جدول ۴-۲- قالب بسته های اطلاعاتی در پروتکل Modbus RTU [41]
با توجه به اینکه در پروتکل Modbus هر کاراکتر در زمانی مشخص ارسال می شود تاخیر در هنگام شروع و پایان هر پیام با تعداد کاراکتر بیان می گردد که در این پروتکل به اندازه ۳٫۵ کاراکتر می باشد.اولین پارامتری که ارسال می شود آدرس دستگاه به طول ۸ بیت است که مقدار عددی آن بین ۰ تا ۲۵۵ است .پارامتر بعدی تابع^[۹۵] به طول ۸ بیت است که نوع عملیات مانند خواندن و یا نوشتن را تعیین می نماید.پارامتر بعدی اطلاعات^[۹۶] اصلی می باشد که شامل آدرس پارامتر و مقدار عددی که باید در آن ذخیره شود می باشد که بسته به نوع پارامتر و تنوع طول آن به صورت ضریبی از ۸ بیت است .پارامتر بعدی پارامترChecksum یا CRC ^[۹۷]می باشد که صحت دریافت داده ارسالی یا دریافتی را کنترل می نماید و طول آن ۱۶ بیت است بعد از ارسال CRC وقفه ای به اندازه ۳٫۵ کاراکتر اعمال می گردد که به معنی پایان پیام است .ارتباط در پروتکل ModBus به صورت Master و Slave برقرار می گردد.جهت ارتباط سیستم SCADA با RTU هایی که از پروتکل Modbus پشتیبانی می نمایند ابتدا یک درخواست در قالب گفته شده در بالا توسط نرم افزار SCADA که در اینجا نقش Master را دارد ارسال می گردد و با توجه به درخواست ارسالی دستگاه RTU که آدرس آن فراخوانی شده است به عنوان Slave پاسخ را ارسال می نماید .در ادامه یک نمونه از درخواست و پاسخ آن در پروتکل Modbus ارائه شده است [۴۱] .
جدول ۴-۳-ارسال یک درخواست از Master
همانطور که در جدول ۳-۴ مشاهده می گردد با دریافت در خواست از Master دستگاه RTU که آدرس آن با آدرس درخواست شده مطابق است اطلاعات درخواست شده را ارسال می نماید در فیلد اول آدرس Slave به صورت یک داده ۸ بیتی در فیلد دوم کد تابع به صورت یک داده ۸ بیتی در فیلد سوم تعداد بایت های ارسالی به صورت یک داده ۸ بیتی و در مراحل بعد داده های منناظر با Register های فراخوانی شده به صورت داده های ۱۶ بیتی به ترتیب ارسال می گردد و در انتها داده ۱۶ بیتی CRC 16 ارسال می گردد.نکته قابل توجه در ارتباط Modbus این است که سیستم انتقال اطلاعات ۸ بیتی است و داده هایی که دارای ارزش ۲ بایت به صورت MSB ^[۹۸] و LSB ^[۹۹] ارسال می گردد.به طور مثال اگر عدد ۴۵۴۳۲ را در نظر بگیریم مقدار متناظر باینری آن برابر است با ۱۰۱۱۰۰۰۱۰۱۱۱۱۰۰۰ ۸ بیت اول از سمت چپ MSB=10110001 و ۸ بیت بعدی LSB=01111000 خواهد بود که به ترتیب ارسال شده و داده ها در حافظه داخلی RTU به صورت Hexadecimal ذخیره می گردد.
همانطور که در قسمت قبل به آن اشاره شده برای اطمینان یافتن از صحت ارسال اطلاعات از CRC استفاده می شود ودر هنگام ارسال یک بسته اطلاعاتی^[۱۰۰] دستگاهی که اقدام به ارسال اطلاعات می نماید بر مبنای اطلاعات ارسالی و الگوریتم CRC16 مقدار این داده ۱۶ بیتی را محاسبه کرده و همراه سایر اطلاعات به مقصد ارسال می نماید در مقصد دستگاه گیرنده اطلاعات بر مبنای داده های دریافتی مجددا CRC را محاسبه می نماید و با CRC دریافتی مطابقت می دهد اگر این دو مقدار با هم مساوی باشند به معنی دریافت اطلاعات به طور صحیح می باشد و سپس داده های دریافتی در دستگاه گیرنده ذخیره می گردد.عدم رسیدن اطلاعات به طور صحیح ممکن است به علت نویز^[۱۰۱] و تداخل و یا مشکل در مسیر ارتباطی باشد که با بهره گرفتن از این روش تنها دادهای صحیح توسط سیستم مقصد مورد پذیرش قرار می گیرد[۴۲].

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۴-۴-۵-نصب تجهیزات جهت انجام فرایند آزمایشی
بعد از انتخاب تجهیزات مورد نیاز جهت انجام فرایند مدیریت مصرف انرژی باید این تجهیزات با متغیر های موثر در مصرف انرژی مرتبط شود.سیستم طراحی شده جهت مدیریت فرایند باید بتواند تغییرات پارامتر های موثر در مصرف انرژی را اندازه گیری کرده و به نرم افزار SCADA منتقل نماید .همچنین این سیستم باید بتواند فرمانهای کنترلی ارسالی از نرم افزار را در سیستم اعمال نماید . متغیر های مربوط به دما و مصرف انرژی توسط RTU ها اندازه گیری می شود و به نرم افزار SCADA انتقال می یابد و سپس نرم افزار SCADA با توجه به داد ه های دریافتی و الگوریتم کنترلی میزان خروجی توان را محاسبه نموده و به سیستم اعمال می نماید با در نظر گرفتن موارد بالا دیاگرام سیستم نصب شده جهت مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی مطابق شکل صفحه بعد می باشد و در ادامه به تشریح قسمت های مختلف سیستم می پردازیم .
شکل ۴-۵-دیاگرام سیستم طراحی شده جهت مدیریت مصرف انرژی در کوره های الکتریکی
لیست تجهیزات به کار رفته در فرایند مطابق جدول ۴-۵- می باشد .
جدول ۴-۵-لیست تجهیزات استفاده شده در فرایند آزمایشی مدیریت مصرف انرژی
Furnace کوره الکتریکی استوانه ای با توان ۵۱۰۰ وات و درجه حرارت کارکرد ۶۵۰ درجه
Mass جرم فولادی به وزن ۳۴۰۰ گرم
AT ^[۱۰۲] دمای اتمسفر داخل کوره می باشد به وسیله ترمومتر اندازه گیری می شود و از طریق شبکه RS484 و پروتکل Modbus به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
MT^[103] دمای قطعه داخل کوره می باشد که به وسیله ترمومتر اندازه گیری می شود واز طریق شبکه RS484 و پروتکل Modbus به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
UBT ^[۱۰۴] دمای بدنه خارجی کوره می باشد که به وسیله ترمومتر اندازه گیری می شود واز طریق شبکه RS484 و پروتکل Modbus به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
ENT ^[۱۰۵] دمای محیطی که فرایند در آن انجام می شود که به وسیله ترمومتر اندازه گیری می شود واز طریق شبکه RS484 و پروتکل Modbus به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
Energy Analyser آنالایزر انرژی که پارامترهای مربوط به مصرف انرژی مانند شدت جریان ، ولتاژ ، توان لحظه ای ، و انرژی مصرفی کل را اندازه گیری می نماید واز طریق شبکهRS484 و پروتکل Modbus به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
DAC^[106] مبدل دیجتال به آنالوگ مبدل فرمان کنترلی را از طریق شبکه RS485 و پروتکل Modbus از نرم افزار SCADA دریافت می نماید و با توجه به اطلاعات در یافتی یک سیگنال آنالوگ در خروجی جهت سیستم کنترل توان SCR اعمال می نماید. مبدل دیجیتال به آنالوگ استفاده شده در این پروژه دارای دقتی برابر با ۱۲ بیت می باشدو رنج ولتاژ آن بین ۱۰- و۱۰+ولت می باشد مقدار متناظر با ۱۰- ولت عدد ۰ و مقدار متناظر با ۱۰+ عدد ۴۰۹۵ است از انجا که ولتاژ کنترلی مورد نیاز برای فرایند آزمایشی در بازه ۱۰-۰ ولت است بنابراین رنج تغییرات عددی در رجیستر DAC بین ۲۰۴۸ تا ۴۰۹۵ خواهد بود.
SCR^[107] جهت کنترل مقدار توان اعمال شده در هر لحظه از یک سیستم کنترل توان تریستوری SCR که توسط اینجانب بر پایه میکروکنترلر های AVR طراحی شده است استفاده شد این سیستم و لتاژ آنالوگ در بازه ۰-۱۰ ولت را از مبدل دیجیتال به آنالوگDAC در یافت می کند و با تعییر زاویه آتش تریستورها مقدار ولتاژ در دوسر المنت و در نتیجه توان اعمال شده به سیستم را در بازه صفر تا حداکثر توان تغییر می دهد.مبدل آنالوگ به دیجیتال میکروکنترولرATMEGA 8 دارای دقت ۱۰ بیت می باشد و بازه عددی متناظر با آن بین ۰ تا ۱۰۲۳ می باشد.سرعت CLOCKمیکروکنترولر استفاده شده در این پروژه ۸مگاهرتز می باشد.
PT100 برای مونیتورینگ پارامتر دما در کوره از ۴ عدد حسگر دمای PT100 برای مونیتورینگ دمای فضای داخلی کوره (AT) ودمای نمونه داخل کوره(MT) ، دمای جداره بیرونی (UBT)و دمای محیط کاری ( ENT) استفاده شده است .
CT^[108] برای اندازه گیری شدت جریان لحظه ای از یک ترانس جریان استفاده شده است این ترانس در مسیر منبع تغذیه ا لمنت ها قرار می گیرد و آنالایز انرژی به وسیله آن می تواند مقدار شدت جریان موثر را اندازه گیری و بر مبنای آن سایر پارامترهای مرتبط با مصرف انرژی را محاسبه نماید
RS485-RS232 CONVERTER مبدل سریال ^[۱۰۹] این مبدل استاندارد ارتباطی RS485 را به RS232 تبدیل می نماید .
SCADA COMPUTER کامپیوتری است که سیستم نرم افزار ی SCADA بر روی آن نصب می شود و عمل پایش و کنترل فرایند را انجام می دهد در این پروژه با توجه به قابلیت های نرم افزار SpecView از این نرم افزار جهت کنترل فر آیند استفاده شد و بر روی یک عدد لپ تاپ که دارای پورت سریال می باشد نصب گردید .
بعداز انتخاب تجهیزات مورد نیاز که شرح آن داده شد مطابق با شکل ۴-۸- این تجهیزات جهت انجام آزمایش نصب گردید .
شکل ۴-۶- تصویر تجهیزات نصب شده جهت فرایند مدیریت مصرف انرژی
هماانطور که در شکل فوق مشاهده می گردد به ترتیب از سمت راست سیستم کنترل توان SCR و کوره آزمایشگاهی و تابلوی حاوی RTU ها و کامپیوتر SCADA که از طریق مبدل سریال به RTU ها متصل است مشاهده می گردد.
۴-۴-۶-نصب RTU ها در نرم افزار SCADA
در این بعد از اتمام نصب فیزیکی تجهیزات ، جهت پایش پارامترها و اعمال روش های کنترلی از طریق نرم افزار SCADA باید تجهیزات به صورت نرم افزاری هم نصب گردد .معمولا در نرم افزار های SCADA همیشه تعدادی راهبر ^[۱۱۰] جهت ایجاد ارتباط بین RTU ها و سیستم نرم افزاری در نظر گرفته می شود با توجه به اینکه پروتکل ارتباطی مورد استفاده در این تحقیق Modbus می باشد.راهبر نرم افزاری به عنوان یک Master عمل می کند و در خواست هایی را برای خواندن پارامتر مورد نظر به RTU های مختلف بر اساس آدرس آنها ارسال می نماید .در نرم افزار SpecView راهبر RTU های مورد استفاده در تحقیق از قبل وجود دارد و برای نصب نرم افزاری RTU ها و اضافه کردن راهبر کافی است در حین نصب آدرس سخت افزاری و پارامترهای ارتباط سریال^[۱۱۱] مشخص گردد .در صورتیکه که راهبر یک RTU در نرم افزار SCADA وجود نداشته باشد باید برنامه راهبر مختص به آن RTU تهیه شود.
بعد از نصب راهبر ها در نرم افزار SCADA می توان به اطلاعات ارسال شده توسط RTU ها دسترسی پیدا کرد و از این اطلاعات در ثبت و پایش پارامتر های موثر در فرایند و یا اعمال فرامین کنترلی استفاده نمود .شکل زیر روش نصب RTU ها در نرم افزار SpecView را نمایش می دهد .
شکل ۴-۷-نصب RTU ها در نرم افزار SpecView
همراه با نصب RTU ها می توان از اطلاعات ارسالی آنها به سیستم SCADA در رسم نمودار ها و ایجاد گزارشات جهت تحلیل و بررسی فرایند مدیریت مصرف انرژی استفاده شود .
۴-۳-۷-بررسی عملکرد سیستم کنترل توان
قبل از شروع آزمایشهای مربوط به تحقیق بایدعملکرد سیستم کنترل توان SCR مورد بررسی قرار گیرد .سیستم کنترل توان استفاده شده در این تحقیق از نوع خطی ^[۱۱۲] می باشد بدین معنی که با اعمال ولتاژ آنالوگ ۰ تا ۱۰ ولت مقدار توان سیستم با نسبتی که به حالت نزدیک به خطی تغییر می نماید .چون یکی از اهداف ما در مدیریت مصرف انرژی کم کردن مقدار Demand یا اوج بار مصرفی می باشد و به دلیل اینکه کنترل توان خروجی توسط سیستم SCADA به واسطه مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC صورت می گیرد خطی بودن این نسبت این مزیت را دارد که بتوان از طریق سیستم نرم افزاری SCADA یک کنترل مستقیم بر روی مقدار توان خروجی اعمال نمود.نسبت توان خروجی سیستم و ولتاژ کنترلی آنالوگ مطابق نمودار زیر می باشد که به حالت خطی بسیار نزدیک است .
شکل ۴-۸- رابطه بین مقدار DAC و توان خروجی در فرایند مورد آزمایش
۴-۴-آزمایش اول: بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترل ON/OFF
۴-۴-۱-طراحی نرم افزار جهت انجام آزمایش اول
معمولا در فرایند های صنعتی جهت کنترل روند افزایش دما و نگهداری آن یک منحنی دما بر حسب زمان در نظر گرفته می شود و عمل گرمایش بر طبق این منحنی صورت می گیرد جهت انجام فرایند آزمایشی موضوع این تحقیق یک سیکل گرمایشی تعریف می شود که مطابق با شکل ۴-۹- می باشد .
شکل ۴-۹-نمودار فرایند حرارتی آزمایشی
در این فرایند در مرحله اول دما در مدت زمان ۲ ساعت از ۴۰ به ۳۰۰درجه سانتی گراد می رسد.وسپس در دمای ۳۰۰ درجه به مدت ۱ ساعت توقف می نماید سپس دما در مدت زمان ۲ ساعت به ۶۰۰ درجه سانتی گراد می رسد و بعد از آن به مدت ۱ ساعت در این دما توقف می نماید.هدف از انجام آزمایشات در این قسمت مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی در طول این سیکل گرمایشی می باشد این سیکل گرمایشی انتخابی است و در صورت لزوم می توان منحنی های متفاوتی را تعریف نمود .
جهت انجام این فرایند باید یک پروگرامر در سیستم نرم افزاری SCADA طراحی شود تا نرم افزار امکان کنترل فرایند بر اساس منحنی تعریف شده را داشته باشد .در فرایند آزمایشی از یک پروگرامر ۳۰ مرحله ای در محیط نرم افزار SpecViewکه توسط اینجانب جهت یک پروژه عملیات حرارتی طراحی شده است استفاده شد که صفحه نمایش آن مطابق شکل ۷ می باشد.در این پروگرامر که به وسیله Strategy Controller در محیط نرم افزار SpecView طراحی شده مقادیر دما و روند افزایش و یا کاهش و نگهداری دما به ترتیب در segment ها پروگرامر وارد می شود .پروگرامر ابتدا مقدار شیب گرمایش را برای هر مرحله به طور جداگانه محاسبه می نماید در شروع مرحله اول با قراردادن شیب مرحله اول در حافظه در هر ثانیه مقدار Setpoint را افزایش می دهد بعداز پایان هر مرحله با توجه به شیب گرمایش جدید شیب گرمایش قبلی را جایگزین می نماید.این پروگرامر در کنترل سیکل حرارتی دارای دقت ۱/۰ درجه سانتی گراد می باشد و در صورت نیاز برنامه آن جهت اجرای سیکل های بعدی قابل ذخیره سازی است .
شکل ۴-۱۰-پروگرامر طراحی شده در محیط نرم افزاری SpecView
در این فرایند حرارتی SETPOINT (SP) بر مبنای برنامه داده شده به تدریج افزایش پیدا می کندو به صورت مستمر دمای فرایند که در اینجا دمای اتمسفر داخل کوره یا AT است با آن مقایسه می شود .برای این منظور متغیری به نام ER تعریف می شود که برابر است با ER=SP-AT که مقدار اختلاف درجه حرارت واقعی از SETPOINT است مقدار ER مبنای طراحی الگوریتم برای کنترل دما می باشد
در این تحقیق جهت بررسی روند مصرف انرژی در روش کنترلیON/OFF در محیط Strategy Controller نرم افزار SpecView یک کنترولر بر مبنای الگوریتم زیر طراحی گردید .
ON Situation:
IF ER>2 THEN DAC=4095
OFF Situation :
IF ER=0 OR ER<0 THEN DAC=2048 (4-6) در این الگوریتم کنترلی با بیشتر شدن SP از AT به مقدار ۲ درجه سانتی گراد مقدار ۴۰۹۵ در حافظه DAC ذخیره شده و سیگنال کنترلی ۱۰ ولت به واحد کنترل توان SCR ارسال می گردد با اعمال این سیگنال کنترلی خروجی توان ۵۱۰۰ وات خواهد بود که البته ممکن است با توجه به نوسانات ولتاژ شبکه مقداری نوسان داشته باشد.با بالا رفتن درجه حرارت و صفر شدن مقدار خطا ER مقدار ۲۰۴۸ که متناظر با صفر ولت است درحافظه DAC ذخیره می شود و بعد از ارسال به واحد SCR مقدار توان خروجی برابر با صفر می گردد .