SYSTEM KOMUNIKACJI UKŁADU KONTROLNO-POMIAROWEGO W AUTONOMICZNYM APARACIE UDOJOWYM *

Transkrypt

1 I N Ż YNIERIA R OLNICZA A GRICULTURAL E NGINEERING 2012: Z. 2(137) T. 2 S ISSN Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej SYSTEM KOMUNIKACJI UKŁADU KONTROLNO-POMIAROWEGO W AUTONOMICZNYM APARACIE UDOJOWYM * Marcin Tomasik, Henryk Juszka, Stanisław Lis Katedra Energetyki i Automatyzacji Procesów Rolniczych, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Streszczenie. W pracy przedstawiono koncepcję systemu kontrolno-pomiarowego zastosowanego w autonomicznym aparacie udojowym (AAU). Głównym zadaniem tego systemu jest konwertowanie sygnałów pomiarowych pochodzących z różnego typu czujników i przetworników pomiarowych na standardy wejść sterownika PLC oraz realizacja komunikacji pomiędzy autonomicznym aparatem udojowym a czujnikami pomiarowymi i urządzeniami wykonawczymi. Zakres prac obejmował opracowanie koncepcji systemu pomiarowego, wykonanie elektronicznego koncentratora sygnałów pomiarowych i wykonawczych, weryfikację poprawności działania tego systemu na autonomicznym aparacie udojowym. Wykazała ona, że system zasilania czujników pomiarowych i elementów wykonawczych poprawnie realizuje swoje zadania oraz zapewnia odpowiednią dynamikę pomiaru, przesyłania oraz rejestracji sygnałów z AAU. Słowa kluczowe: aparat udojowy, system kontrolno-pomiarowy, koncentrator sygnałów Wstęp W pracach naukowych opisujących nowoczesne konstrukcje aparatów udojowych można zauważać rosnącą liczbę czujników pomiarowych, zastosowanych w tych urządzeniach odpowiedzialnych za zbieranie dużej ilości ważnych informacji [Jędruś, Lipiński 2008; Jędruś 2010; Szlachta 2006; Hovinen, Pyörälä 2011; Artmann 1997]. Cechą charakterystyczną działania autonomicznego aparatu udojowego (AAU) jest dojenie pojedynczej ćwiartki wymienia z jednoczesnym pomiarem wypływu mleka, na podstawie którego dopasowywane jest podciśnienie w komorze podstrzykowej tej ćwiartki. Ponadto dla uzyskania lepszego efektu sterowania, konieczne było odseparowanie podciśnienia roboczego w tej komorze od podciśnienia transportowego. Aby zrealizować * Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy N N

2 Marcin Tomasik, Henryk Juszka, Stanisław Lis powyższe założenie konieczne było zbudowanie nowej konstrukcji aparatu udojowego [Juszka i in. 2011c]. Urządzenie to zostało wyposażone w szereg różnych czujników, różniących się źródłami zasilania oraz sygnałami wyjściowymi [Juszka i in. 2011b]. Stąd zaistniała konieczność opracowania elektronicznego koncentratora sygnałów łączącego sterownik mikroprocesorowy PLC z autonomicznym aparatem udojowym. Jego zadaniem jest gromadzenie sygnałów pochodzących z autonomicznego aparatu udojowego i przesyłanie jednym przewodem do sterownika PLC oraz zasilanie sygnałem elektrycznym wszystkich czujników należących do AAU tak, aby uprościć do minimum podłączanie AAU do sterownika PLC i źródła zasilania. Celem pracy było opracowanie koncepcji systemu pomiarowego z układem przetwarzania i konwertowania sygnałów oraz wdrożenie w/w do systemu sterowania autonomicznym aparatem udojowym (AAU). Zakres prac obejmował: opracowanie układu zasilającego czujniki pomiarowe i elementy wykonawcze, opracowanie układu przetwarzającego sygnały z czujników pomiarowych na standardy wejść sterownika PLC, instalację systemu na modelu autonomicznego aparatu udojowego. Koncepcja systemu kontrolno-pomiarowego Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy opracowanego systemu komunikacji pomiędzy pojedynczą kolumną w autonomicznym aparacie udojowym, sterownikiem mikroprocesorowym PLC i komputerem z ekranem dotykowym stanowiących system SCA- DA (kontrola i akwizycja danych pomiarowych) [Juszka i in. 2011a; Juszka i in. 2011c]. Rys. 1. Fig. 1. Schemat blokowy systemu pomiarowego w AAU Block scheme of the measurement system in AAU Kompletny aparat udojowy składa się z czterech kolumn. Wszystkie czujniki pomiarowe wysyłają sygnał wyjściowy napięciowy, w zakresie 0 5 (VDC) (tab. 1). Jedynie czujnik mic+25 posiada sygnał wyjściowy prądowy w zakresie 4 20 (ma). Wszystkie wejścia 304

3 System komunikacji układu... sterownika PLC XC-101 Moeller są właśnie tego typu, wybrano taki wariant wejść sterownika PLC ze względu na odporność sygnału prądowego na zakłócenia w torach przesyłu sygnału [Juszka, Tomasik 2011]. Zastosowane czujniki podciśnienia wymagały dodatkowego układu filtrującego sygnały, który również został zbudowany w opracowywanym koncentratorze sygnałów. Tabela. 1. Specyfikacja czujników pomiarowych Table 1. Specification of the measurement sensors Wielkość fizyczna Ciśnienie Poziom Poziom Zakres pomiarowy kpa mm mm Czujnik FUJIKURA XFPM 100kPGV Sensortechnic CLC100 Microsonic mic+25 Zasilanie 15 VDC 15VDC 24VDC Sygnał wyjściowy Analog 0,2 4,7 V lub Digital Analog 0,5 4,5 V lub Digital Analog 4 24 ma Sygnały pomiarowe kierowane są z AAU do sterownika PLC. Konwersja sygnału napięciowego została przeprowadzona za pomocą układów scalonych XTR 110 [Wojciechowski 2008]. Głównym zadaniem tego układu jest przetwarzanie sygnałów napięciowych na sygnały prądowe. Cechuje się on wysoką odpornością na zakłócenia sygnałów. Istnieje również możliwość przeskalowywania sygnałów napięciowych na sygnały napięciowe ale w innym zakresie. Rys. 2. Fig. 2. Schemat ideowy konwertera sygnałów Concept scheme of a signal converter Źródło: 305

4 Marcin Tomasik, Henryk Juszka, Stanisław Lis Parametry charakterystyczne tego układu są następujące: zamiana sygnału 0 (V) 5 (V) na 4 (ma) 20 (ma); rozdzielczość 14 bitów (max nieliniowość 0,005 (%)); regulacja offsetu 0-4 (ma); regulacja rozpiętości sygnału wejściowego 0-10 (V) [XTR ]. Schemat ideowy konwertera sygnałów przedstawiono na rys. 2. Rezystancje oporników R 1, R 2, R 3, R 4 pozwoliły na dopasowywanie wartości napięcia wejściowego na przetwornik XTR100. Standardowy sygnał wyjściowy w tym układzie to 4-20 (ma), jednakże po zastosowaniu rezystancji R L o wartości 250 (Ω) możliwy jest powrót do sygnału napięcia w zakresie 1-5 (VDC), natomiast opornik R L 500 (Ω) pozwala na uzyskanie napięcia 1-10 (VDC). Weryfikacja systemu kontrolno-pomiarowego AAU Na rys. 3a zamieszczono zdjęcie modelu kolumny AAU z widocznym czujnikiem poziomu CLC 100. Czujnik ten mierzy poziom mleka w jednej komorze. Druga komora wyposażona została w inny czujnik poziomu mic+25 (rys. 3b). Dwa różne czujniki wykorzystywano do porównania metod pomiaru poziomu. Celem badań było wskazanie odpowiedniego czujnika do pomiaru w warunkach rzeczywistych (w hali udojowej). Wzorzec stanowił przyklejony do obudowy noniusz suwmiarki z dokładnością do 0,1 (mm) a) b) Rys. 3. Fig. 3. Autonomiczny aparat udojowy: a) z czujnikiem poziomu CLC 100, b) z widocznymi czujnikami ciśnienia XFPM i czujnikiem poziomu mic+25 Autonomous milking machine: a) with a level sensor CLC 100, b) with visible pressure sensors XFPM and a level sensor mic

5 System komunikacji układu... Koncentrator sygnałów (rys. 4) posiada niezależne źródło zasilania odcinane widocznym przełącznikiem. Kolumna AAU wyposażona jest w cztery zawory zaciskowe zamontowane na przewodach doprowadzających podciśnienie i mleko do kolumny. Sygnały sterujące tymi zaworami również wychodzą z koncentratora. Koncentrator łączy się ze sterownikiem PLC przewodem typu CAT. Widok sterownika podłączonego do instalacji udojowej oraz do komputera z zaprogramowanym systemem gromadzącym dane (SCADA) przedstawiono na rysunku 5. Po uruchomieniu urządzeń sterownik PLC rozpoczyna wykonywanie programu, na ekranie monitora widoczna jest wizualizacja pracy AAU. Rysunek 6 przedstawia widok ekranu komputera w czasie pracy systemu sterującego. Widoczna jest aplikacja realizująca w czasie rzeczywistym wizualizację działania AAU. Kolorem czerwonym oznaczono zawory zamknięte, kolorem zielonym zawory otwarte. Ponadto widoczne jest procentowe napełnienie kolumny kolektora. Na kolejnym ekranie (rys. 7) widoczny jest realizowany program sterujący podczas pracy systemu. W aplikacji sterującej na komputerze, stanowiącym system nadrzędny dla PLC, można obserwować realizację w trybie online tego programu. Kolorem czarnym w programie zaznaczono sygnał logiczny 0 (false) dla poszczególnych zmiennych programu, a kolorem niebieskim oznaczono sygnał logiczny 1 (true). W tym przypadku realizowane jest sterowanie zaworami, widzimy które zawory są otwarte a które zamknięte. Rys. 4. Koncentrator sygnałów na kolumnie AAU Fig. 4. Signals concentrator on AAU column Rys. 5. Fig. 5. Stanowisko udojowe połączone z kolumną AAU, sterownikiem PLC i komputerem Milking stand connected with AAU column, PLC driver and a computer 307

6 Marcin Tomasik, Henryk Juszka, Stanisław Lis Rys. 6. Ekran przedstawiający komputerową wizualizację pracy AAU Fig. 6. Screen presenting a computer visualisation of AAU performance Rys. 7. Fig Ekran komputera z widocznym programem sterującym, realizowanym podczas pracy systemu A computer screen with visible control programme performed during operation of the system

7 System komunikacji układu... Podsumowanie Opracowany system komunikacji pomiędzy autonomicznym aparatem udojowym a sterownikiem PLC znacząco poprawił jakość przesyłanych sygnałów w tym systemie kontrolno pomiarowym, ponadto ułatwił szybkie łączenie autonomicznego aparatu udojowego z układem zasilania i sterującym. System zasilania czujników pomiarowych i elementów wykonawczych, który scalono w koncentratorze poprawnie realizuje swoje zadania. Opracowany układ pomiarowy jest w pełni kompatybilny z wejściami sterownika PLC, zapewnia odpowiednią dynamikę pomiaru, przesyłania oraz rejestracji sygnałów z AAU. Bibliografia Artmann R. (1997): Sensor system for milking robots. Comp. Electron. Agric. 17, Jędruś A., Lipiński M. (2008): Analiza funkcjonalna nowego aparatu udojowego. Inżynieria Rolnicza, 4(102), Jędruś A. (2010): Metodyka badań wybranych własności metrologicznych termoanemometrycznych indykatorów wypływu mleka z zastosowaniem techniki mikroprocesorowej. Inżynieria Rolnicza, 7(125), Juszka H., Tomasik M., Lis S. Haczyk G. (2011a): Automatyczne sterowanie autonomicznym aparatem udojowym. Inżynieria Rolnicza, 4(129), Juszka H., Tomasik M., Lis S., Bełtowski M. (2011b): Identyfikacja sygnałów kontrolnosterujących w autonomicznym aparacie udojowym. Problemy Inżynierii Rolniczej, 1(71), Juszka H., Tomasik M, Lis S., Bałys K. (2011c): Kolektor autonomicznego aparatu udojowego. Inżynieria Rolnicza, 4 (129), Juszka H., Tomasik M. (2011): Transmisja danych w układzie sterowania aparatem udojowym. Opracowanie monograficzne. Problemy intensyfikacji produkcji zwierzęcej z uwzględnieniem struktury obszarowej gospodarstw rodzinnych, ochrony środowiska i standardów UE, Warszawa, Juszka H., Tomasik M., Lis S. (2012): Wizualizacja sterowania zautomatyzowanym aparatem udojowym. Mat. Konf. Państwowego Instytutu Zootechniki. Perspektywy produkcji mleka i wołowiny w Polsce i na Świecie. Kraków, Hovinen M., Pyörälä S. (2011): Invited review: Udder health of dairy cows in automatic milking, J. Dairy Sci., 94, Szlachta J. (2006): Komputerowe systemy zarządzania stadem. Inżynieria Rolnicza, 6(77), Kraków, Wojciechowski M. J. (2008): Sygnały i systemy. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, ISBN XTR 110 [on-line](1993): Burr-Brown Corporation. Dostępny w Internecie: catalog.com/datasheets_pdf/x/t/r/1/xtr110.shtml 309

8 Marcin Tomasik, Henryk Juszka, Stanisław Lis THE COMMUNICATION SYSTEM OF THE CONTROL-MEASURING SYSTEM IN AN AUTONOMOUS MILKING UNIT Abstract. The work presents a concept of the control-measurement system in the autonomous milking unit (AAU). The main task of this system is converting measurement signals which come from different types of sensors and measurement converter into input standards of PLC driver and performance of communication between autonomous milking unit and measurement sensors and performing devices. The scope of work covered preparation of the measurement system concept, making an electronic concentrator of measurement and performance signals, verification of performance correctness of this system in an autonomous milking unit. It proved that the system of supplying measurement sensors and performance elements correctly carries out its tasks and ensures a proper dynamics of measurement, transfer and signals recording from AAU. Key words: milking unit, control-measurement system, signals concentrator. Adres do korespondencji: Marcin Tomasik Marcin.Tomasik@ur.krakow.pl Katedra Energetyki i Automatyzacji Procesów Rolniczych Uniwersytet Rolniczy w Krakowie ul. Balicka 116B Kraków 310