SYSTEM KOMUNIKACJI UKŁADUKONTROLNO-POMIAROWEGO W AUTONOMICZNYMAPARACIE UDOJOWYM*

(1)

I

N Ż Y N I E R I A

R

O L N I C Z A

A

G R I C U L T U R A L

E

N G I N E E R I N G

2012: Z. 2(137) T. 2

S

. 303-310

ISSN 1429-7264

Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej

http://www.ptir.org

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 zastoso- wanego w autonomicznym aparacie udojowym (AAU). Głównym zadaniem tego systemu jest konwertowanie sygnałów pomiarowych pochodzących z różnego typu czujników i przetwor- ników pomiarowych na standardy wejść sterownika PLC oraz realizacja komunikacji pomię- dzy autonomicznym aparatem udojowym a czujnikami pomiarowymi i urządzeniami wyko- nawczymi. Zakres prac obejmował opracowanie koncepcji systemu pomiarowego, wykonanie elektronicznego koncentratora sygnałów pomiarowych i wykonawczych, weryfikację po- prawności 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 urządze- niach 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 podci- śnienia roboczego w tej komorze od podciśnienia transportowego. Aby zrealizować

*

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2008-2012 jako projekt badawczy

(2)

powyższe założenie konieczne było zbudowanie nowej konstrukcji aparatu udojowego [Juszka i in. 2011c]. Urządzenie to zostało wyposażone w szereg różnych czujników, róż- niących się źródłami zasilania oraz sygnałami wyjściowymi [Juszka i in. 2011b]. Stąd za- istniała konieczność opracowania elektronicznego koncentratora sygnałów łączącego ste- rownik 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 ste- rownika PLC i źródła zasilania.

Celem pracy było opracowanie koncepcji systemu pomiarowego z układem przetwa- rzania i konwertowania sygnałów oraz wdrożenie w/w do systemu sterowania autonomicz- nym 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 mi- kroprocesorowym PLC i komputerem z ekranem dotykowym stanowiących system SCA- DA (kontrola i akwizycja danych pomiarowych) [Juszka i in. 2011a; Juszka i in. 2011c].

Źródło: opracowanie własne

Rys. 1. Schemat blokowy systemu pomiarowego w AAU

Fig. 1. Block scheme of the measurement system in AAU

Kompletny aparat udojowy składa się z czterech kolumn. Wszystkie czujniki pomiaro-

we 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

(3)

sterownika PLC XC-101 Moeller są właśnie tego typu, wybrano taki wariant wejść sterow- nika PLC ze względu na odporność sygnału prądowego na zakłócenia w torach przesyłu sygnału [Juszka, Tomasik 2011]. Zastosowane czujniki podciśnienia wymagały dodatko- wego 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

Zakres

pomiarowy Czujnik Zasilanie Sygnał

wyjściowy

Ciśnienie -100 ÷0 kPa FUJIKURA –

XFPM 100kPGV 15 VDC Analog 0,2 – 4,7 V lub Digital

Poziom 0 ÷ 100 mm Sensortechnic

CLC100 15VDC Analog 0,5 – 4,5 V

lub Digital

Poziom 0 ÷ 250 mm Microsonic

mic+25 24VDC Analog 4 – 24 mA

Sygnały pomiarowe kierowane są z AAU do sterownika PLC. Konwersja sygnału na- pięciowego została przeprowadzona za pomocą układów scalonych XTR 110 [Wojcie- chowski 2008]. Głównym zadaniem tego układu jest przetwarzanie sygnałów napięcio- wych na sygnały prądowe. Cechuje się on wysoką odpornością na zakłócenia sygnałów.

Istnieje również możliwość przeskalowywania sygnałów napięciowych na sygnały napię- ciowe ale w innym zakresie.

Rys. 2. Schemat ideowy kon- wertera sygnałów Fig. 2. Concept scheme of

a signal converter

(4)

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 110 1993].

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 po- wrót 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 po- ziomu CLC 100. Czujnik ten mierzy poziom mleka w jednej komorze. Druga komora wy- posażona została w inny czujnik poziomu – mic+25 (rys. 3b). Dwa różne czujniki wyko- rzystywano do porównania metod pomiaru poziomu. Celem badań było wskazanie odpowiedniego czujnika do pomiaru w warunkach rzeczywistych (w hali udojowej). Wzo- rzec stanowił przyklejony do obudowy noniusz suwmiarki z dokładnością do 0,1 (mm)

a) b)

Rys. 3. Autonomiczny aparat udojowy: a) z czujnikiem poziomu CLC 100, b) z widocznymi

czujnikami ciśnienia XFPM i czujnikiem poziomu mic+25

Fig. 3. Autonomous milking machine: a) with a level sensor CLC 100, b) with visible pressure

sensors XFPM and a level sensor mic+25

(5)

Koncentrator sygnałów (rys. 4) posiada niezależne źródło zasilania odcinane widocz- nym przełącznikiem. Kolumna AAU wyposażona jest w cztery zawory zaciskowe zamon- towane na przewodach doprowadzających podciśnienie i mleko do kolumny. Sygnały ste- rujące 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 zaprogra- mowanym systemem gromadzącym dane (SCADA) przedstawiono na rysunku 5. Po uru- chomieniu urządzeń sterownik PLC rozpoczyna wykonywanie programu, na ekranie mo- nitora 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 sy- gnał logiczny 0 (false) dla poszczególnych zmiennych programu, a kolorem niebieskim oznaczono sygnał logiczny 1 (true). W tym przypadku realizowane jest sterowanie zawo- rami, widzimy które zawory są otwarte a które zamknięte.

Rys. 4. Koncentrator sygnałów na

kolumnie AAU

Fig. 4. Signals concentrator on AAU column

Rys. 5. Stanowisko udojowe połączone z kolumną

AAU, sterownikiem PLC i komputerem Fig. 5. Milking stand connected with AAU column,

PLC driver and a computer

(6)

Rys. 7. Ekran komputera z widocznym programem sterującym, realizowanym podczas pracy

systemu

Fig. 7. A computer screen with visible control programme performed during operation of the system

Rys. 6. Ekran przedstawiający komputerową wizualizację pracy AAU

Fig. 6. Screen presenting a com-

puter visualisation of AAU

performance

(7)

Podsumowanie

Opracowany system komunikacji pomiędzy autonomicznym aparatem udojowym a ste- rownikiem PLC znacząco poprawił jakość przesyłanych sygnałów w tym systemie kontrol- no 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. Opra- cowany układ pomiarowy jest w pełni kompatybilny z wejściami sterownika PLC, zapew- nia odpowiednią dynamikę pomiaru, przesyłania oraz rejestracji sygnałów z AAU.

Bibliografia

Artmann R. (1997): Sensor system for milking robots. Comp. Electron. Agric. 17, 19-40.

Jędruś A., Lipiński M. (2008): Analiza funkcjonalna nowego aparatu udojowego. Inżynieria Rolni- cza, 4(102), 337-345.

Jędruś A. (2010): Metodyka badań wybranych własności metrologicznych termoanemometrycznych indykatorów wypływu mleka z zastosowaniem techniki mikroprocesorowej. Inżynieria Rolnicza, 7(125), 81-86.

Juszka H., Tomasik M., Lis S. Haczyk G. (2011a): Automatyczne sterowanie autonomicznym aparatem udojowym. Inżynieria Rolnicza, 4(129), 99-104.

Juszka H., Tomasik M., Lis S., Bełtowski M. (2011b): Identyfikacja sygnałów kontrolno- sterujących w autonomicznym aparacie udojowym. Problemy Inżynierii Rolniczej, 1(71), 87-94.

Juszka H., Tomasik M, Lis S., Bałys K. (2011c): Kolektor autonomicznego aparatu udojowego.

Inżynieria Rolnicza, 4 (129), 93-98.

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, 66-69.

Juszka H., Tomasik M., Lis S. (2012): Wizualizacja sterowania zautomatyzowanym aparatem udojowym. Mat. Konf. Państwowego Instytutu Zootechniki. Perspektywy produkcji mleka i wo- łowiny w Polsce i na Świecie. Kraków, 181-182.

Hovinen M., Pyörälä S. (2011): Invited review: Udder health of dairy cows in automatic milking, J.

Dairy Sci., 94, 547-562.

Szlachta J. (2006): Komputerowe systemy zarządzania stadem. Inżynieria Rolnicza, 6(77), Kraków, 17-33.

Wojciechowski M. J. (2008): Sygnały i systemy. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, ISBN 83-206-1684-2.

XTR 110 [on-line](1993): Burr-Brown Corporation. Dostępny w Internecie: http://www.datasheet

catalog.com/datasheets_pdf/X/T/R/1/XTR110.shtml

(8)

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 milk- ing 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 per- formance of communication between autonomous milking unit and measurement sensors and per- forming 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 email: Marcin.Tomasik@ur.krakow.pl Katedra Energetyki i Automatyzacji Procesów Rolniczych Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

ul. Balicka 116B

30-149 Kraków