in operational

Modelului experimental s-a determinat folosit datele achizitionate de la stația de

telemetrie ADCON pe un interval de 39 de ore incepând cu data de 25.10.2016 ora 21:30 până

la data 27.10.2016 ora 11:15 cu o perioada de eșantionare de 15 minute (http://www.beia-

telemetrie.ro/starea-vremii/).

Conform considerațiilor teoretice, s-a implementat în Matlab un script de calcul a

funcției de transfer. În urma calculelor s-a obținut funcția de transfer H(s) descrisă de relația

Eq. 7.

Eq. 7

C. Validare model matematic

Pentru validarea modelului matematic s-a creat un model in Matlab/Simulink (a se

vedea Fig. 10) care a primit aceeași mărime de intrare ca și precesul real. Răspunsul obținut

în simulare a fost reprezentat pe același grafic cu evoluția umidității din procesul real (a se

vedea Fig. 11), folosind aceleași unități de măsură.

H(s)


8

Fig. 11. Simularea in Simulink a functiei de transfer H(s)

Așa cum se poate observa în Fig. 12, evoluția obținută pe baza modelului matematic

este aproximativ aceeași cu cea obținută în simularea reală. În concluzie, modelul calculat este

valid.

D. Analiză asupra erorii de modelare

Precizia modelului în raport cu comportamentul sistemului real este dată de eroarea de

modelare. Pentru acest model experimental, am considerat evoluția în timp a erorii de

modelare, exprimată în procente. Aceast tip de eroare se determină utilizând relația

matematică:

𝐸𝑟𝑜𝑎𝑟𝑒 [%] = |𝑉𝑚𝑜𝑑𝑒−𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙|

|𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙|× 100 Eq. 8

Pe baza acestor considerații teoretice, s-a implementat un script în Matlab care

determină eroarea medie și eroarea maximă de modelare, exprimate în procente (Eq. 8). De

asemenea, în Fig. 13 se poate observa evoluția în timp a erorii de modelare.

În urma analizei, s-au obținute următoarele erori de modelare:

- Eroare medie [%]: 6.4922;

- Eroare maximă [%]: 34.3442;


9

Fig. 12. Evolutia contitatii de precipitatii si a umiditatii din sol (realitate / simulare)


10

Fig. 13. Evoluția erorii de modelare

Bibliografie

1. I. Dumitrache - Ingineria reglării automate, Ed. Politehnica Press, București, 2005

2. Iliescu, S.St., Teoria reglării automate, ed. Printech, Bucureşti, 2006

3. Soare, C., Iliescu, S.St., Făgărăşan, I., Tudor, V., Niculescu Faida, O. – Proiectarea asistată de

calculator în Matlab şi Simulink – exemple si studii de caz, ed. AGIR, 2006

l 3.1 model experimental a2.3.1. proiectarea si...

Documents