VÍZGYŰJTŐ RENDSZER VEZÉRLÉSE FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZERREL

MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék

VÍZGYŰJTŐ RENDSZER VEZÉRLÉSE FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZERREL

SZAKDOLGOZAT Energetikai mérnöki szak, gépészeti szakirány

Készítette:

JAKUBINYI MÁTÉ

Neptun kód: WLILIN Témavezető:

BÖLKÉNY ILDIKÓ ME AFKI MŰFIO

Miskolc – Egyetemváros

2015 i

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Energetikai mérnök alapszak Gépészeti szakirány

ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK INTÉZETI TANSZÉK 3515 Miskolc – Egyetemváros Szám: EV/437/2015

BSC SZAKDOLGOZAT KIÍRÁS JAKUBINYI MÁTÉ WLILIN energetikai mérnök hallgató részére A tervezés tárgyköre: Mechatronikai rendszer tervezése A feladat címe: Vízgyűjtő rendszer vezérlése folyamatirányító rendszerrel

A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1. Mutassa be a feladat megoldásához szüksége mintatechnológiát, az azon található eszközöket és a hozzá kapcsolódó ipari kommunikációs rendszert! 2. Integráljon a már meglévő technológiához szintkapcsolókat és készítsen a rendszer működéséhez vezérlő programot! 3. Mutassa be a megvalósított rendszer működését! 4. Elemezze az így kapott rendszert energetikai szempontok alapján! 5. Vázolja a rendszer továbbfejlesztésének lehetőségeit! Tervezésvezető: Bölkény Ildikó tudományos segéd munkatárs Konzulens: Bölkény Ildikó tudományos segédmunkatárs

A tervezési feladat kiadásának időpontja: A tervezési feladat beadási határideje:

2015. szeptember 13. 2015. november 20.

Ph. Dr. Szabó Szilárd tanszékvezető egyetemi tanár

ii

1. A záró gyakorlat helye: 2. Instruktor: szükséges

3. A záródolgozat módosítása1:

(módosítás külön lapon)

nem szükséges tervezésvezető

dátum 4. A tervezést ellenőriztem:

dátum 5. A záródolgozat beadható:

tervezésvezető

igen / nem1

dátum

tervezésvezetők

konzulens

6. A záródolgozat szövegoldalt, és az alábbi mellékleteket tartalmazza: db rajz tervnyomtatvány egyéb melléklet (CD, stb.) 7. A záródolgozat bírálatra1

bocsátható nem bocsátható

A bíráló neve: dátum

tanszékvezető

8. A záródolgozat osztályzata betűvel (és számmal): A bíráló javaslata: A tanszék javaslata: A ZVB döntése: Kelt: Miskolc,

1

Záróvizsga Bizottság elnöke

Megfelelő rész aláhúzandó

iii

EREDETISÉGI NYILATKOZAT

Alulírott Jakubinyi Máté, Neptun-kód: WLILIN, a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Energetikai mérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a

Vízgyűjtő rendszer vezérlése folyamatirányító rendszerrel című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: o szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; o tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; o más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.

Miskolc, 2015.11.20.

…….……………………………….… Jakubinyi Máté

iv

Jakubinyi Máté

I.

Vízgyűjtő rendszer vezérlése folyamatirányító rendszerrel

Összefoglalás Szakdolgozatomat a Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet

Műszerfejlesztési és Informatikai Osztályán készítettem. Munkám során egy vízgyűjtő rendszer vezérlésével foglalkoztam. Ehhez először is irodalomkutatást végeztem a vízgyűjtő rendszerekről és azok felépítésével kapcsolatosan. Mivel a vezérlést egy folyamatirányító rendszer segítségével valósítottam meg, ezért tanulmányoztam a Siemens folyamatirányító rendszerét. Alap szinten megismerkedtem a Siemens PCS7-tel, ezen belül is elsősorban a terepi és irányítási szinttel. Munkám során lehetőségem volt elsajátítani a PLC-k, illetve a Siemens által gyakran használt ipari kommunikációk (Profibus DP, Profibus PA) használatával kapcsolatos ismereteket. Továbbá, a rendszer konfigurálásához, parametrizálásához és a felhasználói programok megírásához és feltöltéséhez szükséges szoftverek használatában is nagy jártasságot szereztem. A vízgyűjtő rendszer modellberendezéseként az AFKI kísérleti műhelyében található T2000-es mintatechnológiát használtam. A T2000 egy két tornyos frekvenciaváltóval vezérelt szivattyús főként oktatási célra kifejlesztett vizes rendszer, melyen számos ipari érzékelő található, különböző kommunikációs illesztéssel. Munkám során az alábbi eszközökkel ismerkedtem meg: szintérzékelők, szintkapcsolók, hőmérséklet távadók, tömegárammérő, frekvenciaváltó és szivattyú. A rendszer alapos tanulmányozása után, az addig inaktív rendszert újra használat alá helyeztem, illetve egy új a rendszer részét nem képező ultrahangos távolságmérőt megismerés után, hardveresen illesztettem, majd installáltam. Szakdolgozatom elkészítése során elsajátítottam a Siemens PLC-k programozásának alapjait, elsősorban a létradiagramos és az utasításlistás programozási nyelveket, és a mintatechnológia már meglévő vezérlőprogramját rendszereztem, illetve a kívánt igényeknek megfelelően módosítottam, továbbá saját FC programmodullal is kiegészítettem azt. Utolsó lépésként külön kitértem a rendszer működésére és energetikai elemzésére, melyben részleteztem a rendszert gazdaságossági, megtérülési és környezetre gyakorolt hatása alapján. Majd továbbfejlesztési lehetőségeket vázoltam fel.

Miskolc, 2015

vi

Jakubinyi Máté

II.


Summary I wrote my thesis in the Research Instrumentation and Informatics Department of

the Research Institute of Applied Earth Sciences in the University of Miskolc. The aim of my work was to study the control of a drainage system. First, I made some research about the drainage systems and their structure. I studied the process control system of Siemens, since I implemented the control with such a system. I learned the basics of the Siemens’ PCS7, primarily the field and control level. I had the opportunity to master the knowledge about the PLCs and the industrial communication used by Siemens (Profibus DP, Profibus PA). In addition, I learned a great deal about the use of the softwares needed to configure and parameterize the system, and to write and upload the user programs. I used the T2000 prototype located in the experimental workshop of AFKI as a model equipment of the srainage system. It is a water system controlled by a frequency inverter and used primarily for educating purposes. It contains several industrial sensors with different communication junction. I also got acquainted with the following devices: level sensor, level switch, temperature transmitter, mass flowmeter, frequency inverter and pump. After the thorough study of the system, I managed to put the formerly inactive system under use again. Furthermore, after much research I successfully installed a new element into the system, namely an ultrasonic distance meter. In my work I learned the basics of the programming of Siemens’ PLCs, primarily the ladder diagram and instruction list languages. In addition, I organized the control system of the existing prototype, modified it according to the needs and integrated with my own FC function. As a last step I energetically analyzed the system, detailing it’s economical, financial and environmental influence. Finally I reprezented some development possibilities as well.

Miskolc, 2015

vii

Jakubinyi Máté


Tartalomjegyzék Jelölések és indexek jegyzéke ............................................................................. 2 1. Bevezetés........................................................................................................... 3 2. ME AFKI MŰFIO ................................................................................................. 5 3. Vízgyűjtő Rendszer ........................................................................................... 7 3.1. Az esővízgyűjtő rendszer felépítése ................................................................................... 7

4. A rendszer hardver elemei ............................................................................. 12 4.1. T2000 mintatechnológia ..................................................................................................... 12 4.1.1. Szintmérő csatlakoztatása ............................................................................................ 16 4.2. Felső szint ........................................................................................................................... 18 4.2.1. Programozható logikai vezérlő ...................................................................................... 18 4.2.2. HMI ................................................................................................................................ 21 4.2.3. Kommunikáció és kommunikációs egység.................................................................... 23

5. A rendszer szoftver elemei ............................................................................. 25 5.1. PCS7 bemutatása................................................................................................................ 25 5.1.1. Használt fejlesztői szoftverek ........................................................................................ 27 5.2. Szoftveres realizáció .......................................................................................................... 28 5.3. A STEP7 programozása ..................................................................................................... 31 5.3.1. A mintatechnológia programjai ...................................................................................... 34

6. A működő mintatechnológia .......................................................................... 36 7. Energetikai és egyéb elemzés........................................................................ 37 8. Továbbfejlesztési lehetőségek ....................................................................... 44 9. Összegzés........................................................................................................ 45 10. Köszönetnyílvánítás ..................................................................................... 46 11. Irodalomjegyzék ............................................................................................ 47 F1.

Függelék.................................................................................................... 48

Miskolc, 2015

1

Jakubinyi Máté


Jelölések és indexek jegyzéke Jelölések: U P n W l p T Q

[V] [kW] [min-1] [Nm] [m] [bar] [°C] [Kg/h]

elektromos feszültség [Volt] teljesítmény [kilo Watt] fordulatszám [1/perc] munka [Newton * méter] magasság (szint) [méter] nyomás [bar] hőmérséklet [fok Celsius] tömegáram [kilogramm/óra]

Rövidítések: PLC HMI PCS7 DCS AS ES OS MS PDM PS CPU HW CP IO LAD FBD STL OB FB FC DB SFB SFC

Miskolc, 2015

Programmable Logic Controller (Programozható logikai vezérlő) Human Machine Interface (Ember-Gép Interfész) Process Control System 7 (Folyamatirányító rendszer 7) Distributed Control System (Elosztott irányítási rendszer) Automation Station (Automatizálási állomás) Engineering Station (Mérnöki állomás) Operator Station (Operátori állomás) Maintanance Station (Karbantartási állomás) Process Device Management Power Supply (tápellátás) Central Processing Unit (központi vezérlő egység) Hardware (hardver) Communication Processor (kommunikációs processzor) Input/Output (bement/kimenet) létradiagram programozási nyelv funkcióterv programozási nyelv utasításlista programozási nyelv szervezőmodul (programmodul) funkciómodul (programmodul) függvény (programmodul) globális adatmodul (programmodul) rendszer funkciómodulok (programmodul) rendszer függvények (programmodul)

2

Jakubinyi Máté


1. Bevezetés Egy olyan házban éltem szüleimmel 20 éves koromig, ahol nem volt vezetékes víz bekötve és egy ház melletti kút állt rendelkezésünkre. Egy hidrofor (házi vízmű) segítségével „szívtuk” ki a vizet a kútból és „nyomtuk” a ház vezetékrendszerébe. Sajnos a rendszer gyakran meghibásodott. Édesapámmal a víz egyik helyről a másik helyre való közlekedtetését különböző módszerekkel próbáltuk megoldani (búvárszivattyú, slagok, tartályok), ehhez csatlakozott az ugyan csak szennyvíz csatlakozás hiányának a problémája. A derítő gyakori szippantását úgy kerültük ki, hogy a kert végébe egy másik fedett medencét is ástunk és a két ülepítő között csővezetékkel közlekedtettük a híg szennyvizet.

1. ábra: Einhell hidrofor Egy időben kecskéket is tartottunk, akik folyamatos itatásáról is gondoskodni kellett, valamint meg kellett oldjuk azt a problémát, hogy gyakran felborítsák az itató vedreket. A kertben lévő fóliasátort első sorban esővízzel öntöztük, amely növényekhez történő eljuttatásához csepegtető rendszert alakítottunk ki. Én úgy nőttem fel, hogy a háztartásunk és gazdaságunk működtetéséhez mindig valamilyen folyadék átvitelt, mozgatást kellett megoldjunk. Így amikor szakdolgozati témát kerestem, kézenfekvőnek tűnt az, hogy olyan probléma megoldásával foglalkozzak, amihez kötődésem és valamennyi amatőr tapasztalatom van. Szakdolgozati témám: Vízgyűjtő rendszer vezérlése folyamatirányító rendszerrel.

Miskolc, 2015

3

Jakubinyi Máté


Mindezt, amit eddig otthon kényszerűségből, valamint a „józan paraszti ésszel” próbáltunk megoldani, most már számításokkal alátámasztottam, és a legmodernebb technika bemutatásával szeretném bemutatni. Hogy elkezdtem a témát mélyrehatóan kutatni, rájöttem arra, hogy ez a szakterület nem csupán egy háztáji gazdaság működőképességének az egyik alaptémája, hanem az élet számos területén, az egészségügytől az ipari termelésig egy nélkülözhetetlen láncszem. Ez a probléma már az ókorban is jelen volt, elég ha csak az arkhimédészi csavarra gondolunk. Az ókori zsenialitás ma is megállja a helyét, ugyanakkor a mai modern kor követelményei már sokkal kifinomultabb, precízebb és kontrolláltabb rendszerek tervezést, kivitelezését és működtetését igénylik.

2. ábra: Arkhimédészi csavar [2] Szakdolgozatomban egy vízgyűjtő rendszer vezérlését probálom bemutatni, melynek felhasználási területe különféle iparágakban is alkalmazhatóak.

Miskolc, 2015

4

Jakubinyi Máté


2. ME AFKI MŰFIO A Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet (ME AFKI) Műszerfejlesztési és Informatikai Osztálya (MŰFIO) 1983-ben alakult, azzal a céllal, hogy az intézetben folyó kutatási feladatok ellátásához szükséges eszközöket, mérőberendezéseket az igényeknek megfelelő formában fejlessze ki és rendszerint kísérleti gyártmányként készítse el. Az intézetben folyó kutatási és fejlesztési feladatok viszonylag nagyszámú, speciális eszköz, műszer és esetenként egyedi mérőrendszer használatát igénylik. Ezen eszközök és berendezések megtervezése, létrehozása és megvalósítása az osztály kiemelt feladatai közé tartozik. Az intézet tevékenysége jelentős mértékben kapcsolódik az olaj- és gáziparhoz, ezért az osztályon folyó kutatási és fejlesztési munka eredményeként sok olyan műszer készült és került kereskedelmi forgalomba, melyeket elsősorban szénhidrogén-ipari laboratóriumokban használnak. A műszerfejlesztések másik területe az ipari folyamatirányításhoz kapcsolódik, ahol egyedi mérőeszközök tervezése és gyártása mellett az elmúlt években több, az olaj- és gáziparban eddig nem használt mérőeszköz és mérőrendszer használhatóságát vizsgálták az osztály munkatársai. A Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály az elmúlt három évtizedben számos K+F feladatott oldott meg. Ezek között a munkák között voltak az osztály profiljába jól beleilleszkedő laboratóriumi, vagy éppen mobil műszerfejlesztési feladatok, laboratóriumi mérési, modellezési, vagy tesztelési feladatok és akadtak az ipari folyamatirányítás területéhez kapcsolódó munkák, vagy újdonságszámba menő módszerekre épülő alkalmazások is.. A következőkben felsorolt K+F feladatok egy része a speciális, általában különleges igényeket kielégítő berendezések és eszközök elkészítésére, másrészt valamilyen rendszerint az ipar által igényelt feladatok modellezésén alapuló megoldására irányult. [1]

Miskolc, 2015

5

Jakubinyi Máté


Az osztály által létrehozott Ipari Kommunikációs Oktató Kutató Laboratórium (IKKOL) keretében a munkatársak ipari szakemberek részére különböző kommunikációs rendszerek, terepi eszközök, felső szintű irányítási rendszerek területeken rendszeresen tartanak tréningeket. Az osztály munkatársai az elmúlt években több olyan feladatot végeztek, melyek során ipari kommunikációs rendszerek használatára, fejlesztésére és betanítására volt szükség. A tapasztalatok szerint a szakmai ismeretek az új rendszerekről hiányosak, vagy nem párosulnak megfelelő gyakorlati háttérrel. A gyártó cégek hasonló gondokkal küszködnek, hiszen az üzemekben a fogadókészség hiánya a beruházások minőségének színvonalát rontja le és az oktatás határidejét növeli meg jelentősen.

3. ábra: AFKI logo

Miskolc, 2015

6

Jakubinyi Máté


3. Vízgyűjtő Rendszer Egy esővízgyűjtő tartályból a megfelelő rendszerelemek és kiegészítők összeválogatása után lesz komplett rendszer. Különböző esővízgyűjtő szettek „házasíthatók” a kiválasztott tartályhoz. Az így kapott, már előreszerelt modulrendszerek a felhasználás módja alapján vannak előkészítve. Tartalmazzák mindazon elemek sorát, mellyel megfelelő minőségű vizet a megfelelő helyre juttathatjuk. Minden rendszerelem a kényelmet és gondtalan használatot szolgálja. [8]

4. ábra: Vízgyűjtő tartály

3.1. Az esővízgyűjtő rendszer felépítése A környezettudatos életvitel, a fenntartható fejlődés elősegítése, a jövőnkről való felelősségteljes gondolkodás nem csupán hangzatos közhely, ha mi, az egyes embereknek, családok a szűk környezetünkben, mindennapjainkban megtesszük azt, amit lehetőségeink engednek. Ha sokan teszünk akár csak egy kicsit, akkor már sokat tettünk környezetünkért, magunkért és ezen felül jelentős költséget is megtakaríthatunk. Mert az általános gyakorlattal szemben egyáltalán nem szükséges pl. ivóvízzel locsolni a növényeket, WC-t öblíteni, ruhát, vagy autót mosni. Mindezekhez tökéletesen megfelelő az esővíz is. Az esővízgyűjtés sorrendben a következő egyszerű folyamatokból áll: o

Gyűjtés

o

Szűrés (rácsszűrők, homokszűrők, stb.)

o

Tárolás (esővízgyűjtő tartályok)

o

Felhasználás (öntözés, stb.)

Miskolc, 2015

7

Jakubinyi Máté


o

Fölösleg elhelyezése (elszivárogtatás, élővízbe engedés, stb.)

o

Monitorozás

Esővízgyűjtés: Az esővízgyűjtés a tetőn kezdődik. Minél nagyobb a tetőfelület, annál több víz gyűlik össze. A magyarországi csapadékviszonyok közepette 100 m2 tetőfelületről évente 50-60 m3 tiszta esővíz gyűlik össze. A tetőfelülettől nagyban függ a munkafolyamat megtervezése, mivel a különféle szűrők különféle tetőfelületekhez készülnek. Túlméretezni fölösleges a szűrőket, az alulméretezés pedig még nagyobb problémákat okozhat. Sajnos itt némi szennyeződés is a vízbe jut, ez lehet falevél, por, rovarok, mohatelepek és egyéb apró szennyeződések, amit később el kell távolítani a vízből. Érdemes némi figyelmet fordítani arra, hogy minél kevesebb szennyeződés kerülhessen a tetőre, és ezáltal később a vízbe. Ezért fontos, hogy például faágak ne nagyon lógjanak be a tető fölé, mert így sok terhelést jelent majd a szűrőknek az őszi levéláradat. Tartályméret kiszámítása: Az esővíz-hasznosítás leglényegesebb pontja a megfelelő méretű tartály kiválasztása. Ha túl kicsi a tartályunk, akkor például szárazabb időszakokban idő előtt elfogy belőle a víz, és nem tudunk rendesen öntözni, WC-t öblíteni, stb. Ha pedig túl nagy tartályt választunk, az a soha fel nem használható fölösleges vízmennyiségen túl fölösleges költségeket is a nyakunkba veszünk. Az ideális méret kiválasztásához sok szempontot figyelembe kell venni, ilyenek az esővízgyűjtéshez használt tetőfelület, a felhasznált vízmennyiség és a szárazabb időszakokra tervezett tartalék vízmennyiség. Esővízszűrés: A tetőről érkező vízben olyan szennyeződések (levelek, moha, rovarok, por, stb.) találhatóak, amelyek nem teszik lehetővé közvetlen felhasználásukat például egy öntözőrendszerben, ezért az összegyűlt vizet meg kell szűrni. A szűrés első lépcsője egy mechanikai szűrő, mely a nagyobb szennyeződéseket távolítja el (0,3-1 milliméternél nagyobb szilárd szennyeződéseket), ha az esővizet csak öntözésre használjuk, akkor ez is elegendő. A második lépcső pedig egy homokszűrő,

Miskolc, 2015

8

Jakubinyi Máté


mely az egészen apró port is visszatartja, így az esővízgyűjtő tartályba már csak a teljesen tiszta víz kerül. A tartályban összegyűlt víz így már WC-öblítésre is használható, és persze öntözésre is, akár automata öntözőrendszerekkel. A legfontosabb technológiai paraméterek a befolyások és kifolyások száma, a maximális tetőfelület és a rácsszélesség. Általában a szűrőket az esővízgyűjtő tartályba kell beépíteni, és többségüknél az összegyűlt hulladékot időről időre kézzel el kell távolítani. Tárolás: Az összegyűjtött és szűrt víz a földalatti esővízgyűjtő tartályokban (ciszterna) tárolható egészen a felhasználásig. Ezek a tartályok általában polipropilénből készülnek, ezt az anyagot az élelmiszeripar is előszeretettel használja (tehát akár bor, vagy egyéb élelmiszerek tárolására is alkalmas). Az esővízgyűjtés szempontjából az a fontos, hogy semmilyen anyag nem oldódik ki a tartályok anyagából, tehát még hosszú távú tárolás esetén sem romlik a gyűjtött víz minősége. További előnye, hogy kis súlyának köszönhetően könnyen telepíthető. Sima felületük miatt nagyon könnyű a tisztításuk. Felhasználás: A tartályból a szűrt esővíz házi vízművel szivattyúzható ki a felhasználás helyére (kerti csap, WC-tartály, locsolócső, öntözőrendszer, stb.) A szűrt víz alkalmas WC-öblítésre, autómosásra, öntözésre (akár öntözőrendszerhez is), kerti tavak feltöltésére és egyéb munkákra a ház körül. Az esővíz fenti módon történő felhasználásával az ivóvízfogyasztás akár 35-60%kal csökkenthető. Fölösleg elhelyezése: Az esővízgyűjtés során előfordulhat, hogy a tartály megtelik, mivel több a csapadék, mint amennyi vizet felhasználunk. Ez főleg télen lehetséges, amikor nem öntözünk. Ahhoz, hogy a fölösleges vízmennyiség ilyenkor ne okozzon problémát, meg kell oldani annak elhelyezését.

Miskolc, 2015

9

Jakubinyi Máté


Ennek legelterjedtebb, és legegyszerűbb módja az elszivárogtatás, mely során a ciszternából egy túlfolyón keresztül a fölös vízmennyiség szikkasztórendszerbe, ezáltal a földbe jut. Ezen kívül lehetőség van még arra is, hogy a vizet folyóba, patakba engedjék, vagy akár kerti tóba is Az esővíz-hasznosításon kívül sokat takaríthatunk meg, ha saját házi szennyvíztisztító berendezésünk van. Sok egyéb előnye mellett fontos szempont, hogy a tisztított víz további szűrést követően az esővízzel együtt gyűjthető, és ahhoz hasonlóan alkalmas öntözésre, WC-öblítésre. Ráadásul, ha utóbbi megoldást alkalmazzuk, akkor a WC-öblítésre használt vízmennyiség nullára csökken, ugyanis az ismét a szennyvíztisztítóba, majd onnan az esővízgyűjtő tartályba jut, hogy később megint felhasználhassuk. Ez igen fontos szempont, ha figyelembe vesszük, hogy a lakossági vízfelhasználás 30-40%-át a toalett öblítésére használjuk fel. És alapesetben ez esővízgyűjtés nélkül mind ivóvíz. Az elszivárogtatásról: Az elszivárogtatás, vagy más néven szikkasztás, az esővíz, vagy a biológiailag megtisztított szennyvíz újbóli felhasználásának egyik legegyszerűbb módja. A víz egy földalatti csőrendszeren keresztül szivárog el a talajba. Az elszivárogtató rendszer egyrészt jelentheti a túlfolyót is a vízgyűjtő tartálynál, másrészt így biztosítható a kerti növények gyökérzónás öntözése. A szikkasztó rendszer legfőbb része egy legalább 10 méter hosszú dréncső (kilyuggatott PVC cső), melynek egyik vége az esővízgyűjtő tartály kivezető-csövéhez csatlakozik, és a talajban vezetve, kis lejtéssel továbbhaladva, a rendszer végénél a talaj fölé egy függőleges csővel kivezetve végződik. A jobb szivárgás érdekében a cső köré nagyméretű, mosott (kulé)kavicsot kell beásni. Az elszivárogtató cső alá ajánlott 40 cm szélesen 60 cm vastagságú kulé ágyat készíteni. Az elszivárogtató árkát a kulékavics és a dréncső fölött geotextíliával kell befedni az elsarasodás elkerülése végett. Ezt követően a maradék az eredetileg kitermelt talajjal visszatemethető, így gyalogosan, vagy járművel járható felületet kapunk.

Miskolc, 2015

10

Jakubinyi Máté


A tartályba az esővíz a fagyhatár alatt érkezik meg. Ez a befolyó. A túlfolyónak a befolyó alatt kell lennie, legalább 2 cm-rel. Az elszivárogtató cső így végig a fagyhatár alatt megy. Minimális lejtése a csatornacsövekének megfelelő, azaz méterenként fél cm. Az elszivárogtató cső fektetéséhez szükséges árkot célszerű markolóval kiásni, hogy egyenletes legyen, mivel az aljának teljesen vízszintesnek kell lennie. A szikkasztórendszert csak olyan talajon lehet kiépíteni, ami addig nem volt megbolygatva, vagy az évek során megfelelő mértékben visszatömörödött. Jó vízelnyelő képességű talaj, például homok esetén elegendő 10 méter hosszú dréncső. Ha viszont agyagos a talaj, és emiatt nehezen szivárog el a víz, akkor 20, vagy akár 30 méter hosszú rendszerre is szükség lehet. Fontos, hogy az elszivárogtatást csak saját telken lehet megoldani. Amennyiben biológiai szennyvíztisztító által megtisztított vizet szivárogtatunk el, úgy a tisztított vízben lévő szerves anyagok táplálják a növényeket. Amennyiben van rá lehetőség, az esővizet patakba, folyóba is lehet engedni, bár ehhez külön engedély kell a területileg illetékes Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőségtől. Ahol a kerti tó eléggé nagy, a fölösleges esővizet ebbe is bevezethetjük. [9] Monitorozás: A monitoring olyan célra orientált, szervezett mérési és kiértékelési tevékenység, amelynek segítségével a vizsgálandó környezeti elem állapotát, annak változását és ezeknek az ismeretében az állapot romlását előidéző okokat figyelemmel tudjuk kísérni, illetve meg tudjuk határozni. A monitoring több mint szimpla adatgyűjtés. Ahhoz, hogy a meghatározott céllal végzett mérések eredményeit később értékelni is tudjuk, megfelelően összehangolt tevékenységre van szükség, mely nem csak a mérési program megvalósítására, hanem az adatok rendszerezett tárolására és ellenőrzésére is kiterjed. Így lesz a mérési adatokból információ. Vízgyűjtő rendszer esetében monitorozhatjuk a vízállást, vízhőmérsékletet, vízhozamot, jégviszonyokat. A mérési módszer megválasztása a teljes vizsgálatra vonatkozik, a vizsgálandó paraméter, és annak meghatározásához alkalmazandó analitikai módszer ismeretében tudjuk eldönteni, hogy milyen mintavételezést és mérési módszert használjunk. [10] Miskolc, 2015

11

Jakubinyi Máté


4. A rendszer hardver elemei Szakdolgozatomban egy vízgyűjtőrendszer vezérlését valósítom meg folyamatirányító rendszer segítségével. Ennek megvalósításához szükségem volt egy mintatechnológiára, melyen modellezhetem a vízgyűjtőrendszert, illetve egy felső szintre, melylyel a vezérlést elvégezhetem. Ebben a fejezetben a rendszerhez szükséges hardware elemeket fogom bemutatni. A modellezés megvalósításához a Miskolci Egyetem AFKI Kísérleti Műhelyében található két tornyos T2000 mintatechnológiát használtam, annak vezérlésére pedig az AFKI Ipari Kommunikációs Kutató – Oktató Laboratóriumában található Siemens Simatic S7-400-as PLC-t használtam.

4.1. T2000 mintatechnológia Ebben a fejezetben a T2000-es mintatechnológiát fogom bemutatni. A panel fő egységeinek tárgyalásával külön fejezetek, alfejezetekben ismertetem részletében, a teljesség igénye nélkül. A T2000 mintatechnológiát a Miskolci Egyetem AFKI munkatársai a Siemens Zrt. megbízásából készítették el, azért hogy a rajta található érzékelőket, beavatkozókat egy valós ipari folyamaton keresztül ismerhessék meg az iparból érkező felnőttképzésben résztvevők, illetve a hallgatók. A rendszer alumínium profilokból épül fel. A rögzítések T-anyával és belsőkulcsnyílású csavarokkal történik. Fekete műanyag fedő takarja a vágott felületeket. Az alapot és az oldalsó támfalat 3mm vastag alulemez adja. A tartályok magassága 850mm.

5. ábra: Alumínium profil

Miskolc, 2015

12

Jakubinyi Máté


A mintatechnológián az iparban is használatos eszközök találhatók, amint a lenti ábrán szemrevételezhetünk.

6. ábra: T2000 mintatechnológia A mintatechnológián található eszközök listáját az alábbi táblázat foglalja össze.

Tervjel

Megnevezés

Jellemzők

T2100

MKI 190/200/850

Tartály

T2200

MKI 190/200/850

Tartály

D2012

Micromaster 420

Frekvenciaváltó

P2012

Pedrollo PQ60

VC2006

SIPART PS2 DN15CONTROL

VS2001

HAV20

Miskolc, 2015

Szivattyú 230V - 0.37kW, 2900min-1 Pneumatikus Szeleppozicionáló Elektromágneses szelep Max: 8Nm

13

Jakubinyi Máté


VS2002

HAV20

VS2003

HAV20

VS2004

HAV20

Elektromágneses szelep Max: 8Nm Elektromágneses szelep Max: 8Nm Elektromágneses szelep Max: 8Nm 8 x 1 digitális input/output

JB2017

PDP IOM 881

3 vezetékes pnp vagy 2 vezetékes szenzorok

Elektromos doboz

Relé, biztosíték, DC tápegység Ultrahangos szintérzékelő

LT2106

MultiRanger 200

LS2210

Pointek CLS200

Kapacitív szintérzékelő

SITRANS P DSIII PA GAUGE

Nyomásmérés

PRESSURE

160bar

LS2108

OLS-10

Optikai szintérzékelő, PNP

LS2208

OLS-10

Optikai szintérzékelő, PNP

LS2109

E+H Liquiphant T FL20

Rezgővillás szintérzékelő

LS2209

E+H Liquiphant T FL20

Rezgővillás szintérzékelő

TT2105

SITRANS TH400

TT2205

PRetop 5350B

PT2103

FT2014 HMI2001

0,3 – 15 m

Hőmérséklettávadó -40°C – 80°C Hőmérséklettávadó -40°C – 80°C

SITRANS F C MASSFLO

Tömegárammérő

MASS 6000 SIMATIC Touch Panel 170B

5600Kg/h

Color

Érintőkijelző

1. táblázat: A mintatechnológia eszközei A két plexi tartály (T2100, T2200) között a víz áramlását egy szivattyú biztosítja, amit egy frekvenciaváltó vezérel. A használt frekvenciaváltó egy Siemens Micromaster 420 ami egy univerzális készülék, mely elérhető egy és háromfázisú kivitelben. Az általános feladatok megoldását olyan innovatív funkciókkal segíti, mint például opcionális terepi busz csatlakozás. A Micromaster 420 különösen jól alkalmazható szivattyúsés ventilátoros hajtások, szállítószalagok és egyéb anyagmozgató egységek vezérlésére. A frekvenciaváltó egy Pedrollo PQ60-as 0,37 kW-os szivattyút vezérel.[11]

Miskolc, 2015

14

Jakubinyi Máté


Mivel a motor lapátjának kialakítása, annak csak az egy irányba való mozgását engedi meg, ezért ahhoz, hogy a víz áramlása mindkét irányba lehetséges legyen szelepek beiktatása volt szükséges. Erre a célra a mintatechnológián négy darab Honeywell HAV20-as elektromágneses szelep található, melyek az IOM-881- es input/output modulon keresztül a Profibus DP hálózatra és érik el az AS-t. . A szelepek tervjelei sorra V029, V030, V031, V032. Abban az esetben, ha a V029 és V032 tervjellel ellátott szelepek vannak nyitott állapotban, akkor T2100 tervjelű tartájba történik a víz áramoltatása. Amennyiben pedig a V030 és V031 tervjellel ellátott szelepek vannak nyitott állapotban, akkor T2200 tervjelű tartájba történik a víz áramoltatása. [11]

7. ábra: Frekvenciaváltó, szivattyú és elektromágneses szelep A mintatechnológián található egy SITRANS FC 2100 coriolis elvű áramlásmérő, ami a Siemens SITRANS Massflo 6000 jelátalakító távadóhoz van csatlakoztatva. A Massflo a Profibus DP hálózatra csatlakozik.

8. ábra: Massflo és FC 2100 A Turck IOM-881-es terepi elosztóra a korábban már említett aktuátorokon kívül lehetőség van inputok illesztésére is. Esetünkben két darab diszkrét jelű szintjelzésre alkalmas E+H Liquiphant T FTL20 rezgő villás szintkapcsoló van illesztve LS2111 és LS2211 tervjellel. Profibus PA hálózatra csatlakozik a PT2013-as tervjelű Siemens SITRANS P DS III nyomástávadó és a TT2205-ös tervjelű PRetop 5350B Miskolc, 2015

15

Jakubinyi Máté


hőmérséklettávadó. A Profibus PA hálózat egy DP/PA Link segítségével csatlakozik a Profibus DP hálózatra.

9. ábra: Rezgővillás szintkapcsoló, nyomástávadó és hőmérséklettávadó A mintatechnológián található még egy Foundation Fieldbus hálózat is, melyre egy Siemens SIPART PS2 FF (FCV-SIPART) típusú szelepszabályozó és egy Siemens TH400 hőmérséklettávadó található. Mivel az FF szegmens technikai okok miatt jelenleg nem aktív, így nem foglalkoztam részletesen az eszközökkel. 4.1.1. Szintmérő csatlakoztatása Mivel az itt bemutatott mintatechnológia csak szintkapcsolókkal rendelkezik, szintmérővel nem, ezért utólagosan integráltam egy ilyen eszköz a már meglévő technológiához. A modul egy Multiranger 200 ST-H Ultrasonic Transducer, vagyis egy ultrahangos szintérzékelővel ellátott multifunkciós terepi eszköz.

10. ábra: A szintmérő elvi csatlakoztatása az AS-hez Miskolc, 2015

16

Jakubinyi Máté


A MultiRanger 200 egy szint és térfogat mérő eszköz, rendelkezik 3 vagy 6 relé kimenettel, 2 digitális bemenettel, továbbá 2 analóg kimenettel és 1 analóg bementtel. Nagyobb számos fejlett algoritmusok a szivattyúvezérléshez, és felszerelhető digitális kommunikációval. Kínálja a legújabb hangfeldolgozási technológiákat és a diagnosztikai jellemzőket. A PROFIBUS kommunikációt a készülék egy bővítőkártya segítségével biztosítja, viszont a buszon csak a paraméter átadás folyik. Konfigurálni csak MODBUS protokollon keresztül az RS-232 vagy RS-485 csatoló felületen lehetséges. Az ábrán jelölve lettek a használt terminálok, baloldalon fent látható az ultrahangos érzékelő csatolója, jobb oldalon pedig a hálózati feszültségé. Középen illeszthető a bővítőkártya, ide csatlakoztatható a PROFIBUS-DP nagysebességű hálózat. Jobb oldalon lent a nyitott kollektoros PNP tranzisztor kimenetű SITRANS LVL 100 rezgővillás szintérzékelő csatlakozik. [6]

11. ábra: A szintmérő a mintatechnológián

Miskolc, 2015

17

Jakubinyi Máté


4.2. Felső szint Az ipari automatizálás területének a Siemens vezető szerepet tölt be a globális piacon. Termékeinek sikerét az alábbi összefoglalt tulajdonságainak köszönheti. Először is jellemzi a magas fokú adatbiztonság, ami azt jelenti, hogy még szükségüzem esetén sem veszhet el adat. A rendszer könnyen bővíthető, moduláris felépítésű, az adatátvitel az egyes eszközök között könnyen kivitelezhető. A Siemens speciális feladatok megvalósításához is kínál megoldásokat, mely által rendszer roppant rugalmas. A következő fejezetekben a Siemens Simatic szakdolgozatomban használt felsőszintjét mutatom be. 4.2.1. Programozható logikai vezérlő A SIMATIC folyamatirányítási rendszer összehangolja a széleskörű komponenseket egy egységes módszerrel, beleértve a konfigurációt, adatkezelést és adattovábbítást. Az automatizálási rendszer alapját a PLC-k képezik. A programozható logikai vezérlő (PLC: Programmable Logic Controller) az ipari szabályozástechnikában, a villamos, vagy villamosan működtetett folyamatok irányításában használt berendezés, nem számítógép. Értelem szerinti fordítás talán a programozható logikai egység lehetne. [3] [7] Megjelenése az 1970-es években kezdődött, a General Motors ekkor írt ki pályázatot egy programozható vezérlőberendezés fejlesztésére. A pályázatban szereplő feltételek egy mai PLC- nek is alapvető jellemzői: o nagy megbízhatóság, o nem tartalmaz mozgó alkatrészt, ezért hosszú az élettartama, o a be- és kimenetek galvanikusan leválasztottak, o egyszerű felépítés, o kis méret, o könnyű programozhatóság o valós idejű működés. Ezek a tulajdonságok képessé teszik a PLC-t, hogy megfeleljen az ipari környezet elvárásainak. A vezérlési és folyamatirányítási feladatokat tárolt programmal valósítják meg, és képesek a technológiai folyamatok közvetlen irányítására. A PLC-re a cikli-

Miskolc, 2015

18

Jakubinyi Máté


kus programvégrehajtás jellemző. Felépítésüket tekintve megkülönböztetünk moduláris, illetve kompakt PLC-ket. A kompakt PLC-k kisméretűek, de hardver struktúrájuk nem módosítható. A moduláris PLC-k különböző modulokból épülnek fel, ezek mindegyike egy meghatározott speciális funkciót lát el, pl. CPU egység, kommunikációs egység. A modulokat egy ún. rackbe (tartó, sín) dugaszolhatjuk, így a hardverkonfigurációt sokféleképp lehet összerakni. A racket természetesen megfelelően védett műszerszekrénybe kell elhelyezni. [5] A fentiek alapján a PLC-ket a következő módon definiálhatjuk: „A PLC olyan ipari számítógépnek tekinthető, amely speciális hardveregységei és felhasználói programja révén a technológiai folyamatok tárolt programú irányítására és intelligens kommunikációs felülete révén hierarchikus és/vagy osztott folyamatirányító rendszerek létrehozására alkalmas.” [4] Munkám során a SIEMENS Simatic S7 család tagjaival ismerkedtem meg. Szakdolgozatom során egy S7-400-as PLC-vel dolgoztam, így ennek bemutatása következik.

12. ábra: S7-400 PLC

Miskolc, 2015

19

Jakubinyi Máté


Az S7-400 remek dinamikával rendelkezik, melyet jellemzően a nagy üzembiztonságot igénylő rendszereknél használják, melyek a teljesség igénye nélkül az alábbiak lehetnek: o gyártástechnológia, o gépjárműipar, o általános gépgyártás, o speciális gépek gyártása, o sorozatgyártás, o műanyagipar, o csomagolóipar, o élelmiszeripar és italgyártás, o illetve folyamatos jellegű technológiák. Az S7-400 PLC a Simatic vezérlők családjának egyik kiemelkedő tagja. Megoldást nyújt a legigényesebb feladatokra a közép és felső szintű vezérlésekben. Csatlakozó felületei lehetővé teszik az optimális kommunikációt. Felhasználóbarát kezelés és egyszerű dizájn jellemzi. Feladatok növelése esetén problémamentesen bővíthető. Komplex feladatok esetén, segítségével megoldható több CPU üzemeltetése egy vezérlő S7400 PLC-vel, ahol minden CPU-nak lehetnek saját I/O egységei. A PLC-k biztonsági szempontból is több kategóriába sorolhatók, eszerint vannak az „alap” PLC-k, valamint az Ex, F, H, FH, besorolásúak. Utóbbiak ára sokkal magasabb az alap PLC-k áránál. Az Ex robbanásbiztos berendezéseket jelöl, jellemzően csak a hardverkövetelmények szintjét emeli, a programmal szemben nem támaszt extra elvárásokat. Az F a hibatűrő rendszereket jelöli (fail-safety), fontos tulajdonságuk, hogy a SIL norma szerinti öt SIL szint közül melyiknek felelnek meg. A besorolást hatásanalízis előzi meg, magasabb szinteken csak független külső szakértő bevonásával állapítható meg a biztonsági szint. A H redundáns rendszereket jelöl, ez lehet szoftveres, vagy hardveres is. [5] A Simatic S7-400 például az alábbi változatban elérhető: o

S7-400: Közép és felső szintű vezérlések megvalósítására. Moduláris kialakítás és ventilátor nélküli kivitel jellemzi.

o

S7-400H: Hibatűrő automatizálási rendszer redundáns kialakítással, hibamentes alkalmazásokhoz.

Miskolc, 2015

20

Jakubinyi Máté

o


S7-400F/FH: Meghibásodás-mentes, automatizálási rendszer, redundáns kialakítással, amely szintén hibatűrő.

4.2.2. HMI Ugyancsak kommunikációs buszon keresztül kapcsolódnak a PLC-hez az úgynevezett HMI egységek. A HMI (Human Machine Interface) egy terminál általában LCD kijelzővel és nyomógombokkal. Az a feladata, hogy kezelőfelületet adjon, amivel a berendezés paramétereit lehet módosítani a működést nyomon követni, üzeneteket kijelezni. A HMI tartja a kapcsolatot az ember és a vezérlés között. A régi vezérlésekben ezt a kapcsolatot vezérlőpultokon és paneleken elhelyezett kapcsoló és visszajelzőlámpa rengeteg látta el. A HMI egységek választéka is elképesztően széles. A választék a legegyszerűbb néhány karakteres szöveges kijelzőt és 5-6 gombot tartalmazó HMI paneltől a nagy felbontású színes, grafikus kijelzővel ellátott, érintőképernyős típuson át a számítógépes SCADA rendszerekig terjed. A PLC-s rendszerben általában nem csak egy HMI lehet, hanem több is. Pl. egy egyszerűbb a gépet kezelő személy számára és egy nagyobb teljesítményű (esetleg PC-s) a diszpécser vagy adatgyűjtő állomás számára. A kombinációk száma kimeríthetetlen. A HMI-k nagymértékben kiterjesztik a rendszer képességeit. A megjelenítő panelek jóvoltából a berendezés beállítása, kezelése és diagnosztizálása (javítása) egyszerűvé válik. Korábbi hibaüzenetek, mérési eredmények, grafikonok, jeleníthetők meg. Gyors áttekintést adhatnak a rendszerről, működéséről és állapotáról. Ezeket a HMI paneleket is programozni kell az adott felhasználáshoz. A programozás PC-n futó fejlesztőrendszerrel történik, de nem programnyelv alapú, sokkal inkább vizuális módszerrel. Szakdolgozatomban egy a T2000 mintatechnológián található Siemens cég 6AV6 545-0BC15-2AX0 rendelési számú, TP 170B Color típusú modelljét használtam. Ez a típus egy érintőkijelzővel ellátott modell, melyet a következő ábra szemléltet. Az általam használt kijelző 320*240 pixel felbontású, 16 színű, 5,7” méretű rezisztív érintőpanel. Névleges árama 0,25A, teljesítménye 7 W. RISC 32 bit, 66MHz processzor működteti, 768 kB memóriával, mely CF kártyával bővíthető. Windows CE operációs rendszerrel működik. Mivel ipari kivitel ezért előlapja IP 65, hátlapja IP20 védettségű.

Miskolc, 2015

21

Jakubinyi Máté


13. ábra: Siemens TP 170B A panel hátulján megtalálhatóak a csatlakozási felületek: o 24V DC o IF 1B: RS232 szabványú csatlakozási felület, Profibus DP/MPI kommunikáció használatára o IF 1A: RS422/485 szabványú csatlakozási felület o IF2: RS232 szabványú csatlakozási felület, a számítógép és a panel közti kommunikáció használatára A S7-400-as PLC-hez a HMI-t Profibus DP hálózaton csatlakoztatjuk, ezért az IF 1B kommunikációs portot kell használni. Ehhez a panel hátulján található DIP switcheket DP/MPI módba kell állítani. Az IF 2-es port és a számítógép kapcsolatát szabványos null-modem kábellel lehet megoldani, melyet a következő ábra szerinti kapcsolási rajz alapján készítettem el.

14. ábra: Null-modem kábel kapcsolási rajza

Miskolc, 2015

22

Jakubinyi Máté


4.2.3. Kommunikáció és kommunikációs egység A kommunikáció a PROFIBUS DP és PA kommunikációval történik. A PROFIBUS gyártó-független, nyílt terepbusz szabvány széleskörű alkalmazási területtel. A gyártófüggetlenséget és a nyíltságot az EN 50 170 PROFIBUS szabvány garantálja. A PROFIBUS lehetővé teszi különböző gyártók eszközeinek speciális interface nélküli kommunikációját. A PROFIBUS felhasználható nagysebességű időkritikus adatátvitelre és nagy, bonyolult kommunikációs feladatok megoldására egyaránt. A PROFIBUS család három alapjaiban kompatibilis változatból áll, amelyből a következők kerültek beépítésre:

PROFIBUS-DP: Ezt a nagysebességű és olcsó összeköttetésekre optimalizált változatot elsősorban automatikus vezérlőrendszerek és elosztott I/O eszközök kommunikációjára fejlesztették ki. A PROFIBUS-DP felhasználható párhuzamos adatforgalomra is (24 V vagy 0..20 mA mellett).

PROFIBUS-PA: A PROFIBUS-PA folyamatszabályozási célokra használható. Lehetővé teszi érzékelők és beavatkozók közös buszra csatlakozását nagy megbízhatóságot igénylő környezetben is. Az IEC 1158-2 nemzetközi szabvány szerinti 2 vezetékes technológiával egyszerre szolgál kommunikációra és a tápfeszültség továbbítására mindezeket gyújtószikramentes kivitelben.

15. ábra: Profibus PA csatlakoztatása DP hálózathoz

Miskolc, 2015

23

Jakubinyi Máté


PROFIBUS PA-s hálózatot kétféleképpen csatlakoztathatunk PROFIBUS DP-s hálózathoz. Az egyik lehetőség, hogy egyszerűen egy DP/PA Coupler alkalmazásával csatlakoztatjuk a PA-s hálózathoz. Ebben az esetben, úgymond „átörökíti” a PA-s hálózat alacsonyabb átviteli sebességét a DP-s hálózatra. A másik lehetőség, hogy egy IM 157 Interface Module és egy DP/PA Coupler összekapcsolásával, úgynevezett DP/PA Link egységet létrehozva valósítjuk meg az átjárót. Ekkor mind a DP, mind a PA hálózat megtartja saját átviteli sebességét. A két kivitelt, a fenti8 ábrák mutatják. [6] Az általam használt kommunikációs részegységek kialakítása a következő elemeket tartalmazza: o

Tápegység modul (POWER SUPPLY): PS 307 24V / 5A

o

SIMATIC DP Link IM 157

o

SIMATIC DP / PA Coupler

16. ábra: Kommunikációs részegységek

Miskolc, 2015

24

Jakubinyi Máté


5. A rendszer szoftver elemei Ahhoz, hogy a hardware elemek működőképesek legyenek először is software-esen identifikálni és konfigurálni kell őket, továbbá vezérlő software írása is szükséges. Ebben a fejezetben a rendszer software elemeit mutatom be.

5.1. PCS7 bemutatása Az AFKI-ban található Siemens fejlesztői rendszer egy PCS7 (Process Control System 7). A PCS7 rendszer a Siemens DCS (Distributed Control System) megoldása. A PCS a Process Control System, azaz folyamatirányító rendszer rövidítése. A PCS7 az alábbi Siemens által készített termékekből van összeállítva: o STEP7 o WinCC o PDM (Process Device Manager) o BATCH o Route Control A STEP7 biztosítja a PLC-k programozását, a WinCC a folyamatmegjelenítést, a PDM az intelligens terepi eszközök konfigurálását, a BATCH a recept alapú folyamatok irányítását, míg a Route Control a csőhálózatokban az anyagok szállítását a források és célok között. Szakdolgozatomban csak a STEP7 és a PDM software-ekkel foglalkozom. A PCS7 négy automatizálási szintet különböztet meg, melyek a következők: o Management szint o Operátori szint o Irányítási szint o Terepi szint Szakdolgozatomban csak az irányítási és a terepi szintbemutatásával foglalkozom. Aktualizálva az előző fejezetben taglaltakat, terepi szintnek számít, minden olyan eszköz, amelyen keresztül az egyes érzékelők, távadók vagy végrehajtó egységek kommunikálhatnak legyen az egy Remote IO vagy egy kommunikációs átjáró. Irányítási szintnek számít, minden olyan eszköz, mely szabályozási, vagy vezérlési feladatot lát el,

Miskolc, 2015

25

Jakubinyi Máté


vagyis a különböző PLC-k, és azzal egyenértékű eszközök, más névvel AS vagyis Automation Stationök.

17. ábra: PCS7 rendszerfelépítése [11] Az operátori szinten található a mérnöki állomás, vagy más néven Engineering Station, ahol is, ahogy az a nevéből is sejthető történik a rendszer 95%-ának konfigurálása a Simatic Manager segítségével. Itt kell elkészíteni a projektet, majd letölteni őket a megfelelő helyekre serverekre, PLC-kre, Egy rendszerben több mérnöki állomás is lehet, ezáltal több mérnök is együtt tud dolgozni a projekten. Ezen a szinten található az operátori állomás, vagy más néven az Operation Station, ami alapvetően két részből áll, a szerverből és a kliensből. A szerver feladata, hogy a PLC-kkel kommunikáljon és az adatokat, üzeneteket tárolja, a kliens feladata, hogy a szerver által összegyűjtött adatokat a felhasználó számára megjelenítse. Kisebb rendszerek esetén a szerver és a kliens egy gépen is lehet, ezt a konfigurációt Single Stationnek nevezzük. [6] [12] Ezen kívül fontos még megemlíteni a karbantartó állomást, vagy más néven Maintenance Station, ami olyan állomás, melyen keresztül az egyes eszközökről állapotinformációk kérhetők le, valamint, ha az eszközzel meghibásodás történt, akkor

Miskolc, 2015

26

Jakubinyi Máté


nyomon követhető vele a karbantartás folyamata a javítás igényélésétől a javítás elvégzéséig. [6] [12] A kommunikáció az egyes elemek között több szinten van megvalósítva, esetünkben azonban csak a legalsó terepi busz alkalmazott: Terminal bus: feladata, hogy az ES, OS/BATCH/Route Control szerverek és kliensek között a kommunikációs biztosítsa. A busz típusa Fast Ethernet, felépítése lehet vonal, gyűrű és redundáns gyűrű is. Process bus: feladata, hogy az ES, OS/BATCH/Route Control szerverek és az ASek közötti kommunikációs kapcsolatot biztosítsa. A busz típusa Industrial Ethernet, felépítése lehet vonal, gyűrű és redundáns gyűrű is. Terepi busz: feladata, hogy az AS és az AS-hez kapcsolt perifériák között biztosítsa a kapcsolatot. A busz típusa lehet PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus. A megbízhatóság növelése érdekében a buszok redundánssá tehetők. Busz átalakítók segítségével más busz is csatlakoztatható a rendszerhez. [6] [12] 5.1.1. Használt fejlesztői szoftverek A Simatic Manager a központi alkalmazása a PCS7-nek. Ezzel az applikációval van lehetőségünk projekteket létrehozni, azokat konfigurálni, fejleszteni, dokumentálni, illetve archiválni. Továbbá az egyes fejlesztői alkalmazások is innen hívódnak meg. A Simatic Managerből meghívott Hardware Config (HW Config) a hardver eszközök konfigurálására, paraméterezésére szolgál. Egy elektronikus katalógusból lehet kiválasztani a szükséges eszközöket. Amennyiben egy komponens nem található a katalógusban, a hozzá kiadott leírófile-t (*.gsd) utólagosan is hozzáadhatjuk a projekthez, vagy online frissítéssel, vagy manuálisan. Amennyiben az intelligens eszközünk, legyen az érzékelő, vagy beavatkozó szerv konfigurálást, paraméterezését, üzembe helyezését és karbantartását kívánjuk elvégezni, akkor a Simatic PDM-et, vagyis Process Device Managert kell használnk. A frekvenciaváltó parametrizálása bár történhet PLC programon keresztül is, de tartozik hozzá egy szoftver mellyel a könnyen konfigurálható. Ez tulajdonképpen kilistázza az összes olvasható és írható paramétert. Az alkalmazás neve Simatic Starter.

Miskolc, 2015

27

Jakubinyi Máté


5.2. Szoftveres realizáció Első lépésként identifikálnunk kell a Siemens Simatic 400-as állomásunkat, amit a következőképpen tehetünk meg. A Simatic Manager programot használva a létrehozott projektünkben beszúrunk egy új objektumot, mely esetünkben egy Simatic 400-as állomás (SIMATIC 400 Station), majd meghívjuk a HW Config programot, mely segítségével szoftveresen is realizálhatjuk a rendszerünket.

18. ábra: Simatic Manager A Hardware Config applikáció betöltése után lehetőségünk van a rendszerünk szoftveres megépítésére és parametrizálására.

19. ábra: A felhasznált S7-400 Először egy szerelősínre van szükségünk, ami illeszti és összeköti a modulokat. A 400-as család fix hosszúságú alumínium sínt alkalmaz, hátlapi busz kapcsolattal. Esetünkben a szerelősín UR2ALU típusú, ebbe a rack-be kerülnek bele a különböző modulok, akár csak hardveresen. Az első modulunk, mely két helyet foglal el a szerelősínből

Miskolc, 2015

28

Jakubinyi Máté


egy tápegység (PS 407 10A), mely a belső tápfeszültséget szolgáltatja. A harmadik slotban helyezkedik a CPU, vagyis a központi vezérlő egység. Ez tárolja és futtatja a felhasználói programot, címet rendel a modulokhoz, kézben tartja a kommunikációt. A rendszerben egy CPU 412-2 DP típusú található. Az utolsó használt slotban egy kommunikációs processzor (CP) található, egy CP 433-1 típusú, mely összeköti a simatic állomást az alhálozatokkal etherneten keresztül.

20. ábra: Hardware Config Az identifikációkor természetesen definiálnunk kell az eszközök címét, és létre kell hoznunk a hálózatokat, csak úgy mint ahogy az hardveresen is rendelkezésünkre áll. A kész HW Configot fordítás után le kell töltenünk az AS-be. Ezt követően a többi eszközt is el kell helyeznünk azon a hálózaton, ahol a valóságban is található.

21. ábra: A teljes rendszer Hardware Config-ja

Miskolc, 2015

29

Jakubinyi Máté


Végezetül illesztenünk kell az újonnan a rendszerhez csatolt szintérzékelőnket. A távadó Profibus DP hálózatra van fűzve. Ahhoz, hogy az ultrahangos eszközt DP-re illeszszük, tulajdonképpen a Multiranger illesztése szükséges.

22. ábra: Multiranger illesztése Ahhoz, hogy a rendszerünket be tudjuk üzemelni, 42 szónyi inputot és 13 szónyi outputot kell hozzáadni a rendszerhez az eszköz manuálja alapján.

23. ábra: Multiranger input és output rendelés A PLC és a Multiranger között a kommunikáció hand-shaking módszerrel történik (kézrázásos). A megírt példaprogramot a főprogram meghívja, és választott paraméter hexadecimális formába írható. Az ultrahangos szenzor értékét, a távolságot automatikusan elküldi.

24. ábra: A paraméterek kiolvasása A PLC alábbiakat határozza meg: o paraméter szám Miskolc, 2015

30

Jakubinyi Máté


o másodlagos index o tizedes jegy helye o formátum

5.3. A STEP7 programozása Ahhoz, hogy a rendszerünk működőképes legyen felhasználói program elkészítése szükséges. Ez a PLC-be töltött program minden olyan műveletet tartalmaz, ami a specifikus irányítástechnikai feladat végrehajtásához szükséges. A Siemens STEP7 programja lehetőséget biztosít arra, hogy programunk strukturált legyen, amivel a nagyobb programok áttekinthetőbbé válnak, a programszervezés egyszerűsödik, a szabványos többször felhasznált programrészeket könnyebb felhasználni, és könnyebb elvégezni az utólagos módosításokat is. A Siemens által használt programmodulokat az alábbi táblázat foglalja össze:

Programmodul

Rövid leírása

Szervezőmodul (OB)

A felhasználói program szerkezetét határozzák meg

Rendszer-FC-k

(SFC) Az SFB-k és SFC-k a CPU-ba beépített függvények és rend-

és rendszer FB-k (SFB) szerműveletek, illetve gyakran használt egyéb műveletek végrehajtására szolgálnak. Funkciómodul (FB)

A felhasználó által programozott program modulok, amelyeknél a paraméterek automatikusan adatterületet kapnak.

Függvények (FC)

A felhasználó által programozott program modulok, amelyek nem rendelkeznek a paramétereik számára automatikusan adatterülettel.

Instant-adatmodulok

A fejlesztőprogram minden FB-híváshoz Instant-DB-t ren-

(Instant-DB)

del, és azt automatikusan létre is hozza.

Adatmodulok (DB)

Adatok tárolására szolgáló területek a felhasználói tárban. Szemben az FB-khez rendelt Instant-adatmodulokkal ezek ún. globális adatterületek. 2. táblázat: STEP7 programmodulok [16]

Miskolc, 2015

31

Jakubinyi Máté


Az OB-k egyfajta csatoló felületek a PLC operációs rendszere és a felhasználó program között, melyeket mindig az operációs rendszer hív meg, az egyes események bekövetkeztekor. Ezeket az eseményeket megszakításoknak is hívják. Az megszakításfajták táblázatát a függelék tartalmazza. A felhasználó által írt programot az OB1 hívja meg, vagyis az a programmodul, ami a megszakítások kívüli időt tartalmazza. A modulhívások sorrendjét és egymásba foglalását hívási szerkezetnek, hívási hierarchiának nevezik. A következő ábrán egy példát láthatunk a hívási sorrendjére és annak mélységére egy feldolgozási cikluson belül.

25. ábra: A hívási sorrend [16] Az OB által meghívott felhasználói programok közé tartozik a függvény, ami végrehajtandó kódokat tartalmaz, különböző nyelveken, melyeket a későbbiekben részletezek. A függvények adat tárolásra nem alkalmasak, arra a DB-k (adatmodul) képesek. Az adatmodulok meghívásának példáját a következő ábra tartalmazza.

26. ábra: A DB-k meghívása [16] Miskolc, 2015

32

Jakubinyi Máté


Az SFB, vagyis rendszer funkció blokk olyan funkciómodul, amely a CPU operációs rendszerében található., és az operációs rendszer részét képezi. A VAT, vagyis változó tábla, a felhasználó által használt változókat tartalmazza. A programmodulokat a CPU S7 Program könyvtárában a blokkok alatt kell létrehozni, lásd következő ábra. A STEP7-ben háromféle nyelven tudunk programot írni, melyek a LAD, vagy más néven létradiagram, áramútterv, az STL, vagy más néven utasításlista, és a funkcióterv, vagyis az FBD. Ezen felül rendelkezésre állnak a Siemensnél a GRAPH7, HIGH-Graph, CFC és SCL nyelvek, de mivel ezeknek professzionális a felhasználása, így a normál STEP7-nek nem képezik részét. Szakdolgozatomban csak az alap három programozási nyelvet részletezem.

27. ábra: Programmodulok helye LAD - létradiagram: A létradiagram a korábbi relés vezérléseknél használt áramútterv alapján készült, így annak elemeit, mint például nyitóérintkezőket, záróérintkezőket, illetve működtetett kimeneteket hálózatokat használja.

28. ábra: LAD programnyelv

STL - utasításlista: Az utasításlista leginkább a gépi kódhoz hasonlít. Az egyes utasítások nagyrészt megfelelnek azon lépéseknek, melyeket a CPU végrehajt.

Miskolc, 2015

33

Jakubinyi Máté


29. ábra: STL programnyelv

FBD - funkcióterv: Az FBD a bool-algebrában megismert logikai szimbólumokkal történő ábrázolást használja. Természetesen komplex funkciók, mint például matematikai műveletek is rendelkeznek ebben a megjelenítési módban megfelelő szimbólumokkal. [16], [17]

30. ábra: FBD programnyelv [16]

5.3.1. A mintatechnológia programjai Az általam felhasznált és készített programmodulokat az alábbi ábra szemlélteti. Az OB-k a megszakítási modulok, melyből az OB1 tartalmazza a függvények meghívását. Az FC20, FC21, FC22, FC23, FC24 és FC25 a frekvenciaváltó működtetéséhez szükséges függvények melyek a gyártó honlapjáról szabadon letölthetők. Ezen FC-khez az alábbi adatmodulok tartoznak: DB20, DB21, DB22, DB23. Az FC1 a PLC és a HMI kapcsolatát biztosítja, az FC2 a szelepnyitásánál és zárásánál késlelteti a szivattyú elindulását, az FC5 pedig magáért a szelep vezérléséért felelős. Az FC3 az ultrahangos szintmérő vezérléséért felelős. Az OB82, OB85, OB86, OB88, OB121 és OB122 organizációs

Miskolc, 2015

34

Jakubinyi Máté


blokkok a megszakításokért felelnek. Az SFB52 és SFB53, illetve az SFC14 és SFC15 rendszer FC és FB, melyeket az operációs rendszer közvetlenül használ. A VAT1 és VAT2 a felhasznált változókat tartalmazza táblázatosan.

31. ábra: Az általam készített és felhasznált programmodulok

Miskolc, 2015

35

Jakubinyi Máté


6. A működő mintatechnológia A működő rendszer felső szintjén az AFKI Ipari Kommunikációs Kutató Oktató Laboratóriumában található Siemens S7-400-as PLC található, mely egy Profibus DP, és ET200 és egy DP/PA Coupler által létrehozott DP/PA Link segítségével Profibus PA kommunikációs csatornán csatlakozik a Kísérleti Műhelyben található T2000 mintatechnológia távadóihoz.

32. ábra: Az S7-400 és DP/PA Link

A két plexi cső által megvalósított modellberendezés egy ultrahangos szintmérővel lett kibővítve.

33. ábra: A T2000 mintatechnológia Az aktívvá tett, és kibővített rendszer alkalmas arra, hogy vízgyűjtő rendszer vezérlését modellezzük rajta.

Miskolc, 2015

36

Jakubinyi Máté


7. Energetikai és egyéb elemzés A komplett rendszert több szempontból is lehet vizsgálni, elemezni. Az általam választott szempontok: energetikai, gazdaságossági és környezetre gyakorolt hatása. Energetikai szempontból vizsgálva a rendszert több részre is ki kell térni. A rendszerbe energiát fektetünk bele, üzemeltetjük a szivattyút, a szelepeket és a vezérlést. Mindezek működéséhez nincs szükség nagy villamos energia felvételre, mert a szivatytyú és a szelepek csak akkor üzemelnek, amikor a vizet szállítani kell. Egy háztartási rendszernél minimálisan vannak használva a vízszállító egységek, az ipari felhasználásnál, már figyelembe kell venni a különböző eszközök teljesítményét, áramfelvételét és hatásfokát. Az állandó monitorozás és vezérléshez csekély áramfelvétel szükséges a szivattyúhoz viszonyítva. Fontos még megjegyezni, hogy a vezérlés látja el a teljes rendszer energiafelhasználás optimalizálását. Villamosenergia felvétel szempontjából a legfontosabb részegység az elektromos szivattyú, mely egy minőségi olasz gyártmány: Pedrollo PQ60.

34. ábra Szivattyú H-Q diagramja (pirossal jelölve) [13]

Miskolc, 2015

37

Jakubinyi Máté


A szivattyú teljesítménye 370 W, emelőmagassága 38-5 méter, feszültsége 400 V, szállítási teljesítménye 5-40 liter/perc (2,4 m3/óra), maximális szívómélysége 8 méter, maximális üzemi nyomása 6 bar. Az alaprendszer egy mintatechnológia, melyben kevés vizet forgat meg a szivattyú, viszont elbírna egy sokkal nagyobb rendszert is. A Pedrollo PQ 60 periférikus szivattyú elsősorban lakossági feladatok ellátására lett tervezve, de az ipari feladatok terén is kiválóan megállja a helyét. Locsolásra, házellátásra, öntözőrendszerek megtáplálására egyaránt alkalmas. Magas levegőtartalmú, gázos víz szivattyúzására nem alkalmas. Biztonsággal alkalmazható nyomásfokozásra is. Motorja rendkívül jó hatásfokkal rendelkezik.[14] A rendszer villamos energiamérlege negatív, mert csak energiát fektetünk bele. Ami viszont a komoly nyereség, hogy tisztított vizet nyerünk az „ingyen” eső által, ezzel megtakarítva a vezetékes víz bizonyos feladatokra (WC öblítés, kerti locsolás, autómosás,…) való felhasználását, aminek a következtében kiadásokat takaríthatunk meg. Így a rendszer energiamérlege, ha az árakat vesszük alapul és a vezetékes víz árához viszonyítunk, akár pozitívra is kijöhet. Figyelembe kell venni a rendszer bekerülési költségeit is. Otthoni rendszer esetén lassan megtérülő a folyamat, mert a beruházási költség elérheti a több százezres nagyságrendet is, így több évtized is eltelhet, mire teljesen megtérülne a befektetés. Ipari esetben már a megtérülés hamarabb is bekövetkezhet, főként a nagyobb felhasznált vízmennyiség miatt. A rendszer megbízhatósága magas szinten van, nincs benne emberi tényező az üzemeltetés folyamatában, az automatizáltan működő folyamat a megírt program által vezérelve ellátja a feladatát. Egyedüli kritikus helyzet akkor alakulhat ki, ha nincs áramellátás, bár ennek elhárítására szolgálnak a túlfolyók és elszivárogtatók, melyek a fölösleg biztonságos elhelyezéséről gondoskodnak. Alternatívaként még egy szolár rendszer akkumulátor teleppel összeegyeztetve szolgálhat, mely zöldenergiával látná el a rendszert.

Miskolc, 2015

38

Jakubinyi Máté


Környezeti kihatása is van a rendszernek. Csökkenti a Föld édesvíz készletének a felhasználását, ami jelen tendenciákkal egyre növekvő mértéket mutat és a közeljövőben egyre fontosabb kérdést is fog felvetni ez a téma. Komoly környezettudatos gondolkodásmódra utal, mely a környezeti felelősségvállalásból ered. A gyűjtött víz kezelésének a kérdése például problémákat vethet fel, bár erre is vannak környezetbarát megoldások és anyagok. Fontos elv, hogy minél kevesebb károsanyagot termeljünk, valamit minél több újrahasznosított és újrahasznosítható nyersanyagot alkalmazzunk. Elsődleges meghatározni, hogy mire fogjuk használni a tisztított vizet. A korszerű szűrés három fázisban történhet. Az első az egyszerű ülepítés, vagyis a nehéz anyagok kiülepítése. A második a szita jellegű szűrő, amely egyszerű mechanikai szűrést valósít meg, kiszűri a nagyobb szemcséket. A harmadik - ez már sok esetben túlbiztosítottnak tűnik, de mégis vannak példák a használatra - az aktív szénszűrés. Itt már biológiai és kémiai szűrés is végbemegy. Ebben az esetben már komolyabb felhasználás várható el, de akár mosogatáshoz, mosdáshoz is alkalmassá lehet tenni az esővizet.[15] Ahogy felfogjuk az esővizet, az az ereszeken és csatorna rendszeren keresztül a föld alá helyezett tartályba kerül. Azért van szükség két tartályra, mert az alacsonyabban lévőből átemeljük egy magasabban lévő tartályba, így megnő a víz helyzeti energiája, ami akár a locsoló rendszer használatakor a gravitáció hatására egyszerű felhasználást eredményez. Másik fontos szempont, a zajszennyezés mentes üzemeltetés. Éjszaka, mikor mindenki alszik, hangos hanghatás nélkül tudjuk üzemeltetni a rendszert, a szivattyú használata nélkül.

Házi vízgyűjtő rendszer PLC-vel vezérelt megtérülésének számítása: Megnevezés

Ár

Rack (sín, aktív hátlap)

24 650 Ft

S7-400 (komplett rendszer: PS, CPU, CP)

661 200 Ft

DP Link IM 153 (Kommunikációhoz szükséges moudul, ET200)

183 250 Ft

DP/PA Coupler (Kommunikációhoz szükséges modul)

344 500 Ft

PS 307 (Tápegység modul)

120 900 Ft

A felső szint összértékük: 1 334 500 Ft

Miskolc, 2015

39

Jakubinyi Máté


Az általam használt eszközök már nem kaphatóak a piacon, így listaárral nem tudtam számolni. Az árakat az Amazon és Ebay webáruházak alapján néztem, használt eszközökre. Ez a számítás így csak arra az esetre vonatkozik, ha valaki saját pénzéből valósítja meg a rendszert. Abban az esetben, ha valaki például pályázatból akar ilyen rendszert létrehozni, akkor viszont korszerűbb egységek listaáraival kell számolnia. Miskolc város bruttó víz- és csatornadíjai lakossági fogyasztói szegmensre[18]: Bruttó szolgáltatási díjak Víz

Szennyvíz

Összesen

316,38 Ft/m3

243,34 Ft/m3

559,72 Ft/m3

Hivatalosan egy átlagos család (4 főt vesznek alapul) napi vízfogyasztása 0,6 köbméter, ez havi szinten kb. 18 köbmétert jelent. Egy négyszemélyes családban az egy főre jutó napi vízfogyasztás mintegy 150 liter. Ebben benne van az ivásra, főzésre, tisztálkodásra, autómosásra, házon belüli és egy kis kert öntözésére használt víz mennyisége. A nem ivóvíz jellegű - vagyis csapadékvízzel, szürkevízzel kiváltható - vízfogyasztás ebből legkevesebb 75 liter/nap. Ez a négy fős család esetén napi 0,3 köbméter és havi 9 köbméter vízmennyiséget jelent. Figyelembe véve, hogy Magyarországon az éves csapadékmennyiség 500-900 mm, egy négyszemélyes családnak családi ház esetén 150 négyzetméter nagyságú tetőfelületről (ez 80-90 m2 hasznos alapterületű házat jelent) célszerű gyűjtenie az esővizet. Ehhez kb. 5 köbméteres tárolóra van szükség. Ha nem tudunk ennyi esővizet összegyűjteni, számolni kell azzal, hogy vezetékes vagy kútvízből kell pótolni a szükséges vízmennyiséget. [19]

Háztartási vízfogyasztás csapadékvízzel való kiváltásának aránya

50%

50%

Ivóvíz

Miskolc, 2015

Csapadékvíz

40

Jakubinyi Máté


Az alábbi táblázat egy 4 fős takarékos illetve figyelmetlen család havi vízfogyasztását mutatja tevékenységenként [19]: Tevékenység

Takarékos család

Figyelmetlen család

Főzés

600 liter

600 liter

Mosogatás

840 liter

1 200 liter

Kézmosás

1 800 liter

3 600 liter

Fogmosás

100 liter

1 900 liter

WC öblítés

1 800 liter

6 000 liter

Takarítás

600 liter

600 liter

Zuhanyzás /fürdés

6 000 liter

12 000 liter

Mosás

480 liter

900 liter

Szárítás

0 liter

1 200 liter

Csöpögő csap

0 liter

1 200 liter

Összesen

12 220 liter

29 200 liter

Az alábbi diagram egy figyelmetlen család tevékenységenkénti vízfogyasztását mutatja százalékos eloszlásban:

Figyelmetlen család tevékenységenkénti vízfogyasztása százalékos eloszlásban Főzés Mosogatás mosás SzárításCsöpögő csap 2% 4% 4% 3% 4% Kézmosás 12%

Fogmosás 7%

WC öblítés 21% Zuhanyzás /fürdés 41%

Takarítás 2% Főzés

Mosogatás

Kézmosás

Fogmosás

WC öblítés

Takarítás


mosás

Szárítás

Csöpögő csap

Miskolc, 2015

41

Jakubinyi Máté


Az alábbi diagram egy takarékos család tevékenységenkénti vízfogyasztását mutatja százalékos eloszlásban:

Takarékos család tevékenységenkénti vízfogyasztása százalékos eloszlásban Szárítás; 0,00%

Csöpögő csap; 0,00%

Főzés; 4,91% Mosogatás; 6,87%

mosás; 3,93%

Kézmosás; 14,73% WC öblítés; 14,73%

Fogmosás; 0,82% Zuhanyzás /fürdés; 49,10%

Takarítás; 4,91% Főzés

Mosogatás

Kézmosás

Fogmosás

WC öblítés

Takarítás


mosás

Szárítás

Csöpögő csap

A számításaim során havi 18 000 litert felhasználó 4 fős családdal számolok (18 m3), mely a takarékos és figyelmetlen család vízfogyasztása közé esik, így egy átlagnak tekinthető. További rendszerelemek beszerzési árai: Megnevezés

Ár

2db 5m3 –es vízgyűjtőtartály

2x 244 900Ft

Pedrollo PQ60 (Szivattyú)

29 700 Ft

Micromaster 420 (Frekvenciaváltó)

64 250 Ft

Multiranger 200 (Szintérzékelő)

201 500 Ft

Profibus DP/PA (Kábelezés)

30 000 Ft

Egyéb rendszerelemek összértéke: 815 250 Ft A teljes rendszer összértéke: 2 149 750 Ft

Miskolc, 2015

42

Jakubinyi Máté


A megtérülési számítást egész évben egyenletesen hulló esővel, a rendszert kielégítő csapadékmennyiséggel feltételeztem 50 %-os csapadékvíz felhasználással, mely a 18m3 vízfogyasztású családnál 9 m3 tisztított vizet jelent. Havi megtakarítás: 9 𝑚3 ∙ 559,72 𝐹𝑡⁄𝑚3 ≅ 5 037 𝐹𝑡 Megtakarítás éves szinten: 12 ℎó𝑛𝑎𝑝 ∙ 9 𝑚3 ∙ 559,72 𝐹𝑡⁄𝑚3 ≅ 60 450 𝐹𝑡 Beruházás megtérülése a felhasznált víz függvényében: 2 149 750 𝐹𝑡 ÷ 559,72 𝐹𝑡⁄𝑚3 ≅ 3841 𝑚3 Beruházás megtérülése 9 m3 havi szintű felhasználása esetén: 3841 𝑚3 ÷ 9 𝑚3 ⁄ℎó𝑛𝑎𝑝 ≅ 427 ℎó𝑛𝑎𝑝 A teljes rendszer megtérülése 427 hónap, vagyis egy kicsivel több mint 35 év. Ebből arra következtetek, hogy háztartási szinten nem kifizetődő PLC-vel vezérelni egy vízgyűjtő rendszert. A piac viszont számos más, sokkal kedvezőbb árfekvésű rendszereket is kínál a háztartási felhasználók számára.

Miskolc, 2015

43

Jakubinyi Máté


8. Továbbfejlesztési lehetőségek A rendszer továbbfejlesztése számos oldalról megközelíthető. Amennyiben otthoni felhasználásra használjuk a vízgyűjtő rendszerünket, akkor a szakdolgozatban vázolt folyamatirányítóval vezérelés nem túl költséghatékony, így a vezérlő cseréje ajánlott egy kisebb kompakt modellre, mely lehet kompakt PLC vagy mikrovezérlő is. Továbbá, az így egyszerűsített rendszerhez elegendő lenne analóg műszereket csatolni az intelligens érzékelők és aktuátorok helyett, mely szintén erősen csökkentené költségeket. Amennyiben a vízgyűjtő rendszerünk ipari felhasználásában gondolkozunk, úgy lehetőségünk nyílik a felső szintet redundánssá tenni, ezáltal fokozni a PLC-k által amúgy is magas biztonságot. Továbbá, ipari felhasználásnál érdemes azon is elgondolkodni, hogy amennyiben a vízgyűjtő emberi fogyasztásra alkalmas vizet tárol, érdemes a rendszer egyéb a víz minőségét ellenőrző szenzorokat telepíteni, ami lehet például PH vagy zavarosság mérő. Amennyiben a víz ugyan nem alkalmas emberi fogyasztásra, de szeretnénk azzá tenni, akkor szűrők telepítése lehetséges. A jelenleg használt szoftvert is érdemes tovább fejleszteni akkor is ha otthoni és akkor is ha ipari felhasználású a vízgyűjtőnk. A jelenlegi szoftver, csak a szintkapcsolók és a szintérzékelő jelei függvényében gyorsítja és lassítja a víz áramlását, illetve ki- és bekapcsolja azt. Célszerű lenne a szivattyút a hőmérséklet függvényében is működtetni például téli időszakban, amikor késleltetheti a jegesedést.

Miskolc, 2015

44

Jakubinyi Máté


9. Összegzés A szakdolgozatom keretében megvalósított projekt sikeresen lezárult. A kitűzött célt megvalósítottam. Irodalomkutatást végeztem a vízgyűjtő rendszerekről és azok felépítésével kapcsolatosan, megismerkedtem a munkám során használt ipari automatizálási eszközökkel, a vezérlést folyamatirányító rendszerrel valósítottam meg, mely során elsajátítottam a Siemens PLC-k programozásának alapjait.

A két plexi cső által megvalósított modellberendezés egy ultrahangos szintmérővel kibővítettem, ahogy azt a működő mintatechnológia fejezetben részleteztem. Szoftveresen installáltam, majd aktívvá tettem a kibővített rendszert, mely így alkalmassá vált, hogy a vízgyűjtő rendszer vezérlését modellezzem rajta. Ezt követően több szempontból vizsgáltam a létrehozott rendszert. Számításokat végeztem a megtérülésével kapcsolatban, melyből következtetésként arra jutottam, hogy háztartási szinten lassan megtérülő folyamat, így kedvezőtlen beruházás egy PLCvel vezérelt vízgyűjtő berendezés. Majd felvázoltam a saját elképzelésem szerinti továbbfejlesztésnek a lehetőségeit, melyek a teljes rendszer hardveres és szoftveres bővítéseire kitérnek.

Miskolc, 2015

45

Jakubinyi Máté


10. Köszönetnyílvánítás Ezúton szeretném megköszönni szakdolgozatom elkészítése során nyújtott segítségét, állandó tanácsait és építő jellegű kritikáit tervezésvezetőmnek, Bölkény Ildikónak és a Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet, Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály további dolgozóinak. A munkám során jelentkező rengeteg szakmai kérdésben segítségemre voltak még az Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszék munkatársai, közülük kiemelném Dr. Bencs Péter segítőkészségét. A szakdolgozatom készítése során rengeteg tanácsot, hibáim kijavítását és a laikusok megdöbbentő szakmai kérdéseit, amelyek alapján a dolgozatom állandóan átdolgoztam, hogy egyszerűbb, közérthetőbb és szakmai szempontok alapján mégis megfelelő munkát készíthessek, a családomnak és tankörtársaimnak köszönhetem.

Miskolc, 2015

46

Jakubinyi Máté


11. Irodalomjegyzék [1]

Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet weboldala: http://www.afki.hu letöltési idő 2015.11.16.

[2]

Arkhimédészi csavar: https://hu.wikipedia.org/wiki/Arkhimédészi_csavar Letöltési idő 2015.11.15.

[3]

Amatőr programozói oldal: http://szirty.uw.hu/Letöltési idő 2015. 11. 16.

[4]

Dr. Ajtonyi István, Dr. Gyuricza István: Programozható irányítóberendezések, hálózatok és rendszerek (Műszaki Kiadó, Budapest)

[5]

Németh Zoltán: Siemens PLC-k alkalmazástechnikája és programozása, Budapest, 2013

[6]

Balogh Zoltán, Bölkény Ildikó: SIEMENS terepi eszközök, Miskolc, 2013

[7]

Hans Berger – Automating with SIMATIC, München, 2000 (ISBN 3-89578133-9)

[8]

Kontakt-R Kft. weboldala: http://www.esovizgyujtes.hu/Esovizgyujtorendszerek letöltési idő 2015.11.18.

[9]

ÖkoTech Home Kft. weboldala: http://www.ciszterna.hu/ letöltési idő 2015.11.18.

[10]

Dr. Clement Adrienne, Dr. Szilágyi Ferenc: Környezeti monitoring, Budapest, 2011

[11]

Siemens hivatalos weboldala: http://www.siemens.com/ letöltési idő 2015.11.18.

[12]

Siemens: PCS7, Configuration Manula Engineering System

[13]

Pedrollo elektromos szivattyúk technikai manualja

[14]

Pedrollo PQ 60 szivattyú ismertetése: http://www.szivattyu-shop.hu/ Letöltési idő 2015.11.22.

[15]

Esővíz hasznosításáról: http://tudatosvasarlo.hu/cikk/hogyanhasznositsuk-esovizet Letöltési idő 2015.11.22.

[16]

Siemens – SIMATIC, A STEP7 programozás alapjai, segédlet

[17]

Siemens – SIMATIC, A STEP7 programozás alapjai, STL (utasításlista)

[18]

Víz- és szennyvíz díjak, MiVíz: http://www.miviz.hu/viz-es-csatornadijak Letöltési idő: 2015.11.25.

[19]

Víz a háztartásban: http://www.penzugyiterkep.hu/sporolasi-tippek/minden-ami-viz-a-haztartasban Letöltési idő: 2015.11.25.

Miskolc, 2015

47

Jakubinyi Máté


F1. Függelék F1.1 MultiRanger 200-hoz szükséges dokumentáció Elem

RS-232 Csatlakozó

Tápellátás 230V

SmartLinx Csatlakozó

Smartlinx Kártya Terminálok

RS-485 Csatlakozó 35. ábra: Multiranger 200 bekötése

36. ábra: PDM konfigurációs kábel

Miskolc, 2015

48

Jakubinyi Máté


F1.2. Micromaster frekvenciaváltóhoz szükséges dokumentáció

37. ábra: Micromaster konfigurálása automatikusan a reconfigure-ral

38. ábra: Micromaster konfigurálása

F1.3. Siemens STEP7 megszakításfajták Type of Interrupt

Organization Block

Priority Class (Default)

Main program scan

OB1

1

Time-of-day interrupts

OB10 to OB17

2

Time-delay interrupts

OB20-OB23

3-6

Miskolc, 2015

49

Jakubinyi Máté


Cyclic interrupts

OB30-OB38

7-15

Hardware interrupts

OB40-OB47

16-23

Multicomputing interrupt

OB60 Multicomputing

25

Redundancy errors

OB70 I/O Redundancy Error (only in H systems)

25

OB72 CPU Redundancy Error (only in H systems)

28

OB80 Time Error

25

OB81 Power Supply Error

(or 28 if the

OB82 Diagnostic Interrupt

asynchronous

OB83 Insert/Remove Module Interrupt

error OB

OB84 CPU Hardware Fault

exists in the

OB 85 Program Cycle Error

startup prog-

OB86 Rack Failure

ram)

Asynchronous errors

OB87 Communication Error Background cycle

OB90

29 1)

Startup

OB100 Restart

27

(Warm start)

27

OB101 Hot Restart

27

OB102 Cold Restart Synchronous errors

OB121 Programming Error

Priority of the

OB122 Access Error

OB that caused the error

Miskolc, 2015

50

VÍZGYŰJTŐ RENDSZER VEZÉRLÉSE FOLYAMATIRÁNYÍTÓ RENDSZERREL

Recommend Documents