automatizarea proceselor tehnologice damian

96
DAMIAN VALERIU COMAN GELU AUTOMATIZAREA PROCESELOR TEHNOLOGICE IFR-ANUL IV-IPMI

Upload: fgroapa

Post on 23-Jun-2015

3.931 views

Category:

Documents


24 download

TRANSCRIPT

Page 1: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

DAMIAN VALERIU COMAN GELU

AUTOMATIZAREA PROCESELOR

TEHNOLOGICE

IFR-ANUL IV-IPMI

Page 2: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

1

CAP.1. NOŢIUNI FUNDAMENTALE PRIVIND SISTEMELE

AUTOMATE

1.1. GENERALITĂŢI

Automatizarea proceselor tehnologice se realizează pe două căi indepen-dente care depind de caracterul producţiei şi de organizarea acesteia:

-cea a maşinilor automate şi a liniilor în flux automatizate;-cea a automatizării proceselor tehnologice, legată de automatizarea

controlului şi comenzii proceselor de producţie.În sistemele de automatizare complexă, aceste căi sunt legate organic.

Sistemele de automatizare tehnologică, diferite prin destinaţia lor, constau din elemente de automatizare omogene care îndeplinesc o anumită sarcină a auto-matizării (control, comandă, reglare etc).

Dezvoltarea automatizării moderne a dus la crearea unor sisteme de ele-mente unificate de control, de comandă şi reglare automată a unor procese tehno-logice complexe, astfel că se poate tipiza şi limita numărul tipurilor elementelor de automatizare.

Cauzele obiective care impun aplicarea automatizării în producţie sunt:-obiectivitatea controlului şi comenzii;-centralizarea comenzii grupelor de maşini şi agregate sau a unor întregi

sisteme de producţie, practic fără limitarea distanţei;-realizarea cu precizie a procesului de producţie prescris cu indici calitativi şi

cantitativi optimi;-comanda proceselor la orice viteză de desfăşurare a acestora şi pentru orice

valoare a parametrilor procesului;-siguranţa şi securitatea funcţionării agregatelor;-eficienţa economică ridicată, legată de creşterea productivităţii muncii, economia

de materie primă, de combustibil, de materiale, ridicarea calităţii şi micşorarea preţului de cost al producţiei, precum şi reducerea personalului de deservire.

1.2. NOŢIUNI FUNDAMENTALE PRIVIND SISTEMELE AUTOMATE

În structura unui sistem automat se disting două părţi importante:-instalaţia automatizată (IA), reprezentând instalaţia tehnologică sau sistemul

tehnic ce constituie obiectul unei funcţii de automatizare (comandă, control,reglare, protecţie sau optimizare), fig.1.1;

Page 3: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

2

Fig.1.1. Schema-bloc a instalaţiei automatizate.

Fig.1.2. Schema-bloc a unui sistem automat.

-dispozitiv de automatizare (DA) - care primeşte mărimea xe (vectorul mărimilor de ieşire) si uneori mărimea xp , iar prin mărimea xi se primesc informaţii asupra scopului conducerii automate a procesului tehnologic; DA stabileşte legea de variaţie a vectorului mărimilor de execuţie (xm) ; IA-instalaţia automatizată.

Dispozitivul de automatizare (DA), adică ansamblul aparatelor şi elementelor prin care se realizează funcţia de automatizare considerată. Un proces tehnologic dintr-o instalaţie tehnologică se caracterizează prin mai multe mărimi fizice: temperatură, presiune, viteză(turaţie),deplasare, debit, densitate etc. Aceste mărimi pot fi influenţate, după necesităţi, de alte mărimi, cărora li se impun legi de variaţie. Mărimile fizice din I A se clasifică astfel:

- mărimi fizice reprezentând variabile dependente, adică mărimi de ieşire (xe) ;

- mărimi fizice reprezentând variabile independente,adică:mărimi de execuţie (xm) prin care operatorul uman sau dispozitivul de automatizare influenţează în sens dorit, mărimile de ieşire şi marimi perturbatoare (xp), care influenţează mărimile de ieşire, dar nu depind de acţiunile de conducere din cadrul sistemului automat considerat.

Page 4: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3

Dacă se introduc vectorii mărimilor xe,xm şi xp, se poate scrie:

Schema-bloc a unui sistem automat este dată in fig.1.2.

1.3. CLASIFICAREA SISTEMELOR AUTOMATE

Această clasificare se face după funcţia de automatizare realizată de dispo-zitivul de automatizare (DA):

Fig. 1.3. Sistem de comanda automata.

-Sisteme de comandă automate (fig.1.3). In acest caz, DA se numeşte dispozitiv de comandă automată (D Cd A) şi

realizează o lege a mărimilor de ieşire (xe) fără a controla dacă s-au realizat efectiv variaţiile dorite pentru xe. In această categorie intră: sistemele combinaţionale de comandă (xi; şi xm au variaţii discontinue) şi sisteme secvenţiale de comandă.

- Sisteme de control automat (fig.1.4).Dispozitivul automat este numit dispozitiv de control automat (DCA) care

primeşte informaţii despre starea instalaţiei automatizate prin mărimile xe , xm

, xp şi care poate realiza următoarele funcţiuni; măsurarea (indicarea) mărimilor din IA, înregistrarea unora, contorizarea lor, semnalizarea abaterilor de la regimul normal de funcţionare, calculul unor indicatori sintetici (randament, consum specific etc), efectuarea periodică a unor bilanţuri de masă şi energie. Deci DCA realizează controlul stării IA, fără a acţiona asupra acesteia.

Page 5: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4

Fig.1.4. Sistem de control automat. Fig.1.5. Sistem de reglare automată.

-Sisteme de reglare automată (SRA)(fig.1.5).Dispozitivul de reglare automată (DRA) are, simultan, funcţiile de comandă

si de control.DRA primeşte valorile impuse pentru mărimile xe şi valorile reale ale acestora,

prin vectorii xi şi respectiv, xe şi după comparare stabileşte o comandă şi elaboreazămărimea xm în scopul asigurării legii de variatie pentru mărimile xe . Aceste sisteme automate sunt cele mai importante.-Sisteme de protecţie automată. Aceste sisteme au o structură asemătoare cu SRA, dar dispozitivul de automatizare este un dispozitiv de protecţie care primeşte mărimile xj, xe (valori limită) şi acţionează asupra / A, când limită admisibile au fost depăşite, oprind parţial sau total instalaţia.-Sisteme de optimizare automată (SOA).

Aceste sisteme acţionează asupra I A astfel încât să fie extremizat un indicator de performanţă privind desfăşurarea procesului din instalaţie (randament termic, consum specific etc). În componenţa acestor sisteme intrăechipamente complexe ce includ şi calculatoare de proces.

1.4. SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ ( SRA) Şl CLASIFICAREA

LOR

Schema-bloc tipică a SRA este prezentată în fig.1.6.

Fig.1.6. Schema-bloc a SRA: Ej- element de intrare (sau de referinţă);EC-

element de comparaţie; R- regulator; -EE - element de execuţie; Ir- traductor

de reacţie; IA - instalaţie automatizată.

Schema-bloc cuprinde următoarele mărimi:

φi- mărimea de acţionare a elementului de intrare (EI);

Page 6: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

5

xi- mărimea de intrare sau de referinţă;

xr- mărimea de reacţie;

xa

=xi – xr – mărimea de acţionare;

xc - mărimea de comandă;

xm - mărimea de execuţie;

xp - mărimea perturbatoare;

xe - mărimea de ieşire.Funcţionare

Se urmăreşte ca mărimea de ieşire (una sau mai multe), xe , să aibă o lege de variaţie dată, impusă prin xi, care poate fi modificată printr-o acţiune φi asupra elementului de intrare Ei . EC dă mărimea xa care este proporţională cu abaterea mărimii xi de la valoarea prescrisă (xep ), iar regulatorul R este dispozitivul tehnic care înlocuieşte funcţiile operatorului uman într-un proces de reglare manuală. EE preia mărimea xc şi dezvoltă la ieşire o putere suficient de mare pentru a da mărimii xm aceeaşi formă de variaţie ca a mărimii xc .

În concluzie, datorită mărimii xp , mărimea xe scade (sau creşte) faţa de valoarea prescrisă, scade corespunzător şi mărimea xr , creşte xa, iar R stabileşte xc

care aplicată IA prin EE, produce modificarea mărimii xe în sensul revenirii acesteia la valoarea prescrisă.

SRA este în circuit închis, iar legătura inversă se numeşte legătura de reacţie, prin care se controlează dacă obiectivul reglării este îndeplinit. Un asemenea SRA în circuit închis se mai numeşte şi buclă de reglare.

Clasificarea SRA

Clasificarea se poate face după mai multe criterii.I) După variaţia mărimii de intrare (xi):

- SRA de stabilitate automată (sau de stabilizare) care au rolul să menţinăconstantă, la o valoare prescrisă dată, mărimea x ; valoarea prescrisă se stabileşteîn funcţie de xi,- care se numeşte în acest caz mărime de referinţă (xi = ct), iar elementul de intrare, prin care se fixează xi, se numeşte dispozitiv de referinţă;

- SRA cu program în care mărimea xe variază după un program prestabilit, deci şi mărimea xe se va schimba după programul dat. În acest caz, elementul de intrare se numeşte dispozitiv de programare;

- SRA de urmărire în care mărimea xi variază după o lege oarecare, necunoscută dinainte. Rolul sistemului automat este de a face ca mărimea xe săurmărească variaţiile aleatoare ale mărimii xi. Din această categorie fac parteregulatoarele de raport şi servomecanismele; acestea din urmă au ca mărime de ieşire o deplasare şi pot fi utilizate ca elemente de execuţie sau sisteme automate de sine stătătoare.II) După numărul de mărimi de intrare / ieşire:

- SRA monovariabile (au regulator pentru fiecare mărime xc);- SRA multivariabile (au un singur regulator).

Page 7: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

6

III) După natura reprezentării informaţiei:- analogice, care utilizează echipament tradiţional;- numerice, care folosesc regulatoare numerice.

1.5. PROBLEMELE FUNDAMENTALE ALE S RA

În cazul SRA se formulează două tipuri de probleme:- de sinteză;- de analiză.În primul caz se dau IA şi indicatorii de performanţă ce trebuie realizaţi de

SRA şi se cer structura şi parametrii dispozitivului de automatizare; aceste dispozitive se aleg din cataloage de echipamente. În al doilea caz se dă SRA (ca structură şi proprietăţi, fără să existe fizic) şi se cere determinarea prin calcul a indicatorilor de performanţă în regim staţionar sau dinamic, iar în final se proiectează SRA.

În concluzie, elementele de intrare (El), traductoarele (Tr), elementele de execuţie (EE) şi aparatele de măsură şi semnalizare se aleg din cataloage, iar IA, EE şi Tr se pot include într-un ansamblu numit OBIECT REGLAT (OR) ce reprezintă, pentru etapele următoare, un element cunoscut al buclei de reglare (fig.1.7); se pune problema apoi a determinării parametrilor regulatorului, astfel încât la aplicarea semnalelor care excită SRA să se obţină indicatorii de performantă impuşi.

Fig.1.7. Schema-bloc a SRA.

În proiectarea dispozitivelor de automatizare a instalaţiilor tehnologice din industrie se utilizează, în mod curent, două categorii de echipamente: de uz general şi specializate.

Echipamentele de automatizare de uz general.

Acestea pot fi:- unificate, care cuprind un mare număr de elemente de automatizare,

proiectate să lucreze în interacţiune, astfel încât - prin combinarea elementelor dintr-un sistem unificat - să se realizeze o mare varietate de dispozitive de automatizare, pentru diferite ramuri industriale;

- neunificate, destinate realizării unor funcţii particulare de automatizare.

Page 8: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

7

Echipamentele specializate de automatizare.

Sunt elaborate sub formă de:- sisteme specializate ce cuprind un ansamblu de elemente care, lucrând în

interacţiune, permit realizarea unei varietăţi de scheme ce acoperă o mare parte din necesităţile din practica curentă a automatizărilor,

- sisteme cu utilizări individuale care preiau funcţii de automatizare, fără apermite interconexiuni variate cu alte aparate sau elemente de automatizare.

În ţară se produc mai multe sisteme unificate de automatizare, după cum urmează:

- sistemul unificat electronic, având ca semnai unificat curentul continuu de 4-20 mA; de exemplu SEROM, care are elementele tipizate realizate cu circuite integrate (cu interfaţă de conectare la mini şi microcalculatoare de proces);

- sistemul unificat electronic pentru automatizarea continuă a proceselor rapide, având ca semnal unificat tensiunea electrică, în limitele (-10 ... +10)V;

- sistemul unificat electronic pentru automatizarea discretă, ASILOG, care cuprinde un ansamblu de circuite logice, precum şi elemente de intrare - ieşire, elemente de semnalizare etc. El se utilizează pentru comenzi automate, reglări numerice etc;

- sisteme de comandă automată şi de reglare numerică cu circuite integrate logice TTL;

- sistemul unificat pneumatic, semnalul unificat fiind presiunea aerului instrumental, în limitele 20-100 kPa (0,2-1 bari).

În problemele de automatizare care nu reclamă exigente deosebite privind indicatorii de performanţă ai reglării, utilizarea echipamentului unificat nu este justificată economic. In aceste cazuri se utilizează echipamente de automatizare neunificate, pentru rezolvarea unor probleme relativ simple, la costuri mai mici.În problemele de automatizări complexe, la realizarea sistemelor numerice de reglare automată sau a sistemelor de optimizare automată, sistemele unificate nu mal pot constitui baza exclusivă de echipament de automatizare, utilizându-se în acest caz tehnica de calcul, care permite realizarea unor funcţii de conducere la nivel ierarhic superior echipamentului unificat (de exemplu, echipamentul de calcul ECAROM sau sistemul distribuit de conducere, cu structura multiprocesor, tip SDC - 2050).

Page 9: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

8

1.6. ELEMENTELE SRA

1.6.1 Traductoare

Traductoarele ca elemente de sesizare ce reacţionează la modificarea stării obiectului controlat se împart în trei grupe principale, după principiul general de funcţionare.Traductoarele mecanice

Acestea pot fi:- statice ( piezometrice, termomanometrice, dinamomanometrice);- dinamice (cu cădere variabilă de presiune, de nivel variabil, de scurgere,

centrifuge).Traductoarele piezomanometrice - măsoară nivelul lichidului după valoarea

presiunii sau a diferenţei de presiune.Traductoarele termomanometrice - (sau termometrele manometrice). Mă-

soară temperatura după variaţia presiunii substanţei cu care sunt umplute.Traductoarele dinamomanometrice - se utilizează la controlul forţelor, în

particular al greutăţii; ele constau dintr-o cameră închisă cu perete elastic supus la acţiunea factorului controlat, sub influenţa căruia se creează o presiune variabilă în interiorul traductorului.

Traductoarele cu cădere de presiune variabilă - servesc la determinarea consumului sau a vitezei gazelor, aburului sau lichidelor.

Traductoarele cu nivel variabil - se utilizează pentru măsurarea debituluilichidelor ce trec printr-un orificiu practicat în fundul vasului sau în peretele lateral.

Traductoarele cu scurgere - servesc pentru controlul densităţii sau al vâscozităţii lichidelor, când acestea se scurg prin orificii mici.

Traductoarele centrifuge - pot fi utilizate pentru controlul vitezei de rotaţie a unui arbore sau pentru măsurarea densităţii fluidelor.Traductoarele fizico - chimice

De absorbţie - utilizate la analiza gazelor şi se caracterizează prin absorbţia gazului de către un reactiv solid sau lichid, fapt care modifică volumul gazului şi proprietăţile acestuia sau ale reactivului (culoare, conductivitate electrică etc);

De ardere - care se utilizează ia analizoare de gaze sau la calorimetre pentru arderea totală sau parţială a gazului încercat, după cum se modifică volumul gazului, conţinutul sau proprietăţile acestuia;

Higrotermice - pentru controlul umidităţii gazului sau aburului şi se caracterizează prin transformarea umidităţii într-un efect termic;

Cu absorbţie de radiaţii - pentru stabilirea concentraţiei substanţei, dupăgradul de slăbire a intensităţii fluxului de energie radiantă trimis de o sursăauxiliară şi care este trecut prin mediul controlat;

De polarizare - pentru determinarea concentraţiei substanţelor din soluţie, prin modificarea unghiului de rotire a planului de polarizare a luminii ce trece

Page 10: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

9

prin soluţie (polarimetre) sau prin reflectarea interioară totală a fluxului luminos la limitadintre două medii cu indici de refracţie diferiţi (refractometre);

Radioactive - pentru controlul diferiţilor factori, prin iradierea obiectelor de controlat cu radiaţii a, (i sau y şi prin iradierea cu neutroni.

Traductoarele electriceTraductoare cu impulsuri - transformă mărimea de măsurat într-o anumită

calitate a impulsurilor de curent (număr, durată sau frecventă a impulsurilor).Traductoare rezistive sau de impedanţa - sunt, în principiu, conductoare a

căror rezistenţă variază cu temperatura. (termorezistente, piezorezistente, rezistenţe electrolitice de concentraţie, fotorezistente, magnetoelastice, capacitive,de ionizare);

Traductoare cu tensiune electromotoare (termoelectrice, piezoelectrice, galvanice, fotoelectrice, de inducţie);

Traductoare de curent (cu motor electric, cu contacte electrice);Traductoare optico - electrice;Traductoare electrono - ionice.Traductoarele piezorezistive - transformă forţa mecanică de măsurat, care

acţionează asupra conductorului, într-o rezistenţă electrică ce depinde de valoarea acestei forţe. Pot fi manometrice, pentru măsurarea presiunii, şi tensometrce pentru determinarea tensiunilor mecanice din elementele de construcţie.Traductoarele electrolitice de concentraţie. Cele cu rezistenţă servesc a determinarea concentraţiei electroliţilor ce se află între electrozii recipientului, prin măsurarea rezistenţei electrice a mediului, care este funcţie de conţinut.Traductoarele cu fotorezistenţă. Se utilizează la determinarea proprietăţilor corpului sau mediului după variaţia rezistenţei electrice a unei celule fotoelectrice cu efect fotoelectric interior, când variază intensitatea fluxului luminos ce cade asupra elementului şi care depinde de conţinutul obiectului controlat.Traductoarele magnetoelastice. Transformă mărimea măsurată într-o deformaţie elastică a corpului feromagnetic, care determină variaţia parametrilor electrici ai traductorului.Traductoarele capacitive. Servesc la determinarea mărimii măsurate în funcţie de variaţia capacităţii unui condensator electric la care pot varia aşezarea în spaţiu a plăcilor condensatorului sau permitivitatea dielectricului.Traductoarele cu ionizare. Transformă mărimea măsurată într-un grad de ionizare a gazului ce se află între doi sau mai mulţi electrozi, fapt ce conduce lavariaţia rezistenţei electrice a traductorului.Traductoarele termoelectrice. La aceste traductoare, tensiunea electromotoare, ce apare într-unul sau mai multe termocupluri, depinde de termocupluri depinde de temperatura capetelor libere şi a celor active, această din următemperatură fiind dependentă de factorul controlat.Traductoarele piezoelectrice. Servesc la transformarea mărimii măsurate într-

Page 11: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

10

o deformaţie elastică a cristalului cu proprietăţi piezoelectrice, care determinăapariţia unor sarcini electrice ce depind de mărimea măsurată.Traductoarele galvanice. Sunt elemente galvanice, ale căror tensiuni electromotoare depind de concentraţia măsurată a componentelor ionizate ale electroliţilor lichizi sau gazoşi.Traductoarele fotoelectrice. Servesc la determinarea tensiunii fotoelectro-motoare a celulei fotoelectrice produse de un flux luminos, care depinde direct sau indirect de mărimea măsurată.Traductoarele de inducţie. Se bazează pe apariţia în conductorul aflat în mişcare, solid sau lichid, a unei tensiuni electromotoare de inducţie ce depinde de mărimea măsurată.Traductoarele cu motor electric. Se caracterizează prin transformarea mărimii de măsurat, de exemplu vâscozitatea mediului, într-un cuplu de rotaţie al motorului electric, al cărui curent determină valoarea mărimii de măsurat.Traductoarele cu contacte electrice. Servesc la semnalizarea sau reglarea poziţională şi stabilesc sau întrerup în trepte curentul, cu ajutorul unuia sau al mai multor contacte, în cazul unor variaţii ale mărimii de măsurat.Traductoarele optico - electrice. Se folosesc Ia determinarea temperaturii unui corp încălzit, prin măsurarea radiaţiei prin metode fotometrice (vizual, direct sau cu ajutorul unor celule fotoelectrice).După cum se vede din clasificarea traductoarelor, acestea dau posibilitatea de a reacţiona la orice parametru al proceselor şi de a transforma impulsurile primite în diferite forme, comode pentru transmiterea către elementele următoare ale sistemului automat. Cele mai utilizate sunt traductoarele electrice, care permit transformarea diferitelor mărimi neelectrice în mărimi electrice.Convertoarele sau traductoarele intermediare. Se utilizează pentru transmiterea indicaţiilor aparatelor la distanţă şi pot fi:

- mecanice (hidraulice şi pneumatice) la care deplasarea de măsurat se transformă într-o deplasare a lichidului sau într-o presiune a gazului, care se reproduce la aparatele secundare;

- electrice: cu impulsuri (de sumă, de durată, de număr, de frecvenţă) şi cu acţiune continuă (rezistive, inductive, fotoelectrice, cu contacte electrice, gene-ratoare sincrone).

Fig. 1.8. Schema-bloc a traductorului.

Page 12: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

11

Un traductor este compus, în general, din două blocuri principale (fig. 1.8.): elementul sensibil sau detectorul, care transformă mărimea de intrare (xi) într-o mărime intermediară, şi adaptorul, prin care mărimea intermediară este transformată într-o mărime de ieşire (xe) compatibilă cu sistemul de automatizare.

1.6.2 Regulatoare automate

Regulatorul reprezintă componenta cea mai importantă a unui sistem automat. Celelalte elemente pot influenţa performanţele sistemului automat, de exemplu prin precizia de măsurare a mărimii reglate în cazul traductoarelor sau prin viteza de elaborare a mărimii de execuţie în cazul elementelor de execuţie, însă numai regulatorul are capacitatea de a-şi modifica, în limite largi, dinamica proprie, în scopul realizării performanţelor impuse sistemului.

Regulatorul are rolul de a elabora un semnal de comandă (xc), pe baza informaţiilor primite, iar complexitatea sa diferă în funcţie de operaţia de conducere pe care trebuie să o realizeze şi de performanţele impuse sistemului, astfel încât regulatorul poate fi un releu electromagnetic, un amplificator cu reacţie, sau chiar un calculator.

După modul de variaţie a semnalului de comandă, regulatoarele pot fi:- continue, la care mărimea de comandă are o variaţie continuă în timp (de

tip P, I, PI, PD şi PID);- discontinue, la care mărimea de comandă are o variaţie discontinuă în timp

(regulatoare bipoziţionale şi tripoziţionale).După modul de acţionare, regulatoarele automate pot fi:- cu acţiune directă;- cu acţiune indirectă, de uz general (neunificate şi unificate).

Regulatoarele cu acţiune directă. Prin tradiţie, se numesc regulatoare cu acţiune directă (regulatoare directe)

dispozitivele de reglare automată la care traductorul acţionează asupra elementului de execuţie printr-un sistem de transmisie mecanic, fără amplificarea semnalului. în consecinţă, energia necesară pentru deplasarea organului de execuţie este în întregime furnizată de către detector, fiind preluată de acesta de ia mediul reglat, astfel că acest tip de regulator este un dispozitiv de reglare automată complet ce conţine: elementul de referinţă, traductorul, elementul de comparaţie, elementul de comandă şi organul de execuţie, dar toate acestea nu conţin nici un amplificator.

Regulatoarele cu acţiune directă sunt relativ simple din punct de vedere constructiv, sigure în funcţionare şi ieftine, dar au precizie de reglare relativ mică (toate sunt de tip P) şi nu pot fi controlate sau comandate de la distanţă, fiind dispozitive de automatizare strict locale.

Page 13: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

12

Fig.1.9. Sistem de reglare directă: a - schema de principiu, b - simbolizare.

Un regulator de temperatură este prezentat în fig. 1.9, unde detectorul de temperatură manometric este format din bulbul 2 şi burduful 3, iar robinetul de reglare 8 se află pe conducta de agent termic. Datorită creşterii temperaturii în camera 1 are loc creşterea presiunii vaporilor din bulbul manometric 2, care acţi-onează asupra burdufului 3, comprimând resortul 4 şi deplasând ventilul robinetului de reglare 8. In cazul în care prin serpentina 9 circulă agent de încălzire, creşterea temperaturii trebuie să producă închiderea ventilului. La camerele răcite, dimpotrivă, creşterea temperaturii trebuie să producă des-chiderea ventilului, pentru a se mări debitul de agent de răcire.

Regulatoare cu acţiune indirectă de uz generalRegulatoare automate neunificate. Aceste regulatoare înglobează, de

obicei, şi alte elemente ale SRA (ER, EC, Tr) şi pot fi bipoziţionale sau tripoziţionale, comanda fiind furnizată prin intermediul unor contacte de comutare. Caracteristica statică a unui regulator bipoziţional neunificat este datăîn fig. 1.10., unde xi este mărimea de intrare stabilită prin elementul de referinţă, iar d este diferenţialul regulatorului, care, de regulă, este ajustabil.

Fig. 1.10. Caracteristica statică a unui regulator bipoziţional, la utilizarea contactului normal deschis (a) şi a contactului normal închis (b).

Page 14: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

13

Fig.1.11.Caracteristica statică a unui regulator tripoziţional.

Cele mai simple regulatoare bipoziţionale pot fi şi aparatele de măsurat cu contacte de comandă sau semnalizare: manometre cu contacte de semnalizare (tipurile Mc-1, MCMS, SEP-1, PS 1), termometre dilatome-trice sau cu vapori saturaţi (tipurile TMC, TMTC), milivoltmetre tip MR -192, logometre tip LR-192.

Dacă sistemul termocuplu - milivoltmetru regulator se utilizează cu precădere pentru temperaturi ridicate, ansamblul termorezistenţă -logometru regulator este frecvent întâlnit în instalaţiile frigorifice.

Caracteristica statică a regulatorului tripoziţional este dată în fig.1.11, unde e reprezintă zona de insensibilitate (zona neutră sau zona moartă). Aceste tipuri de regulatoare se utilizează frecvent când nu se cer performanţe deosebite: pentru reglarea temperaturii (termostate), presiunii (presostate), diferenţei de presiune (presostate diferenţiale), nivelului (nivostate), umidităţii (hidrostate) etc.Regulatoarele bi- şi tripoziţionale neunificate IEA Bucureşti pot fi încadrate în trei categorii:

-regulatoare bi- şi tripoziţionale care utilizează termorezistenţe ca detectoare (Pt-100 W), de tip X 722 A (-50 ...+50°C), X 722 B (-50...+ 500°C), X 722 C (-50...+ 350°C) şi X 722 P pentru reglarea presiunii;

-regulatoare bipoziţionale funcţionând cu aparate indicatoare sau înregistratoare de tip X75,E'352C, E452C, E362C, E462C - pentru temperaturăşi E7352 , E7362A - pentru umiditate;

-regulatoare bipoziţionale pentru mai multe puncte, de exemplu X 74, care permit realizarea înregistrării şi a reglării bipoziţionale a temperaturilor şi a

umidităţilor în 3, 6 sau 12 puncte, funcţionând cu înregistratorul E 36 A.

Regulatoare automate unificate.Regulatoarele unificate din sistemul elec-tronic SEROM sunt:

- regulatoare unificate bipoziţionale (tip ELX 75) utilizate fie împreună cu un element de referinţă (tip ELX 115), fie cu un aparat indicator sau înregistrator;

- regulatoare unificate tripoziţionale (tip ELX 176) formate din douăregulatoare bipoziţionale, care pot funcţiona independent sau cuplate, pentru

Page 15: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

14

obţinerea unei caracteristici tripoziţionale de comandă;- regulatoare unificate cu acţiune continuă care realizează legi de comandă

de tip PID sau PI: tip ELC 1113, ELC 1135 - cu circuite integrate şi cu posibilităţi de cuplare la calculatoarele numerice de proces sau ELC 1131 - 1134 - care se pot cupla la sisteme cu supravegherea referinţei prin calculator SSC (Supervisory System Control) sau ca rezervă la sistemele de conducere directăDDC (Direct Digital Control);

- regulatoare unificate de tip PID şi PI cu acţiune discontinuă, care comandăun element de execuţie în circuit deschis, de exemplu un motor asincron cu rotorul în scurtcircuit, care acţionează printr-un reductor ventilul organului de reglare (tip ELC 132, ELC 1320-1324).

Regulatoarele unificate pneumatice produse în ţară realizează legi de reglare de tip P, PI, PD şi PID şi înglobează elementul de referinţă, un indicator al mărimii reglate şi adaptorul traductorului. Astfel, regulatorul tip J -XX poate funcţiona cu detectoarele D - BT, AT - 36, D - TE, realizând reglarea presiunii absolute, respectiv a presiunii diferenţiale şi a temperaturii; semnalulunificat furnizat este de 200 -100 kPa şi se transmite la elementul de execuţie.

1.6.3 Elemente de execuţie (EE)Elementele de execuţie constituie dispozitivele prin intermediul cărora se

exercită comanda asupra instalaţiilor tehnologice, în vederea conducerii automate a proceselor. Elementul de execuţie primeşte de la regulator mărimea de comandă xc, direct sau prin intermediul unui regulator, şi acţionează asupra instalaţiei tehnologice cu mărimea de execuţie xm.

Din punct de vedere constructiv, EE este constituit principial din douăsubansambluri (fig.1.12): elementul de acţionare EA şi organul de reglare OR; EA formează partea motoare care transformă mărimea xc într-o mărime intermediară y (cuplu, forţa) capabilă să acţioneze OR. EE trebuie să realizeze în regim staţionar o mărime de execuţie proporţională cu mărimea de comandă, iar factorul de proporţionalitate trebuie să fie constant în tot domeniul de variaţie pentru xc şi xm.

Fig. 1.12. Element de execuţie.

După natura energiei cu care lucrează EA, se întâlnesc trei tipuri de EE: electrice, hidraulice şi pneumatice.Elemente de execuţie electrice. Aceste elemente se realizează în două variante constructive: cu eiectromagneţi (electroventile) şi cu motoare electrice

Page 16: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

15

(servomotoare).Robinetele electomagnetice pot fi:

-cu comandă directă (ventilul este legat de armătura mobilă a unui electromagnet);

-cu servocomandă (armătura atrasă de electromagnet comandă un ampli-ficator hidraulic care, utilizând energia fluidului din conductă, produce deplasarea ventilului).Elementele de execuţie electrice în circuit deschis se utizează exclusiv în sistemele automate, în regulatoarele de tip ELC 1320 - 1324, motorul electric realizând şi funcţia de integrator din cadrul algoritmului de comandă, fiind preferate motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit.Elementele de execuţie electrice în circuit închis (servomecanisme electrice) se compun din două părţi: servomotorul şi dispozitivul de comandă al servomotorului, numit şi poziţioner.

Servomotorul conţine următoarele elemente de bază: motorul electric propriu-zis, redactorul de turaţie, traductorul de poziţie (potenţiometrul), care dăun semnal electric proporţional cu mărimea de execuţie xm, limitatoarele de cursăpentru situaţiile" complet închis" şi "complet deschis", eventual limitatoare de cuplu.

Poziţionerul conţine elementul de comparaţie a tensiunii de comandă, aplicată din exterior, cu tensiunea furnizată de potenţiometrul servomotorului, precum şi circuitele de comandă şi acţionare a motorului electric. Ansamblul servomotor - poziţioner formează un servomecanism cu comandă continuă sau discontinuă (tripoziţională).Servomecanismul cu comandă continuă, produs la ELECTROTEHNICA Bucureşti, este compus din servomotorul tip MRD şi blocul de comandă al servomotorului. Motorul electric este de curent continuu, având o construcţie specială (intrefier axial şi rotor-disc, cu circuite imprimate), care îi conferăcaracteristici dinamice deosebite.Elemente de execuţie pneumatice. Aceste elemente folosesc ca sursă de energie aerul comprimat (instrumental) şi au următoarele avantaje: gabarit mic, simplitate în construcţie, siguranţă în funcţionare. Elementele de execuţie pneu-matice pot fi cu membrana sau cu piston.

Servomotorul pneumatic prezentat în fig.1.13. are histerezisul caracteristicii statice mare, deci precizia de poziţionare a organului de reglare este mică; pentru micşorarea histerezesului se utilizează elemente de execuţie în circuit închis, formate din servomotor şi poziţioner.

Presiunea de comanda p este transmisă la un traductor de presiune 1, cuplat la tija 2 de comparare a deplasărilor x şi x . Dacă presiunea p creşte, tija tinde săse rotească în jurul punctului S, în sens orar, iar obturatorul 3 se apropie de ajutajul 4 al amplificatorului pneumatic şi presiunea p' creşte. Această presiune se transmite, printr-un etaj de putere, la servomotorul 5, astfel că tija 6 a acestuia coboară, antrenând, prin tija 7, capătul B al tijei 2, care se roteşte în sens

Page 17: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

16

orar (în jurul articulaţiei A), tinzând să depărteze obturatorul de ajutaj, până la obţinerea poziţiei de echilibru.

Fig.1.13. Servomotor pneumatic1 - membrană ; 2 - tija ;3 - resort.

Elemente de execuţie hidraulice. Aceste elemente permit dezvoltarea unor puteri mari la dimensiuni şi greutăţi reduse, utilizându-se ca fluid de lucru uleiul mineral. Principalele tipuri constructive sunt servomotoarele cu piston, cu membrană şi cu organe rotative.Organele de reglare. Pot fi mecanice sau electrice. Cele mecanice permit modificarea unor debite de fluid (robinete de reglare), cantităţi de material solid (alimentatoare cu bandă sau şurub melcat) şi reglări de direcţii (la nave şi avioane).

Robinetele de reglare pot fi cu ventil sau cu clapetă. Organele de reglare electrice sunt destinate modificării continue sau discontinue a tensiunii sau curentului electric, utilizându-se în acest scop: contactoare, întrerupătoare, autotransformatoare, reostate sau amplificatoare magnetice.

1.7. Performantele S.R.A.

1.7.1 Formularea problemei

În analiza si proiectarea SRA e necesara definirea unor indicatori ai indeplinirii obiectivelor reglarii numiti si indicatori de performanta ai SRA. Pentru ca indicatorii de performantã sa exprime în mod univoc proprietatile sistemelor (din punct de vedere al obiectivelor urmãrite), este necesar sa se admitã ca SRA este excitat prin actiuni externe de o forma STANDARD.

Astfel:- sistemele de stabilitate sunt excitate de xp (xi=constant);- sistemele de reglare cu program sunt excitate de mãrimile xi si xp;- sistemele de urmãrire sunt excitate prin mãrimea xi .

Pentru definirea indicatorilor de performantã se va considera cã xi(t) si xp(t) au variatii sub forma de semnale de proba, cu o forma cunoscuta, cea ce permite

Page 18: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

17

evaluarea comparativa a indicatorilor diverselor SRA. Aceste semnale se utilizeazã nu numai pentru introducerea indicatorilor de performanta, ci si pentru rezolvarea altor probleme din teoria SRA.

1.7.2 Semnale de probã

Semnalul treaptã ideal are expresia analiticã:

¯®­

!

d

0tpentruk

0tpentru0)t(u

Pentru k = 1: treaptã unitarã. Semnalul treaptã real are o pantã finitã de crestere de la 0 la valoarea k.

Impulsul ideal numit si impuls Dirac, are expresia analitica:

¯®­

f

z

0tpentru

0tpentru0)t(δ cu conditia: ³

f�

f�

kdt)t(δ

t

u(t)

ideal

real

k

0

Fig. 1.14 Semnalul treapta

t

δ(t)

0

Fig. 1.15 Impuls ideal

Page 19: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

18

Pentru k = 1: impuls unitar.Forma unui impuls unitar real este datã mai jos:

)ε,t(δlim)t(δ*

ε fo

Semnalul rampã are expresia analitica:

¯®­

!�

d

0tpentrutk

0tpentru0)t(r Pentru k = 1 - rampă unitara

Semnalul sinusoidal

x(t) = X�sin (Zt+M)unde:X - amplitudinea semnalului;Z - pulsatia (rad/s);M - faza initiala (rad).

t

δ*(t)

0

Fig. 1.16 Impuls unitar

1/ε

ε

t

r(t)

0

Fig. 1.17 Semnal rampa

t

Fig. 1.17 Semnal sinusoidal

x(t)

0 ω

φ

x

Page 20: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

19

1.7.3 Indicatorii de performantã ai SRA excitate prin mãrimea

perturbatoare (xp)

Se considerã xep - valoarea prescrisã si initial sistemul de stabilitate se aflã în regim stationar. La t = 0 se produce o variatie în treaptã unitara a mãrimii pertubatoare (xp), iar rãspunsul sistemului, adicã variatia xe(t) poate avea diferite forme, în functie de tipul si parametrii regulatorului, astfel:1 - când regulatorul este decuplat (nu se face reglare automatã);2 - parametrii regulatorului sunt alesi gresit si sistemul de reglare este instabil;3 - un rãspuns posibil: efectul perturbatiei este puternic atenuat;4 - un rãspuns posibil: abaterea stationarã este nulã (existã abatere numai înregim dinamic).

Abaterea stationarã: xa - xep = Hst (pentru curba 3).

Definirea indicatorilor de performantã la sistemele cu Hst z 0 se face reprezentand curba abaterii mãrimii de iesire de la valoarea prescrisã, în cazul aplicãrii unui semnal treaptã pertubatoare unitarã ('xp = 1):

H(t) = xe(t) - xep

Fig. 1.18 Indicatorii de performanta ai SRA excitate prin marimea perturbatoare xp

xp

t

0

Δxp=1

1

23

xep

0

tεst

4

Page 21: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

20

Principalii indicatori de performantã sunt:1 - abaterea (eroarea) stationarã, Hst;2 - durata regimului tranzitoriu, tt;3 - suprareglarea, s (%)tt - este intervalul de timp din momentul aplicarii semnalului treapta, pânã când H(t) intrã în domeniul (Hst - ')…(Hst + '), fãrã a mai iesi din acest interval ('= 0,05�Hst)s - aratã depãsirea maximã, în regim dinamic, a erorii stationare (Hst) ;

(%)100ε

e(%)s

st

1 �

Dacã SRA au abatere stationarã nulã (Hst=0), la aplicarea unei trepte perturbatoare unitare, se definesc ca indicatori :1 - abaterea dinamicã max.: em;2 - tt - durata regimului tranzitoriu ('=0.05�Hm);

3 - 100ε

e(%)s

m

1 � - suprareglarea.

ε(t)

Fig. 1.19

0 ttt

εst1,05εst

0,95εst

e1Δ

Δ=0,5εst

ε(t)

t

Fig. 1.20

0

tt

em

Δ

Δe1

Page 22: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

21

1.7.4 Indicatorii de performantã ai SRA excitate prin mãrimea de intrare

(xi)

În acest caz se definesc:xep - valoarea prescrisã a mãrimii de iesire;xes - valoarea din noul regim stationar;Hst - abaterea stationara (' = 0.05�xes);Intervalul (-'...+') se considerã în jurul valorii xes.

s = e1

xes100(%) - suprareglarea.

1.8. Modelarea SRA

Modelarea SRA este o problema considerată elementara. Prin analiza SRA se cere determinarea prin calcul a indicatorilor de performantã ai unui sistem dat. Aceasta impune cunoasterea tuturor mãrimilor xi si xe pentru elementele sistemului.

1.8.1 Modelarea matematicã a DRA Pentru DRA se folosesc modelele matematice corespunzătoare fiecărui

element din schema bloc:Traductorul Tr

În cazul ideal: xr = kT �xe, iar în cazul real: eTt

rtr xk

d

dxTx � ��

Fig. 1.21

t

0

0t

tt

e1εst

xe(t)

xe0

xi(t)

1

1

2

Page 23: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

22

unde:TT, kT - parametri de catalog (aparatul este deja ales) ;TT = constanta de timpkT = factor de amplificare

t

rt d

dxT � - redã dinamica procesului; dacã TT creste, va creste si inertia SRA.

Elementul de comparatie (EC): xa= xi - xr

Regulatorul - poate fi: tip PI, PD, PiD (proportional, integral, diferential).

De exemplu pentru PI: »¼

º«¬

ª�� ³ dtx

T

1xkx a

iapc

unde:kp - factor de amplificare;Ti - constanta de timp de integrare.Elementele de executie (tipizate) sunt descrise, de obicei, prin ecuatii diferentiale de ordinul 1:

eemm

e xkxdt

dxT � ��

unde:Te, ke - parametri de catalog.

Se constatã cã modelarea DRA este o problema simplã, modelul matematic fiind dat de un sistem de ecuatii diferentiale, cu parametri cunoscuti, usor de rezolvat.

1.8.2 Modelarea matematicã a IAReprezintã în general o problema dificilã, necesitand utilizarea unor legi si

relatii specifice procesului fizic din instalatie. Deducerea modelului matematic implicã parcurgerea urmatoarelor etape (IA trebue modelatã ca sistem dinamic):

1 - Stabilirea mãrimilor de intrare si iesire din IA (deci stabilirea conturului procesului modelat)

ECxi xa xc xm xe

xexr

R EE TA

TR

DRA IA

xp

Page 24: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

23

- mãrimile de intrare pot fi xm, xp

- mãrimile de iesire (xe) sunt variabile dependentePentru un sistem multivariabil, reprezentarea IA se face conform figurii:

»¼

º«¬

ª

p

m

x

xu ; y = xe ; x1…xn = variabile de stare

2 - Stabilirea ecuatiilor de stare din modelul matematic

Este etapa cea mai importantã si dificila, necesitand analiza procesului din instalatie în regim dinamic; se stabilesc tipul ecuatiei diferentialei care sa dea dependenta iesire-intrare.

Cunostintele metodologice indicã etapele ce trebuie parcurse în modelare pentru obtinerea unui model coerent corect.

Pentru scrierea acestor ecuatii diferentiale de ordinul 1 (ecuatia de stare) se pleacã de la o serie de legi generale cum sunt:

- legile echilibrului fortelor si momentelor;- legile conservãrii masei, energiei si starii de miscare, etc.;

Ecuatiile diferentiale se obtin din relatia de bilant material sau energetic în care se admit acumulari variabile în timp.

ÎN PROCESELE DE TRANSFER DE MASA (exemple): - se considerã un recipient de volum V;

2

1

e

i

M

M

x

x (raport de debite)

Ecuatia de bilant masic se scrie sub forma:

21 MM)Vρ(dt

d

iesire

debit

rareint

debit

acumulata

masa

dt

d

¸̧¹

·¨̈©

§�¸̧

¹

·¨̈©

§ ¸̧

¹

·¨̈©

§

Pentru o acumulare constantã si U = ct: M1(t) = M2(t), adicã dacã la intrare se aplicã o variatie în treapta, aceiasi variatie se obtine si la iesire.

y

xm1

u

xe1

IA

xp

xe1

……xem

….xm1

…xpr

x1

….….xn

x

IA

M1(t)

V M2(t)

Page 25: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

24

Dacã circulã un fluid compresibil: )t(M)t(Mdt

)t(ρdV 21 � , se obtine o ecuatie

de stare datoritã unei acumulari variabile (M1 z M2)

ÎN PROCESELE DE TRANSFER DE ENERGIEPentru bilant caloric:

¦¦

¦¦

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§r

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§r

r¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§�

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§

agregaredestarii

schimbariidatorat

energiedeFluxul

chimice

radiatieidatorat

energiedeFluxul

sistem

diniesit

energiedeFluxul

sistem

inratint

energiedeFluxul

erneint

energieiatimpulcu

raportinDerivata

Exemplu: eim QQ

dt

θdcm

��� �� - fluxul de caldura acumulat in timp

ÎN PROCESELE MECANICEEcuatia de stare rezulta, de obicei, din relatiile de echilibru a fortelor si momentelor:

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§�

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§

¸¸¸

¹

·

¨¨¨

©

§

rezistentefortelor

toarecorespunza

Puterea

activefortelor

toarecorespunza

Puterea

cinetice

energieiatimpulcu

raportinDerivata

vFvF)vm5.0(dt

dra

2 ��� �

t

0

real

M2(t)

0

M2(t) ideal

M2

M1(t) ideal

0t

M2

M1

Page 26: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

25

Pentru momente: rMrM)rJ2

1(

dt

drm

2 ��� �

r)MM(dt

drr2J

2

1rm �� ��

rm MMdt

drJ �

unde: J - moment de inertie

1.8.3 Explicitarea variabilelor intermediare si ordonarea ecuatiilor

modelului matematic

Aceste variabile intermediare trebuie exprimate în functie de variabilele de intrare (xi) din instalatie si de variabilele care apar derivate în ecuatiile de stare, numite variabile de stare [x(t)]. Pentru explicitarea variabilelor intermediare se utilizeazã legi sau relatii din domeniul corespunzator proceselor fizice din instalatie.

În final, sistemele de ecuatii diferentiale (de stare) si algebrice reprezentand modelul matematic. Se ordoneazã în asa fel încât în partea dreaptã a oricãrei ecuatii sã intervinã:- variabile de intrare- variabile de stare (sunt ultimele în model): x1, x2...xn

- variabile intermediare care deja au fost definite printr-o relatie scrisa anteriorUn model ordonat este deja utilizabil pe calculator. Dupã ordonarea

ecuatiilor din modelul matematic se pot face substitutii pentru eliminarea tuturor variabilelor intermediare; se obtine un model matematic într-o forma mai concisa, reprezentând ecuatii de stare ale sistemului, vectorul de stare fiind:

x =

¬««ª

¼»»ºx1

x2

…xn

Forma generalã a ecuatiei de stare este:

°°°°°

¯

°°°°°

®

­

)u........u,u,x...,.........x,x(fdt

dx

...............................................................

...............................................................

)u........u,u,x...,.........x,x(fdt

dx

)u........u,u,x...,.........x,x(fdt

dx

s21n21nn

s21n2122

s21n2111

xi - variabile de stare

Page 27: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

26

f1, f2, …fn - sunt functii neliniare cunoscuteui - mãrimi de intrare

sau ecuatia se mai poate scrie:

)u,x(fx �

- scriere vectorialã (ecuatie vectorialã de stare)Ecuatia de iesire vectorialã este:

)u,x(gy - functie vectorialã cunoscuta

1.8.4 Liniarizarea ecuatiei modelului matematicLa cele mai multe sisteme automate (SRA), mãrimile fizice din IA au

variatii relativ mici în jurul unor valori nominale (valori precise). La functionarea normalã a SRA, perturbatile nu fac decit sa producã mici abateri ale mãrimilor fizice din IA. Aceste mãrimi se pot scrie:xi = ix + 'xi ; i = 1, 2…n - mãrimi de stareuj = ju + 'uj ; j = 1, 2…s - mãrimi de intrare

yk = ky +'yk ; k = 1, 2, …, m - mãrimi de iesire

Ecuatiile de stare si de iesire liniarizate se pot scrie astfel sub forma matriciala:

uΔDxΔCyΔ

uBxAx

� �

A, B, C, D = matrici de forma nun, nus, mun si respectiv mus

1.8.5 Tipuri de modele matematice ale SRA

Modele structural functionale (modele de stare)

Notatii: y pentru xe

w pentru xi (valoarea prescrisa) – mărimi de intrarexi pentru variabilele de stare (i = 1, 2…n)u pentru mărimi de intrare perturbatoare

u(t)= ¬«ª

¼»ºup(t)

w(t)up(t) – mărimi de intrare în sistem (vectorul de intrare)w(t) – mărimi exogeneAcest model matematic consideră ca intrarile afectează starea sistemului iar aceasta determina iesirea

- model neliniar: °̄

°®­

)u,x(Gy

)u,x(Fx

Page 28: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

27

- model de stare liniar: °̄

°®

­

� �

xCy

)BuxAx

T

Modele functionale în domeniul "t" (timp)

Un model matematic dã legaturã intre mãrimile de intrare si iesire (este o ecuatie diferentialã de ordinul n):

pp01n

1nup

1nw01n

1nww

1n01n

1ny

1nn

ny

ub..dt

dbwb....

dt

dbya......

dt

da

dt

d p ������� ����

��

��

- totdeauna se considerã semnalele exogene (u, w) aplicate consecutiv, nu simultan; de aceea în partea dreaptã a ecuatiei se admite o singurã mãrime de intrare notatã generic cu u [up(t)- SRA de stabilizare; w(t)- SRA de urmãrire]:

ub....dt

dbya......

dt

da

dt

d01n

1nu

1n01n

1ny

1nn

ny

��� ����

��

Modele functionale în domeniul "s"

Pentru ecuatia de mai sus se aplicã transformata Laplace cu conditii initiale nule:

snY(s) + sn-1Y(s)�an-1+…+Y(s)�ao = bn-1 �sn-1 �U(s)+…+boU(s)

Functia de transfer H(s) va fi:

01n

1nn

01n

1n

a...sas

b....sb

)s(U

)s(Y)s(H

����

���

��

��

s - variabila complexă din transformata Laplace.s = V + j�Z, j = -1

H(s) reprezintă o forma operatională dată de ecuatia diferentială si permite usurarea calculelor în manevrarea modelelor matematice (modele parametrice); acestea au forma tipizată si sunt invidualizate printr-un set finit de parametri.

Modele neparametrice în domeniul "t"

Se numeste raspuns al sistemului la un semnal u(t) variatia mãrimii de iesire y(t).Când conditiile initiale sunt nule: raspuns normalu(t)

H(s) y(t)

Page 29: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

28

Y(s) = H(s)�U(s) Modelul H(s) este dat, U(s) - cunoscut (este dat semnalul de intrare).

CAZ 1u(t) = G(t); U(s)= 1 – semnal impuls unitar;Y(s) = H(s)�1 ; y(t)= h(t)=L-1 [H(s)]h(t) – functie pondere si reprezintã un model matematic.h(t) poate fi dedusa experimental: se aplicã un impuls real; inregistrarea h(t) experimentala se numeste model neparametric.

Deducerea modelului prin inregistrare experimentalã se numeste identificare . Acest model nu poate fi utilizat în calcule de analizã si proiectare (el trebuie parametrizat). Cea mai simpla parametrizare constã în esantionarea lui.

T= perioada de esantionareh(t) # 0 pentru t >nTh(i) = h(iT)CAZ 2u(t) – treaptã unitarã ; U(s) = 1/s;

s2

1H(s)Y(s) �

τd)τ(h

)s(Hs

1L)t(h)t(y

t

0

11

³

»¼º

«¬ª �

CAZ 3u(t)= oarecare

τd)τt(u)τ(h

)s(U)s(Hs

1L)t(y

t

0

1

³ �

»¼º

«¬ª �

Relatia de mai sus expliciteazã dinamica unui sistem pentru cele mai generale cazuri.Dacã functia pondere este dedusa experimental si se doreste

simularea sistemului (analiza pe calculator) se procedeazã astfel: se discretizeazã relatia si se esantioneaza:

¦

� n

0k)ki(u)k(hT)i(y

t

δ(t)≈Δ(t,ε)

01/ε

ε

t

y(t)≈h(t)

t

y(t)

T

h(i)

h(1) iT

……

h(n)

Page 30: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

29

Se programeazã aceastã relatie si prin instructiuni ale unui limbaj oarecare se face analiza numericã prin simulare.

Modele functionale în domeniul sZs

- Z = pulsatia- u(t) se reprezintă printr-un model (transf.Fourier)- mărimea |U(jZ)| da densitatea armonicelor de amplitudine A- Mu(Z) – densitatea fazelor initiale- U(j Z) – modul |U(jZ)|Analog pentru semnalul de iesire – |Y(jZ)|– My(Z)- amplificarea este: A(Z)defazaj:faza E = faza I + M(Z)|semnal E|dB=|semnal I|dB�AdB(Z)A(Z) = |H(jZ)|M(Z) = arg H(jZ)H(jZ) = H(s)|s=jZ

E – semnal de iesireI – semnal de intraredB – decibeli

H(jZ) =Y(jZ)U(jZ)

otransformata Fourier

u(t)IA y(t)

Z

Page 31: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

30

CAP.2. REGLAREA PARAMETRILOR DIN PROCESELE INDUSTRIALE

2.1 Reglarea automata a debitului

2.1.1 Estimarea parametrilor proceselor cu reglare de debit Pentru reglarea debitului se calculeazã modelul dinamic al unei conducte

tehnoologice prin care curge un fluid, delimitatã de elementul de executie si traductorul de debit.

Un SRA pentru debit are reprezentarea conventionalã din figura 2.1.

Se presupune curgerea prin conductã a unui lichid incompresibil si se foloseste ecuatia de conservare a impulsului, care actioneazã în sistem pentru douã cazuri distincte, întîlnite mai frecvent în practicã: a) conducte scurte cu L ≈ D; b) conducte lungi cu L >> D.

Modelul dinamic al unei conducte scurte Se echivaleazã tronsonul de conductã cu o rezistentã hidraulicã, pentru care

este valabilã relatia cunoscutã: F = αSError! (2.1)

în care:

F este debitul de fluid care trece prin conducta; Δp - cãderea de presiune pe restrictie; α - coeficient de debit ; S - sectiunea de trecere a fluidului; ρ - densitatea fluidului.

Pentru regimul stationar de curgere se echilibreazã fortele care actioneazã în sistem si se obtine: Δp0S - Error!S = 0 (2.2)

Fig.2.1

Page 32: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

31

în care: Δp0S este forta activã de apãsare asupra lichidului din conductã; Error! - forta de reactiune datoratã restrictiei.

În regim dinamic diferenta dintre cele douã forte este compensatã de viteza de variatie în timp a impulsului din sistem: Δp(t)⋅S - Error!S = Error!(M⋅v) (2.3) În (2.3) M este masa de fluid din conductã, iar v este viteza sa de deplasare (curgere). Atunci, pentru exprimarea din (2.3) rezultã: Δp(t)⋅S - Error!S = ρLSError! Error! (2.4) Mãrimile care depind de timpul t în (2.4) se obtin dacã se dau variatii arbitrare peste valorile de regim stationar, astfel: Δp(t) = Δp0 + Δ(Δp(t)) = Δp0 + Δp(t) F(t) = F0 + ΔF(t) (2.5) Din (2.4) si (2.5) se obtine: [Δp0 + Δp(t)]S - Error!S = ρL⋅Error! (2.6) Dacã se extrage regimul stationar din (2.6), exprimat prin (2.2), si se neglijeazã termenul pãtratic ΔF2(t) se obtine: Δp(t)S - Error!S2 = ρL⋅Error! (2.7) Prin normare la valorile de regim stationar se poate scrie: Y(t) = Error!(mãrimea reglatã): m(t) = Error!(mãrimea de executie). Rezultã modelul cu variabile adimensionale: α2 ⋅Error!⋅ Error! + y(t) = Error!⋅ m(t) (2.8) unde cu V0 s-a notat volumul de fluid ocupat în regim stationar în conductã. Din ecuatia diferentialã (2.8), prin aplicarea transformatei Laplace, se obtine usor functia de transfer a canalului de executie: Hpa(s) = Error! (2.9) unde kp este factorul de amplificare, iar τpa constanta de întîrziere a canaluiui considerat, kp = 0,5 si τpa = α2 ⋅Error!. Pentru un fluid compresibil calculul este similar, cu diferenta cã relatia (2.1) este corectatã cu un coeficient de compresibilitate.

Modelul matematic al unei conducte lungi În acest caz se presupune cã forta de reactiune este forta de frecare a fluidului cu peretii conductei, debitul depinzînd esential de lungimea conductei L: F = L2⋅Error! (2.10) Avem pentru regimul statonar al procesului de curgere, prin echilibrarea fortelor de lucru în sistem:

Δp0S - kρLSError!= 0 (2.11) Mãrimea k este coeficientui de frecare al fluidului cu conducta.

Page 33: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

32

Pentru regimul dinamic se poate scrie:

Δp(t)⋅S - kρLSError!= Error![M⋅v(t)] (2.12) Mãrimile variabile în timp Δp(t) si F(t) au semnificatiile din (6.5) si atunci (6.12) devine:

[Δp0 + Δp(t)]S - kρLS Error!S = ρLS⋅Error!Error! (2.13) Dacã se extrage din (2.13) regimul stationar exprimat prin (2.11) si se neglijeazã termenul care contine ΔF2(t), se obtine:

Δp(t)S - Error!= ρLError! (2.14) Cu ajutorul mãrimilor normate dupã procedeul din cazul a se obtine modelul canalului de executie:

Error!Error!+ y(t) = Error!⋅ m(t) (2.15) respectiv functia de transfer: Hpb(s) + Error! (2.16) unde: kp= 0.5; τpb = Error! (2.17)

2.1.2 Proiectarea sistemelor pentru reglarea automatã a debitului Se considerã sistemul din figura 2.1 pentru care se cunoaste functia de transfer a pãrtii fixate: HF(s) = Error!Error! (2.18) rezultatâ prin conectarea în serie dintre:

• traductorul de mãsurã, considerat element proportional cu functia de transfer kT ;

• elemenul de executie, aproximat printr-un element cu întîrziere cu functi.a de transfer Error!

• procesul reglat, reprezentat de conducta tehnologicã prin care circulã debitul de fluid cu functia de transfer Error!calculatã anterior.

Pentru partea fixatã (2.18) se recomandã un algoritm de reglare PI(proportional-integral) care asigurã performante superioare de regim stationar. lntrucît sistemele pentru reglarea debitului au inertii mici, frecventa cu care sunt scoase din regimul stationar este relativ mare, astfel cã este necesar un studiu asupra stabilitãtii sistemului, din care vor rezulta concluzii utile pentru proiectare. Deci, înainte de calculul parametrilor algoritmului de reglare, vom analiza stabilitatea sistemului, folosind spre exemplu criteriul Nyquist. Functia de transfer a sistemului în circuit deschis este: H(s) = HR(s) HF(s) = Error!(1 + Tis) Error!Error! (2.19) iar pentru s = j ω avem:

Page 34: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

33

H(jω) = Error! (2.20) Din reprezentarea (2.20) se poate obtine exprimarea cu partea realã si imaginarã a lui H(j ω): H(jω) = U(ω) + jV(ω) (2.21) care dã informatii despre comportamentul hodografului sistemului.

Conditia U(ω) = 0 specificã pulsatiile ω1, la. care hodograful taie axa imaginarã:

ω1 = Error! (2.22) iar. V(ω)=0 specificã pulsatiile ωR la care hodograful taie axa realã:

ωR = Error! (2.23) Intrucît H(s) (în circuit deschis) nu are poli în semiplanul drept, sistemul în circuit închis este stabil dacã hodograful H(jω) nu înconjoarã punctul critic -1 + j0. În figura 2.2 este prezentat locul de transfer H(jω) corespunzãtor urmãtoarelor cazuri:

• în primul caz, H(jω) nu taie axa. realã, deci nu existã o pulsalie ωR datã de (2.23) (realizãrile a si b din figura 2.2);

• în al doilea caz., H(jω) taie axa realã, deci existã o pulsatie ωR datã de (2.23) (realizarea c din figura 2.2) .

Varianta primã este asiguratã dacã: τEτp - Ti(τE + τP) < 0 sau Ti > Error! (2.24)

Fig.2.2

Page 35: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

34

si pentru orice valoare a factorului de amplificare kR din algoritmul de reglare. Dacã H(jω) taie axa realã, este îndeplinitã conditia: Ti < Error! (2.25) si restrictia suplimentarã de asigurare a stabilitãtii:

U(ω, kR, Ti) > -1 (2.26) pentru constanta Ti determinatã din 2.25, si pentru ω = ωcr.

Asadar pentru ca sistemul sã fie stabil, sunt necesare conditii restrictive impuse parametrilor kR si Ti.

Fatã de aceste rezultate intermediare, se impune o metodã de proiectare bazatã pe un criteriu integral, care sã poatâ tine seama de restrictiile evaluate anterior.

Astfel, pentru algoritmul de reglare PI propus, parametrii optimi de acordare se determinã prin rezolvarea problemei. minError! (2.27) cu restrictiile: Ti > Error! sau: minError! (2.28) cu restrictiile: Ti < Error! U(ω, kR, Ti) > -1 în care ε(t) este eroarea dinamicã a sistemului, iar ρ este un coeficient de ponderare a derivatei (εt) fatã de ε(t). Criteriul integral J admite o exprimare directã, astfel încît problemele (2.27) sau (2.28) se reformuleazã astfel: min {J(kR, Ti)} (kR, Ti) Ti > Error! (2.29) respectiv: min {J(kR, Ti)} (kR, Ti) Ti < Error! U(ωcr, kR, Ti) > -1 (2.30) Reprezentãrile din (2.29) si (2.30) sunt probleme de optimizare parametricã, care pot fi rezolvate cu usurintã prin una din metodele numerice cunoscute (spre exemplu metoda BOX) si dau solutia (k*R, T*i). Se apreciazã cã metoda propusã pentru proiectare este avantajoasã si pentru faptul cã poate lua în consideratie si restrictii de ordin constructiv impuse algoritmului de reglare de forma:

Page 36: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

35

0 < kR ≤ kR max; 0 < Ti ≤ Ti max; unde kR max si Ti max sunt valori maxime acceptate de regulatorul fizic pentru kR si Ti.

2.1.3 Realizarea sistemelor pentru reglarea debitului SRA pentru debit sunt realizate în structuri simple de reglare dupã eroare,

ca în figura 2.1. O astfel de structurã este folositã de sine stãtãtor pentru mentinerea unui debit la o valoare prescrisã, sau ca buclã secundarã într-o structurã de reglare evoluatã de cascadã a debitului cu nivelul, temperatura concentratiei etc. În unele aplicatii industriale se solicitã mentinerea unui raport dat r între douã debite F1 si F2. Aceastã cerintã este asiguratã prin schema din figura 2.3, în care apare ca element important blocul de raport BP, care primeste la intrare o mãrime proportionalã cu valoarea debitului F1 si la iesire oferã mãrimea r ⋅ F1 ce devine prescrierea sistemului de reglare pentru debitul Fa. În regimul stationar de functionare al acestui sistem este satisfãcutã relatia: F20 = r ⋅ F10, sau F20 : F10 = r.

O modalitate de implementare a unui sistem de reglare automatã a debitului în structura simplã de reglare dupã eroare (abatere) este datã în figura 2.4, a. Este folositii aparatura de automatizare tip IEA cu semnal unificat de curent (4-20 mA). În varianta prezentatã, pentru mãsurarea debitului este prevãzut un traductor cu diagramã asa încît valoarea debitului mãsurat se obtine la iesirea extractorului de radical prevãzut dupã traductorul de presiune diferentialã. Deoarece elementul de executie al sistemului este cu servomotor pneumatic si acceptã la intrare un semnal pneumatic, comanda regulatorului, care este un semnal electric unificat, este convertitã prin blocul electropneumatic si apoi aplicatã elementului de executie.

Fig.2.3

Page 37: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

36

O a doua modalitate de implementare, datã în figura 2.4, b, foloseste aparatura de automatizare tip SRA cu semnal unificat de tensiune 0-10 Vcc. Se impune observatia cã prin realizarea sistemului cu acest tip de aparaturã sunt necesare conversia la intrare a mãrimii reglate (mãsurate) din curent în tensiune si, la iesire, conversia comenzii din tensiune în curent.

Fig.

2.4

Page 38: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

37

2.2 Reglarea automata a nivelului

2.2.1 Estimarea parametrilor proceselor cu reglare de nivel Nivelul se regleazã în cazul proceselor de umplere-golire, iar SRA pentru nivel sunt reprezentate conventional ca în figura 2.5. Astfel, se calculeazã modelul dinamic al procesului de umplere-golire la un rezervor cu sectiune constantã S, alimentat cu debitul Fa din care se extrage debitul Fe.

Se considerã douã cazuri posibile: a) evacuare la debit constant; b) evacuare la debit variabil, în functie de nivelul din rezervor. Estimarea

parametrilor acestui model se bazeazã pe ecuatia de conservare a cantitãlii de fluid cu care se vehiculeazã în proces.

2.2.2 Calculul modelului matematic pentru evacuare la debit constant Pentru regimul stationar (acumulare nulã în sistem) cantitatea introdusã este egalã cu cea extrasã din rezervor, asa cã:

ρFa0 - ρFe0 = 0 (2.31) unde:

Fa0 este debitul de alimentare ; Fe0 - debitul de evacuare ; ρ - densitatea lichidului vehiculat.

În regim dinamic diferenta dintre fluxurile introdus si extras este compensatã de cantitatea acumulatã (dezacumulatã) în sistem:

ρFa0 - ρFe0 = Error!M(t) = ρSError! (2.32) În (2.32) s-a notat prin S sectiunea rezervorului, iar prin L(t) nivelul de lichid la momentul t, M(t) reprezentînd masa de lichid din rezervor la momentul t.

Fig.2.5

Page 39: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

38

Mãrimile variabile în timp din (2.32) se obtin prin variatii arbitrare, date peste valorile lor de regim stationar:

L(t) = L0 + ΔL(t) Fa(t) = Fe0 + ΔFa(t) (2.33) Din (2.32) si (2.33) rezultã:

ρ[Fa0 + ΔFa(t)] - ρFe0 = ρSError! (2.34) iar prin extragerea conditiei de regim stationar exprimatã prin (2.31) rezulta: ΔFa(t) = SError! (2.35) Se normeazã variatiile mãrimilor si se obtine: y(t) = Error!-mãrimea reglatã; m(t) = Error!-mãrimea de executie. Cu aceste variabile ecuatia 6.35 devine: m(t) = Error!Error!= Error!Error! (2.36) sau prin integrare: y(t) = Error!Error! (2.37) Rezultã usor functia de transfer a canalului de executie, de la variatia debitului de alimentare ΔFa(t) la variatia nivelului ΔL(t): Hpa(s) = Error! (2.38)

unde τpa = Error!. Exprimarea din (6.37) dovedeste cã procesul de umplere-golire cu evacuare la debit constant se comportã ca un element integrator, motiv pentru care se numeste proces fãrã autostabilizare.

2.2.3 Calculul modelului matematic pentru evacuare la debit variabil Pentru regimul stationar al procesului este valabilã relatia (6.31), în care mãrimile îsi pãstreazã semnificatia. În regim dinamic diferenta dintre cantitãtile introduse si extrase sunt acumulate în sistem, dupã cum urmeazã:

ρFa(t)] - ρFe(t) = Error!= ρSError! (2.39) Debitul Fe depinde de nivelul L din rezervor, dupã o relatie de tipul:

Fe = a 2gL (2.40) unde a este secfiunea de evacuare din rezervor, iar g acceleratia gravitationalã.

Prin dezvoltare în serie Taylor în jurul punctului stationar de functionare se obtine: Fe = Fe0 + Error!Error!+Error!Error!+ … (2.41) Dacã se trunchiazã dezvoltarea dupã partea liniarã, se obtine relatia: Fe ≅ Fe0 + Error!(L - L0) (2.42) valabilã pentru orice L, deci la orice moment de timp t. Avem astfel:

Page 40: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

39

Fe(t) - Fe0 = Error![L(t) – L0] (2.43) sau: ΔFe(t) = Error!ΔL(t) (2.44)

Dacã se reia ecuatia (2.39) si se considerã mãrimile variabile în timp exprimate prin:

L(t) = L0 + ΔL(t) Fa(t) = Fe0 + ΔFa(t) Fe(t) = Fe0 + ΔFe(t) atunci avem:

[Fa0 + ΔFa(t)] – [Fe0 + ΔFe(t)] = SError! (2.45) Se opereazã în (2.45) prin extragerea regimului stationar exprimat în (2.31) si se ajunge la relatia pe variatii de mãrimi:

ΔFa(t) - ΔFe(t) = SError! În sfirsit, se inlocuieste ΔFe(t) cu rezultatul din (2.44) si se obtine:

Fa(t) = Error!ΔL(t) = S Error! (2.46) Prin normare, se obtin mãrimile adimensionale ale canalului de executie: y(t) = Error!mãrimea reglatã m(t) = Error!mãrimea de executie Rezultã cu usurintã din (2.47) si prin inlocuirea derivatei lui Fe în raport cu L obtinutã din (2.40) cã forma finalã a ecuatiei (6.46) este: Error!Error!+ y(t) = 2m(t) (2.47) Se obtine astfel functia de transfer a canalului de executie în ipoteza impusã pentru procesul de umplere-golire: Hpb(s) = Error! (2.48) în care: τPb = 2 Error!; kPb = 2 sunt parametrii modelului canalului de executie. Exprimarea din (2.47) denotã cã procesul de umplere-golire cu evacuare prin cãdere liberã (debit variabil cu nivelul L din rezervor) se comportã ca un element de întirziere, motiv pentru care se numeste proces cu autostabilizare.

2.2.4 Proiectarea sistemelor pentru reglarea automata a niveluiui Se considerã sistemul din figura 2.5 pentru care se cunoaste functia de transfer a pãrti fixate: a) HF(s) = kT Error!Error!≅Error! pentru un proces de umplere-golire fãrã autostabilizare (integrator), cu conditia τE << τP acceptatã în practicã, respectiv: b) HF(s) = kT Error!Error!= Error! pentru un proces de umplere-golire cu autostabilizare, cu parametrii de semnificatie cunoscutã (vezi paragraful 6.2.1).

Page 41: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

40

În cazul a se recomandã un algoritm de reglare P, iar în cazul b un algoritm de reglare PI, pentru asigurarea în primul rind a unor performante de regim stationar superioare. Cu aceste precizãri, se propune pentru proiectare utilizarea unor metode bazate pe repartitia poli-zerouri, în vederea obtinerii unor sisteme tipizate (de ordinul unu sau doi) în circuit inchis. Configuratia doritã pentru repartitia polilor si zerourilor funetiei de transfer a sistemelor în circuit iuchis exprimã în fapt performantele impuse acestor sisteme fatã de clasa mãrimilor exogene (referinte si perturbatii) considerate si ele precizate. Astfel, pentru partea fixatã a se impune ca sistemul în circuit inchis sã aibã o comportare exprimatã prin functia de transfer corespunzãtoare unui element cu intirziere de ordinul unu, de forma: H0e(s) = Error! (2.49) în care constanta de intirziere T impune de fapt performantele sistemului. Functia de transfer a sistemului fizic, în circuit deschis, este: H(s) = HR(s)HF(s) = kR Error!= kRError! (2.50) iar pentru sistemul în circuit inchis: H0(s) = Error!= Error!= Error! (2.51) Prin identiticarea relatiei (2.49) cu (2.51) se obtine formula de calcul utilã: Error! = T (2.52) din care, pentru kF = Error!, cunoscut si pentru T impus, se determinã factorul de amplificare al regulatorului: k*

R = Error! (2.53) Pentru partea fixatã se impune ca sistemul în circuit închis sã aibã o comportare exprimatã prin functia de transfer a sistemului standard de ordinul doi: H0e(s) = Error! (2.54) la care prin dubletul (ωne, ξe) se propun performantele sistemului fizic (suprareglaj, timp de rãspuns si eroare stationarã).

Echivalentul functiei H0e(s), pentru circuitul deschis, este: He(s) = Error! (2.55) Sistemul fizic în circuit-deschis are functia de transfer: H(s) = HR(s)HF(s) = kR Error!Error! (2.56) Dacã se compenseazã constanta de întirziere a procesulni τp cu constanta de timp de integrare a regulatorului Ti , adicã se pune τp = Ti , rezulta: H(s) = Error! (2.57) Din identificarea formei (2.57) cu (2.55) rezultã relatia care intereseazã:

Error!= ω2ne/2ξe (2.58)

si care permite determinarea factorului de amplificare:

Page 42: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

41

k*R = Error! (2.59)

unde ωne si ξe sunt impuse, iar τP si kF sunt date. Deci, cu (2.59) si prin alegerea Ti* = τP rezultã parametrii de acordare ai algoritmului PI propus:

2.3 Reglarea automata a presiunii

2.3.1 Estimarea parametrilor proceselor cu reglare de presiune

Presiunea este un parametru de caracterizare din instalatiile pneumatice sau hidraulice. în cazul reglãrii presiunilor se determinã spre exemplu modelul matematic pentru o capacitate pneumaticã alimentatã cu un fluid (fazã gazoasã).

Structura unui SRA pentru presiune este datã în figura 2.9. Se estimeazã în continuare modelul matematic al capacitãtii pneumatice de volum constant V, în care se gãseste un gaz la temperatura T si presiunea p alimentatã cu debitul Fa si din care se extrage debitul Fe. Dacã se presupune gazul cu o comportare idealã si T = constantã, se acceptã excuatia de stare a gazelor perfecte: pV = MRT (2.60) în care M esta masa gazului din volumul V, iar R este constanta gazelor. În ipoteza de lucru propusã, presiunea se modificã datoritã variatiei în timp a masei M.

Astfel, din (2.60) prin derivare în raport cu timpul t, se obtine: V Error!= RT Error! (2.61) dar: Error!= Fa(t) - Fe(t) (2.62) Se obtine: Error!= Error![ Fa(t) - Fe(t)] (2.63) Se presupune cã debitul de evacuare F depinde de presiunea p, dupã relatia (curgere laminarã): Fe = k p(p - pc) (2.64)

Fig.2.9

Page 43: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

42

unde k este o constantã determinatã de rezistenta pneumaticã a traseului de evacuare, iar pc este presiunea la consumator. Prin dezvoltare în serie în jurul punctului nominal (stationar) de functionare, rezultã: Fe = Fe0 + Error!Error!+ Error!Error!+ … (2.65) Dacã se retine din (2.65) partea liniarã valabilã pentru presiunea p la orice moment de timp se obtine: Fe(t) = Fe0 + Error![p(t) – p0] (2.66) sau: ΔFe(t) = Error!Δp(t) (2.67) Se considerã mãrimile variabile în timp prin exprimãrile: p(t) = p0 + Δp(t) Fa(t) = Fe0 + ΔFa(t) (2.68) Fe(t) = Fe0 + ΔFe(t) Dacã se reia ecuatia (2.63), se tine seama de (2.67) si se extrage conditia de regim stationar: Fa0 – Fe0 = 0 se obtine: ΔFa(t) - (Error!)Δp(t) = Error!Error! (2.69) Prin normare se obtin mãrimile adimensionale ale canalului de executie: y(t) = Error!- mãrimea reglatã m(t) = Error!- mãrimea de executie Modelul dinamic final este atunci: Error!Error! Error!+ y(t) = Error!Error!m(t) (2.70) Se obtine astfel functia de transfer: Hp(s) = Error! (2.71) în care: kp = (Error!)-1 Error! (2.72) τp = Error!(Error!)-1 (2.72')

2.3.2 Proiectarea sistemelor pentru reglarea automatã a presiunii

Se considerã sistemul din figura 2.9 pentru care se presupune functia de transfer a pãrtii fixate: HF(s) = kT Error!Error!= Error! (2.73) rezultatã prin conectarea în serie dintre:

• traductorul de mãsurã pentru presiune, considerat element proportional cu factorul de amplificare kT;

• elementul de executie cu functia de transfer Error! • procesul cu functia de transfer (calculatã în subcapitolul 2.3.1) Error!

În aplicatiile practice τE << τP si se poate neglija; în schimb, reprezentarea (2.73) este corectatã prin considerarea fenomenelor de transport ale fluidului spre

Page 44: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

43

capacitatea pneumaticã sau hidraulicã, echivalate cu un timp mort τ = Error!, unde L este lungimea conductei, iar v este viteza de deplasare a fluidului. Astfel, se presupune datã functia de transfer a pãrtii fixate de forma: HF(s) = Error! (2.74)

Intrucît sistemele pentru reglarea automatã a presiunii sunt supuse unor perturbatii puternice, iar reprezentarea (2.74) este convenabilã, pentru proiectare se impune o procedurã de acordare experimentalã la perturbatii.

Astfel, dacã se acceptã un algoritm de reglare de tipul PI, în conformitate cu procedura de acordare experimentalã Kopelovici (la perturbatii), pentru forma standard (2.74) se recomandã parametrii optimi care asigurã o comportare globalã bunã a sistemului în circuit închis: k*

R = 0,6 Error! T*

i = 0,8 τ + 0,5 τF

2.3.3 Realizarea sistemelor pentru reglarea presiunii

SRA pentru presiune sunt realizate în structuri de reglare clasice dupã

eroare (abatere) (fig. 2.10). Propunem douã modalitãti de implementare SRA pentru presiune.

O implementare posibilã este cea datã în figura 2.10 si foloseste aparatura de automatizare tip lEA cu semnal unificat de curent (4 - 20 mA). Conexiunea aparaturii din configurarea sistemului de reglare se bazeazã pe înscrierea impedantelor de intrare în circuitul de curent constant, asigurat de adaptorul pentru semnal unificat al traductorului de presiune. De asemenea, se mentioneazã conversia comenzii obtinutã la iesirea regulatorului ca semnal unificat de curent (4 - 20 mA) la un semnal pneumatic prin care se actioneazã asupra elementului de executie prevãzut cu servomotor pneumatic.

Fig.2.10

Page 45: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

44

A doua propunere este cea din figura 2.11, care foloseste aparatura modularã cu semnal unificat de tensiune (0-10 Vcc), tip SRA. Se acceptã pãstrarea instrumentatiei de cuplare la proces (traductor de presiune cu semnal unificat de curent si element de executie cu servomotor pneumatic), din prima variantã de realizare a sistemului pentru reglarea presiunii.

Pentru interconectarea aparaturii SRA care prelucreazã semnale de tensiune (0-10 Vcc) se impune introducerea unei conversii suplimentare curent-tensiune pentru mãrimea mãsuratã (reglatã), respectiv o conversie tensiune-curent pentru mãrimea de comandã furnizatã de regulatorul automat.

2.4 Reglarea automatã a temperaturii

2.4.1 Estimarea parametrilor proceselor cu reglare de temperaturã Temperatura este un parametru reprezentativ pentru procese industriale cu

transfer de cãldurã. În sistemele de reglare automatã a temperaturii se calculeazã modelul

matematic pentru transferul de cãldurã de la un agent termic la un produs care urmeazã sã fie încãlzit sau rãcit.

Structura unui SRA pentru temperaturã este datã în figura 2.12.

Fig.2.11

Page 46: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

45

Se estimeazã modelul matematic pentru un proces cu transfer de cãldurã prin amestecare (convectie) cu agent termic si produs în fazã lichidã intr-un volum V, caracterizat de mãrimile:

Fa0 - debitul agentului termic ; Ta - temperatura agentului termic ; ca - cãldura specificã a agentului termic ; Fp - debitul produsului ; Tp - temperatura produsului; cs - cãldura specificã a produsului ; ρa - densitatea agentului termic ; ρn - densitatea produsului; Te - temperatura amestecului; ce. - cãldura specificã a amestecului; ρe - densitatea amestecului.

Pentru regimul stationar se scrie ecuatia de bilant energetic (cu neglijarea pierderilor exterioare de cãldurã): ρaFa0caTa + ρpFpcpTp - ρeFe0ceTe0 = 0 (2.75) si relatia evidentã: Fe0 = Fa0 + Fp (2.76) În regim dinamic, diferenta dintre fluxurile calorice introduse si extrase din sistem este compensatã de cantitatea de cãlduirã acumulatã (degajatã): ρaFa(t)caTa + ρpFpcpTp - ρeFe(t)ceTe(t)= ρeVceError! (2.77) Fe(t) = Fa(t)+ Fp(t) (2.78) Mãrimile variabile în timp T,(t) si Fa(t) se scriu: Te(t) = Te0 + ΔTe(t) Fa(t) = Fa0 + ΔFa(t) (2.79) Din (2.77), (2.78) si (2.79) rezultã: ρa[Fa0 + ΔFa(t)]caTa + ρpFpcpTp - ρe [Fa0 + ΔFa(t) + + Fp]ce [Te0 + ΔTe(t)] = ρeVceError! (2.80) Prin extragerea conditiilor de regim stalionar exprimate prin (2.75), (2.76) si neglijarea infinitului mic ΔFa(t)⋅ΔTe(t) avem:

Fig.2.12

Page 47: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

46

ρacaTaΔFa(t) - ρeFe0ceΔTe(t) - ρeceTe0ΔFa(t) = ρeVceError! (2.81) sau: ρeVceError!+ ρeFe0ceΔTe(t) = (ρacaTa - ρeceTe0)ΔFa(t) (2.82) Prin normare la valorile de regim stalionar se obtine: y(t) = Error! mãrimea reglatã m(t) = Error! mãrimea de executie (2.83) Dacã introducem (2.83) în (2.82) se obtine dupã un calcul simplu: Error!Error!+ y(t) = Error!Error!m(t) (2.84) Ecuatiei diferenliale (2.84) îi corespunde functia de transfer: Hp(s) = Error! (2.85) în care: kp = Error! τR = Error! (2.86)

2.4.2 Proiectarea sistemelor pentru reglarea automatã a temperaturii

Se considerã sistemul din figura 2.12, pentru care se presupune functia de transfer a pãrtii fixate: HF(s) = Error! Error!Error! (2.87) rezultatã prin conectarea serie a traductorului de temperaturã, a elementului de executie si procesului a cãrui functie de transfer a fost calculatã în subcapitolul 2.4.1.

Aici, constanta de întîrziere a elementului de executie este cea mai micã, iar constanta de întîrziere a traductorului de mãsurã nu se neglijeazã fatã de constanta de întîrziere a procesului. Rezultã pentru calculul de proiectare forma: HF(s) = Error! (2.88)

În multe aplicatii din practicã, constantele de întîrziere din HF(s) sunt mãri (procesele cu transfer termic sunt lente) si de aceea în algoritmul de reglare se impune un efect anticipativ, adicã si o comportare derivativã, deci recomandarea unui algoritm PID. Se adoptã ca metodã de proiectare metoda sistemului echivalent de ordinul doi în circuit fnchis si se doreste functia de transfer: H0e(s) = Error! (2.89) cu ωne si ξe, parametrii care includ performantele dinamice ale sistemului. Pentru sistemul în circuit deschis avem: He(s) = Error! (2.90)

Se considerã o lege de reglare PID cu factor de interinfluentã q = 1, care acceptã factorizarea: HR(s) = Error!(Tis + 1) (Tds + 1) (2.91)

Respectînd condifia Ti >> Ta, se face alegerea:

T*i = τP

T*d = τE (2.92)

Page 48: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

47

si se obtine pentru sistemul fizic cu circuit deschis: H(s) = Error!Error! (2.93) Din identificarea relatiei (2.90) cu (2.93) rezultã relatia de calcul pentru factorul de amplificare kR: Error!= ω2

ne/2ξe (2.94) Avem: k*

R = Error! (2.95) Conditia de acceptare a relatiei (2.94) este ca sã fie acoperitã performanta de

timp de rãspuns cu ωpe si ξe rezultate din suprareglajul impus si din relatia: τp = Error! (2.96) Pentru usurinta calculului a fost propusã reprezentarea factorizatã (cu q = 1) a algoritmului PID. În realitate regulatorul fizic are o functie de transfer cu factorul de interinfluenfã q = 2, cu functia de transfer: H'R(s) = K'RError! (2.97) În aceste condifii, valorile parametrilor optimi calculati k*R, T*i, T*d trebuie sã fie corectate. Se încearcã astfel o identificare între parametrii algoritmului PID cu q = 1 si cei ai algoritmului PID cu q = 2.

Din (2.91) si (2.97) rezultã: K'R(1 + 2Error!) = KR(1 + Error!) (2.98) T'i = Error!Ti (2.99) T'd = Error!Td (2.100) Se introduc notatiile:

Error!= λ > 0 (2.101) Error!= ρ > 0 (2.102) unde prin p se noteazã factorul de corectie. Avem k'R = ρkR T'i = ρTi (2.103) T'd = Error!Td Relatia (2.98) se exprima folosind (2.101) si (2.102) astfel: Error!= 1 + Error! (2.104) sau ;

(λρ2) – (1 + λ)ρ + 2 = 0 (2.105) Pentru solutii ρ > 0 este necesar ca:

λ2 - 6λ + 1 ≥ 0 1 + λ > 0 (2.106) 2λ > 0

Page 49: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

48

si echivalent cu (2.106): λ > 3 + 2 2 , adicã (λ > 5,86) (2.107) Dacã se respecta conditia:

λ = Error!> 5, 85 (2.108) se poate calcula factorul de corectie din (2.105):

ρ1, 2 = Error! (2.109) Se obtin parametrii optimi corectati:

k'*R = ρk*R

T'*i = ρT*i (2.110)

T'*d = Error!T*d

Mãrimea de corectie ρ poate lua douã valori din (2.109), dar se retine aceea pentru care Ti >> Td.

Page 50: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

CAP. 3. REGLAREA AUTOMATA A MARIMILOR FIZICE SI A PROCESELOR DIN INSTALATIILE FRIGORIFICE

3.1 Instalaţia frigorifică într-o treaptă de comprimare cu ventil de laminare

Aceste instalaţii sunt destinate inversării sensului fluxului termic, prin consum de energie mecanică din exterior ( Fig.3.1 ).

Funcţionare : Agentul frigorific (amoniac, freoni, clorură de metil, etc.)

cu starea 1 de vapori saturaţi uscaţi este comprimat adiabatic 1-2, apoi este condensat şi răcit 2-3 până la starea de lichid saturat 3. Prin laminare 3-4 (i = constant) se obţin vapori umezi cu starea 4 ( titlul x4 fiind apropiat de curba x = 0), iar vaporizarea 4-1 se face cu absorbţie de căldură. Lucrul mecanic elementar consumat şi puterea la compresor sunt:

lC = i2 –i1 ; P = m,• (i2 – i1) Fluxul termic la vaporizator:

Q,•V = m,• (i1 – i4) Fluxul termic la condensator:

Q,•K = m,• (i2 – i3) Dacă instalaţia funcţionează ca instalaţie frigorifică, atunci se absoarbe

fluxul Q,•V de la corpurile cărora trebuie să li se menţină o temperatură scăzută

şi se cedează mediului exterior fluxul Q,•K. Eficienta frigorifică (coeficientul economic) a instalaţiei frigorifice este:

εIF = Error!= Error!

i = ct

s

T K

x = 1 x = 0

i

lgpK

x = 1 x = 0

1

2

3

4

T2

1

2 3

4

Q• V

1

2 3

4 V

K

C VL

PC

Q• K

ME

Fig. 3.1. Schema şi ciclul instalaţiei frigorifice/pompei de căldură : C – compresor, K – condensator, VL – ventil de laminare, V – vaporizator.

Page 51: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Pompa de căldură absoarbe căldura Q,•V din mediul exterior şi, prin

consum de energie mecanică, cedează căldura Q,•K unor corpuri care trebuie încălzite. Eficienţa frigorifică a pompei termice este:

εPC = Error!= Error! 3.2 Instalaţia frigorifică într-o treaptă de comprimare cu detentor

Detentorul poate fi un compresor cu piston sau o turbină. Instalaţia este mai scumpă decât instalaţia cu ventil de laminare, dar

cheltuielile de exploatare se micşorează, deoarece detentorul asigură parţial antrenarea compresorului C.

Puterea mecanică absorbită din exterior va fi:

P = PC - PD = m,• (i2 - i1) - m,• (i3 - i4) Aceste instalaţii se folosesc pentru puteri frigorifice mari şi ca pompe de căldură de puteri medii şi mari (Fig.3.2).

s = ct

s

T K

x = 1 x = 0

i

lgpK

x = 1 x = 0

1

2

3

4

T2

1

2 3

4

Q• V

1

2 3

4 V

K

C

PC

Q• K

ME D

n s = ct

3.3 Instalaţia frigorifică cu comprimare în două trepte şi cu două laminări

Când raportul presiunilor (p2/p1) este foarte mare, se utilizează comprimarea în două trepte, care conduce la o economie de lucru mecanic consumat şi la obţinerea unor temperaturi mai scăzute (Fig.3.3). Fluxul de căldură la condensator:

Q,•K = m,• (i4 - i5) Fluxul de căldură la vaporizator:

Q,•V = m,• (i1 - i8)

Fig. 3.2. Schema şi ciclul instalaţiei cu detentor: C - compresor; K - condensator; D - detentor; V – vaporizator.

Page 52: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Q• V

i = ct

s

T K

x = 1 x = 0

i

lgpK

x = 1 x = 0

1

25

8 1

2

5

8

1

2

3

4 5

6

7

8 V

K C1

BRI VL1

VL2

PC1

PC2 C2

Q• K

4

736

43 67

Fluxul de căldură la butelia de răcire intermediară:

Q,•BRI = m,• (i2 - i3) Puterea totală consumată pentru antrenarea compresoarelor:

P = PC1 + PC2 = m,• (i2 - i1) + m,• (i4 - i3) Eficienta frigorifică este:

εIF = Error!= Error! Pentru obţinerea unor temperaturi şi mai scăzute se utilizează instalaţii

frigorifice în cascadă, cu agenţi frigorifici diferiţi pe fiecare treaptă a cascadei. Alte tipuri de instalaţii frigorifice: cu absorbţie, cu resorbţie, cu ejectie.

3.4 Principii generale si functiunile dispozitivelor de automatizare (DA) în instalatiile frigorifice (IF)

Instalatia automatizata(IA) cuprinde, în cea mai simpla reprezentare, urmatoarele(Fig. 3.4):

- MR - mediul rãcit;

- IF - instalatia frigorificã care asigurã extragerea fluxului: Q,•f

- Q,•s = Q,•f (în regim stationar) -sarcina termica; - P - puterea consumatã din exterior (la motorul compresorului sau la

fierbatorul instalatiei cu absorbtie);

- Q,•d- fluxul termic evacuat de IF (la condensator sau absorbitor);

Fig. 3.3. Schema şi ciclul instalaţiei frigorifice în două trepte de comprimare şi cu două laminări: K – condensator, VL - ventil de laminare, V – vaporizator, BI - butelie de răcire intermediară, C1 - compresor de înaltă presiune, C2 - compresor de joasă presiune.

Page 53: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

- θ = xe- mãrime de iesire (temperatura MR);

- xm -mãrimea de comanda care ajusteazã Q,•f (intrare în IA);

- Q,•s -xp- mãrimea perturbatoare (flux de sarcina termica). Celelalte mãrimi perturbatoare (care influenteazã indirect temperatura t1 prin

modificarea parametrilor ciclului termic) sint introduse de modificarea factorilor

ce influnteazã P si Q,•d: - variatia presiunii si/sau a temperaturii aburului la fierbator; - variatia presiunii si/sau a temperaturii, în circuitul apei de racire la

condensator sau absorber.

Obiectivele automatizarii vizeazã realizarea indicatorilor tehnologici ai instalatiei: mentinerea temperaturii si/sau a umiditatii MR cu un consum minim de energie din exterior si cu pastrarea în limite admise a tuturor mãrimilor fizice ce determina functionarea instalatiilor frigorifice. Masura indeplinirii acestor obiective se exprima printr-un ansamblu de indicatori de performantã . La instalatii cu mai multe medii rãcite(Fig. 3.5) apar functii specifice: - realizarea diverselor nivele de temperatura; - comanda ansamblului interconectat al circuitelor frigorifice.

Sarcina frigorificã totalã va fi Q,•f = Σ Q,•fi.

Fig.3.4

Page 54: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

O instalatie frigorificã este un sistem multivariabil în care se interactioneazã un ansamblu de subsisteme care pot realiza individual diverse functii de automatizare.

Principalele functiuni ale sistemului automat în IF sunt: 1) Realizarea obiectivelor primare ale IF: asigurarea valorii prescrise a

temperaturii mediului pentru orice Q,•s. 2) Asigurarea integritatii si eficientei aparatelor precum si realizarea

parametrilor ciclulu termic. Sistemele automate vor fi: a) SRA au ca mãrimi de iesire: pk, po, supraincalzirea, nivelul

lichidului în recipiente, tk, mãrimile fizice pentru separatoare de ulei si dezaeratoare.

b) Sisteme de protectie automata: se referã la nivelul de lichid din recipienti, pk, po, tk, to, Δpulei.

c) Sisteme de comanda automata: pentru decongelare, pornirea instalatiei în ciclul de reglare bipozitionala, pentru pomparea agentului lichid, etc..

3) Asigurarea performantelor energetice, adica obtinerea temperaturii

prescrise a mediului rãcit la diferitele valori termice, Q,•s , trebuie sa

rezulte cu un consum energetic minim. Pentru Q,• = Q,•s rezultã Q,•S(ts) =

Q,•t(tp).

Problema esentialã este pentru a ajusta debitul frigorific Q,•f în limitele

determinate de variatiile Q,•S fãrã ca perfarmantele energetice ale sistemului sa fie diminuate. Aceste SRA se numesc pentru reglarea "capacitatii".

Fig.3.5

Page 55: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4) Modificarea regimurilor de perforanta a IF, în conformitate cu necesitatile de exploatare, intretinere si protectie a muncii problema impusa prin legislatie)

5) Optimizarea IF. Criteriile de performanta utilizate sunt:

a) Criterii energetice: minimalizarea consumului de energie, atunci când se modificã în limite largi sarcina termica. Acest indicator poate fi adoptat în douã ipoteze distincte:

-I.F. lucreazã în regim permanent, modific.cond.de mediu fiind foarte lenta, iar abaterile în regim dinamic sunt neglijabile (fata de valorile nominale). -I.F. lucreazã în regim dinamic, cu modificari bruste si frecvente ale sarcinii

termice, Q,•s. b) Criterii tehnologice:obtinerea unui timp minim de racire sau a unei variatii

impuse, fata de care se defineste un criteriu integral de eroare. c) Criterii tehnico-economice:imbina aspecte energetice si tehnice

(planificarea în timp a utilizarii spatiilor rãcite, a reviziilor etc.).

3.5. Reglarea automata a temperaturii mediului rãcit la IF cu racire directa.

Schemele de principiu sunt date în figura 3.6.

a) Se utilizeazã în cazulul vaporizarizatoarelor(V) cu un continut redus de agent lichid (V-cu supraincalzirea vaporilor). Dacã IF are o singurã incinta rãcitã robinetul electromagnetic nu este necesar, deoarece termostatul 3 va comanda direct pornirea sau oprirea motorului electric al compresorului (sau a ventilatorului): cazul frigiderelor sau al compresorului frigorifice (t = -20 ºC).

b) În cazul V din instalatia indicata (cu continut mare de agent lichid), procesul de vaporizare continua si dupã inchiderea electroventilului EV-4; în acest caz se prevad 2 EV, la intrarea si iesirea V, comandate simultan de termostat. Se poate utiliza si numai un EV montat la iesirea V.

Fig.3.6

Page 56: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Dupã inchiderea EV de pe conducta de vapori se produce cresterea procesului de vaporizare (p0), care determina reducerea substantialã a vaporizarii, si consecinta, amplitudinea oscilatiilor temp. va fi mai mica.

c) În acest caz se pot asigura performante superioare celor obtinute la reglarea dipoz. Regulatorul de presiune 7 mentine presiunea de vaporizare (p0) la o valoare impusa de traductorul de temperatura 6. Dacã temperatura din incinta creste, regulatorul6 micsoreazã referinta regulatorului de presiune 7, care va mentine la o valoare mai scazuta p(?), (deci si t(?), astfel încât temperatura din incinta tinde sa revina la valoarea anterioarã (actiunea regulatorului 7 consta în cresterae sectiunii de trecere a robinetului de reglare 8, rezulta cresterea debitului de agent, deci puterea frig. a V).

IF cu racire indirecta Se utilizeazã reglarea bipozitionalã (Fig. 3.7).Agentul intermediar care

circula prin rãcitorul 1 este furnizat de schimbatorul de caldura ce include vaporizatorul instalatiei frigorifica( IF).

Reglarea umiditatii aerului în camerele frigorifice se face numai în

anumite situatii (de exemplu, conservarea prin frig a legumelor si fructelor, instalatie de aer conditionat).

Când se impune mentinerea constanta a umiditatii în camerele frigorifice se utilizeazã solutii relativ simple: comanda bi- sau tripozitionalã a debitului de apã la umidificator, prin intermediul unui frigostat. În cazul instalatiei de conditionare, reglarea umiditatii se face prin solutii mai complicate.

Fig.3.7

Page 57: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.6 Reglarea presiunii de vaporizare(Fig. 3.8)

C1, C2...- incinte rãcite (cu temperaturi diferite). Dacã presiunea de vaporizare ar fi aceeasi la toate vaporizatoarele, atunci în camera C1 ar exista o diferenta excesiva intre temperatura din incinta si cea de vaporizare, ceea ce conduce la depunerea intensa a ghetii pe vaporizator.

Pentru evitarea acestei situatii se mentine temperatura de vaporizare în camera c1 mai mare (deci si p0 mai mare) decat în restul camerelor, utilizand un regulator de presiune de vaporizare 1. Intrucat la oprirea instalatiei se poate produce circulatia în sens invers a agentului prin restul vaporizatoarelor, la iesirea acestora se monteazã o clapeta de retinere 3. La instalatii frigorifice mici, cu un compresor si o singurã incinta rãcitã, la care temperatura mediului exterior are variatii importante (de exemplu, dulapuri frigorifice), reglarea lui t0 si a presiunii p0 se realizeaza utilizand regulatoare bipozitionale (termostate).

3.7 Reglarea presiunii de condensare(Fig. 3.9) În cazul condensatoarelor rãcite cu apã, se utilizeazã regulatoare cu presiunea de condensare cu actiune continua, care ajusteazã debitul de apã pentru stabilizarea presiunii la valoarea prescrisa (a). La condensatoarele rãcite cu aer se pot utiliza presostate, montate pe conducta de refulare, care comanda bipozitional cuplarea sau decuplarea ventilatoarelor de racire (b). Un ventilator rãmâne, de regulã, conectat permanent. Aceasta reglare se poate face astfel:

a) reglare prin modificarea debitului de apa

Fig.3.8

Page 58: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

b) prin comanda bipozitionalã a ventilatoarelor c) prin modificarea suprafetei active de schimb de caldura.

O solutie care duce la performante superioare este în cazul c); regulatorul cu actiune continua 9 mentine la o valoare constanta pK, functionind astfel: dacã temperatura aerului este micã (pK sub valoare prescrisa), regulatorul micsoreazã sectiunea de trecere a robinetului de reglare 10, ceea ce conduce la cresterea nivelului de lichid in K, deci la micsorarea suprafetei efective de schimb de caldurã metal-vapori; cantitatea de agent care condenseazã se micsoreazã si pk creste, tinzand sa compenseze efectul initial de scadere a presiunii pk.

Dacã temperatura aerului scade excesiv, sectiunea de trecere a robinetului 10 se micsoreazã farte mult si presiunea în rezervorul de lichid 4 nu asigurã functionarea normala a VL. Din acest motiv s-a introdus regulatorul de presiune, care mentine constant presiunea în rezervorul de lichid, la o valoare prescrisa (p1), sub valoarea presiunii de condensare (pk). La un eventual reglaj incorect al referintelor regulatorului: 9 si 11, clapeta de retinere 13 impiedicã intoarcerea lichidului în conducta de refulare a compresorului.

Fig.3.9

Page 59: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.8 Reglarea supraincalzirii vaporilor si a nivelului lichidului în aparate

Reglarea supraincãlzirii vaporilor La vaporizatoarele care debiteazã în conducta de aspiratie a

compresorului este necesar sa se asigure o anumita valoare a supraincalzirii vaporilor la iesirea din V, în scopul protectiei contra patrunderii picaturilor de agent lichid în compresor (fapt ce conduce la distrugerea compresorului).

Dupã VL agentul frigorific este sub forma de picaturi de lichid si vapori (vapori umezi); picaturile se depun pe suprafata interioarã a conductei, realizând o peliculã de lichid ce se vaporizeaza, asigurând astfel un bun transfer termic (specific contactului lichid-metal).

Eficienta functionarii V este asigurata practic numai pe zone unde este pelicula de lichid; trebuie sa existe o limitare a acestei pelicule la iesirea din vaporizator (pentru a evita patrunderea lichidului la aspiratia compresorului). Pe portiune a vaporizatorului va exista astfel un coeficient de transfer termic foarte slab, specific contactului vapori-metal; este ca si cum s-ar lucra cu un V mai scurt.

Prin asigurarea supraincalzirii vaporilor se asigurã în permanenta L < L0 (L0 - lungimea conductei V, L-lungimea corespunzatoare peliculei de lichid). Supraincalzirile se realizeazã pentru Δts = 6 ºC.

Regulatoarele de supraincalzire includ si VL, formând un dispozitiv denumit în practicã detentor termostatic sau "robinet de laminare termostatic". În general, eficienta V scade dacã se intaresc precautiile privind iesirea picaturilor de lichid din vaporizator.

Se regleazã practic indirect supraincalzirea: se regleazã o diferenta de presiune Δp = pb-pv; pb-presiune din bulb; pv-presiune de vaporizare (la iesirea din VL). În bulb exista acelasi agent ca si în instalatia frigorifica. Presiunea din bulb refecta supraincalzirea, pv = f(t0), deci si Δp reflecta supraincalzirea. În functie de Δp , VL regleazã deci umplerea V.

Reglarea indirecta se foloseste când pierderile hidraulice pe vaporizator sunt mãri: în acest caz schema prezentata anterior nu reflecta corect supraîncãlzirea si de aceea Δp se ia la iesirea din vaporizator.

Page 60: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.9. Reglarea nivelului lichidului în aparate (recipiente)(Fig. 3.10)

În practica, robinetul de reglare se monteazã cel mai frecvent, pe conducta de intrare în recipient.

3.10 Ajustarea automata a puterii frigorifice.

Introducere Realizarea temperaturilor scazute în incintele rãcite, la diverse valori ale

sarcinii Q,•S, trebuie sa rezulte cu un consum energetic cit mai redus. Se impune, deci, utilizarea unor sisteme speciale de ajustare aut. a puterii frig., pentru ca

egalitatea acesteia cu sarcina termicã (Q,•F= Q,•S), în regim stationar, sa aibã loc la valori ale param. inst. pentru care consumul specific de energie sa fie cit mai redus.

La instalatiile cu comprimare mecanicã de vapori, informatia privind

variatia sarcinii termice (Q,•s) este data de variatia presiunii sau a temp. de aspiratie (p0, t0).

La instalatiile cu absorbtie, aceasta informatie este data de variatia temperaturii agentului termic intermediar. OBSERVATII: Denumirea uzualã pentru ajustarea automata a puterii frigorifice este "reglarea capacitatii" (denumire incorecta deoarece capacitatea frigorificã nu este reglata la o valoare prescrisa, ci ajustata în conformitate cu necesitatile functionarii economice a I.F.)

Fig.3.10

Page 61: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Ajustarea puterii frigorifice în instalatii cu comprimare mecanicã de vapori

Cea mai utilizata metoda: oprirea unui numar de compresoare. Ajustarea automata a puterii frigorifice trebuie sa se reducã la o problema de reglare automata a unei mãrimi variabile din I.F.(se utilizeazã frecvent: presiune de aspiratie în compresor sau temperatura de aspiratie). Dacã scade sarcina frigorificã scade si presiunea de aspiratie. Exista 2 categorii de mijloace pentru ajustarea puterii frigorifice la compresor:

I- mijloace oferite de constructia compresorului. II- mijloace externe compresorului.

Ajustarea Q,•F prin mijloace incluse în compresor(Fig. 3.11)

Functionare: EE hidraulic 2 permite actionarea supapelor de aspiratie ale compresorului. Dacã EV 6 de pe conducta de comanda 7 este deschis, uleiulva trece în partea superioarã a cilindrului 2 prin orificiul de egalizare 4 din pistonul 3, iar de aici se scurge prin conducta 8 în carter.

Caderea de presiune pe orificiul de egalizare tine pistonul ridicat)resortul 5 este comprimat), astfel încât tija 12 nu actioneazã supapele de aspiratie, acestea functionand normal.

Dacã se inchide EV 6, prin orificiul 4 se egalizeazã presiunea pe cele 2 fete ale pistonului, acesta este impins în jos de resort si tija 12 mentine supapele de asp deschise în mod fortat; compresorul fiind astfel "decuplat" (pref = pasp). Clapeta CR 11 impiedicã accesul vaporilor de agent de înaltã presiune în

cilindrul decuplat. Acest principiu de ajustare a Q,•F0 se poate utiliza în

Fig.3.11

Page 62: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

urmatoarele variante: 1) În cazul compresoarelor cu mai multi cilindri, se regleazã presiunea de aspiratie prin decuplarea unor cilindri. Numarul de trepte de ajustare a puterii frigorifice depinde de cilindri:

nr. de cilindri nr. de trepte ale Q,•F0

2 1; ½; 0 3 1; 2/3; 1/3; 0 4 1; ¾;1/2; 0

În practicã treapta 0 se realizeazã prin aspirarea compresorului. Pornirea compresorului se face cu cilindrii decuplati. pentru reducerea cuplului de pornire a motorului electric. 2) În cazul unor compresoare de mare capacitate, comanda EE hidraulic este astfel realizata, încât supapele de admisie sunt mentinute deschise pe un anumit

interval al cursei de compresie; astfel se realizeazã o ajustare continua a Q,•F.

Ajustarea Q,•F prin mijloace externe compresorului 1. La instalatii frigorifice cu un singur compresor se utilizeazã metode de

ajustare discontinua si continua a Q,•F (prin reglarea presiunii sau a temperaturii de aspiratie). a) Reglarea discontinua - se realizeazã cu ajutorul presostatelor sau a

termostatelor de aspiratie prin reglare bipozitionalã. i) pornirea si oprirea compresorului ii) cuplarea si decuplarea unor cilindrii prin deschiderea unor

EV montate intre refulare si aspiratie iii) modificarea în trepte a turatiei motorului electric prin

modificarea numarului de perechi de poli ai acestuia b) Reglarea continua - a presiunii sau a temperaturii de aspiratie se

face prin recircularea vaporilor de la refulare la aspiratie sau mai rar prin ajustare continua a turatie motorului de actionare (se utilizeazã motor asincron comandate prin convertizoare statice de frecventa.

c) Utilizarea unor aparate de reglare montate în IF. Este cazul IF de mare capacitate în care se utilizeazã rãcitoare intermediare (RI) ce pot joacã rol de separator acumulator (SA). Se considerã un sistem în douã trepte si se prevede o conducta de legaturã intre

RI si SA (pe partea de vapori). Dacã Q,•S descreste atunci p în SA si regulatorul de presiune mareste debitul de vapori de la RI la SA, tinzând spre cresterea

Page 63: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

presiunea din SA. Aceasta echivaleazã cu un by-pass intre refulare si aspiratie (la nivelul treptei de

joasa presiune JP). 2. Ajustarea automata a puterii frigorifice la IF cu mai multe compresoare

Aceste compresoare sunt legate în paralel, iar ajustarea puterii frigorifice Q,•f se face în trepte dupã presiunea de aspiratie(Fig. 3.12).

Qn - sarcina frigorificã nominala.

a) Reglarea sarcinii frigorifice , Q,•f , in trepte (statica) Presostatele P1, P2 si P3 au pragurile de basculare p1 - p3, p2 - p4, p3 - p5 si comanda actionarea motoarelor electrice m1, m2, m3 ale compresoarelor C1, C2 si C3. Dacã sarcina termicã este mai micã de 33% din sarcina nominalã, functioneazã

Fig.3.12

Page 64: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

numai C1 în regim de reglare bipoz. presostatul P1 mentine presiuneade aspiratieîn domeniul [p1, p3].

Dacã Q,•f depaseste 33% din cea nominalã, C1 functioneazã permanent, iar C2 va fi reglata bipoz. de presostatul P2 care va mentine în domeniul [p2, p4].

Dacã Q,•f depaseste 66% din cea nominalã, C1 si C2 functioneazã permanent iar C3 va fi reglat bipoz. de presostatul P3, în domeniul presiunea de aspiratie [p3, p5]. Prin schema electricã trebuie sa se asigure comentarea ciclicã a ordinii de pornire a compresoarelor pentru a se obtine o uzurã uniforma a lor. Aceasta schema de reglare în trepte este simpla, dar conduce la variatii relativ mãri ale presiunii de aspiratie. Se obtin performante superioare prin comanda secventiala, în trepte, a functionarii compresoarelor.

b) Comanda secventialã în trepte (astatica)

Dacã sarcina termicã este cuprinsa intre 0 si 33% din sarcina nominalã (Q,•n), presostatul P va comanda compresorul C1 în regim de reglare bipoz. La cresterea

sarcinii peste 33% din Q,•n, functionarea lui C1 nu mai poate asigurã mentinerea presiunii de aspiratie în domeniul [p1, p2] si aceasta creste pânã la pI, când presostatul PI actioneaza. În continuare, DCS mentinc C1 permanent actionat, iar C2 va fi comandat în regim de reglare bipozitionalã de catre presostatul P, pentru mentinerea presiunilor în domeniul [p1 , p2]. Dacã, în continuare, sarcina termicã scade sub 33% Qn, atunci, la functionarea permanenta a lui C1, presiunea de aspiratie scade sub pII si actioneazã presostatul P

II. În consecinta, DCS va decupla complet C2, iar C1 va fi comandat de

presostatul P în regim de reglare bipoz. [p1 p2].

Dacã sarcina termicã va creste peste 66% din Q,•n, C1 si C2 functiona permanent si dacã presiunea creste pânã la pI, atunci presostatul PI va determina, prin DCS functionarea lui C3 (reglare bipozitionala prin presostatul P).

3.11 Pornirea motorului electric în ciclul de reglare bipozitionala Pornirea compresorului se poate realiza în 2 situatii distincte, privind regimul de functionare a IF;

a) pornirea în cadrul unui ciclu de reglare bipozitionale când IF lucreazã la parametri foarte apropiati de cei nominali (trebuie preluata sarcina staticã si cea dinamica)

b) pornirea instalatiei calde, în situatiile de punere în functiune; sau dupã regimul de dezghetare.

Page 65: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Comanda automata a pornirii compresorului în cadrul unui ciclu de reglare bipozitionala

Cuplul rezistent al motorului de antrenare a compresorului contine 2 componente: -componenta staticã , data de presiunea de refulare; -cuplul dinamic , proportional cu momentul de inertie redus la arbore. Preluarea cuplului total de pornire(Mp ) se face în functie de motorul de antrenare, dupã cum urmeaza:

a) La utilizarea unor motoare electrice care asigurã cuplu mare de pornire, problema enuntata se rezolva de la sine. Ramine de adoptat solutii simple eficiente de automatizare a pornirii acestor motoare. Pentru functionarea compresorului în ciclu de reglarea bipozitionala se adopta: -comanda în functie de timp sau de frecventa, cu reostat retoric; -comanda în functie de timp sau de frecventa, cu mutator.

b) La utilizarea motoarelor asincrone cu rotorul în scurt circuit, raportul Mp/Mn>2: pentru motor de puteri mici si foarte mici pornirea se face printr-o comanda clasica(Mn-cuplul nominal al compresorului).

(Ex. în seria ASI de motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurt circuit, pentru Pn<22 kW, MP/Mn ≥ 4). În cazul motoarelor monofazate sau bifazate (Pn foarte mici) utilizate la dulapuri frigorifice, pornirea se face simplu, deoarece în pauza de functionare din ciclul de reglare bipozitionate, presiunile din circuit se egalizeazã( VL capilar permite acest lucru). Mp/Mn = 1, 5....1, 2 -pntru puteri mari.

3.12 Automatizarea pomparii agentului frigorific

Automatizarea instalatiei de pompare a agentului spre vaporizator Principalele dispozitive de automatizare pentru instalatia de pompare a agentului frigorific de joasa presiune sunt prezentate în figura 3.13. Pompele P1 si P2 sunt prevazute cu presostatele diferentiale PD1 si PD2, cuplate la circuitul de comanda CC. Dacã P1 este în functiune, iar P2 este în rezerva, la defectarea pompei care functioneazã (P1) va comuta PD1 si în mod automat, adica CC cupleazã pompa P2 (decuplând si P1).

Page 66: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Deoarece functionarea termostatelor de ambianta 5, care comanda robinetul electromagnetic 4, conduce la modificarea rezistentei hidraulice a circuitului cuprins intre refularea si aspirarea pompei, se impune reglarea automata a diferentei de presiune pe vaporizatoare. În acest scop se utilizeazã regulatorul 6, care comanda robinetul de reglare 7, montat pe conducta de recirculare 8. Nivelul lichidului în SA se regleazã bipozitia cu regulatorul 1, care comanda EV2. Dispozitivul de comanda bipozitional 3 sunt prevazute pentru protectie la nivel maxim admis (high) si minim admis (low). Observatie: exista situatia când nici un vaporizator nu mai primeste lichid)toate electroventilele comandate de regulatoarele de temperatura T-C sunt inchise); în acest caz, presiunea de refulare la pompa care functioneazã creste (cealalta pompa este de rezerva). Astfel se prevede o conducta de by-pass (notata cu x); regulatorul de diferenta de presiune R comanda deschiderea robinetului de reglare, dacã presiunea px creste si o parte din lichid (sau tot) este by-passat.

Fig.3.13

Page 67: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.13 Automatizarea turnurilor de racire a apei

In cazul turnurilor de racire a apei utilizate in instalatiile frigorifice impreuna cu condensatoare multitubulare, se prevad, in general, reglarea temperaturii apei la iesire din turn si protectia impotriva pericolului de inghet a ei la temperaturi exterioare ale aerului sub 0°C. R eglarea temperaturii apei la iesire din turn este necesara atunci cand instalatia frigorifica impune acest lucru, deoarece capacitatea termica a turnului de racire variaza puternic cu temperatura termometrului umed a aerului exterior, temperatura care sufera fluctuatii mari in functie de anotimp si de starea vremii.

Metoda cea mai simpla de reglare a temperaturii apei de iesire din turn se realizeaza prin pornirea si oprirea ventilatorului. Ea este economica si pretabila mai ales in perioadele in care temperatura ambianta este peste 0°C, iar conditiile impuse pentru temperatura apei la iesire din turn nu sunt foarte severe. Calitatea reglajului poate fi imbunatatita daca ventilatorul este prevazut cu motor cu doua turatii, caz in care se utilizeaza un regulator de temperatura tripozitional.

Atunci cand se impun conditii severe de reglare a temperaturii apei la iesire din turn sau atunci cand turnul functioneaza la temperaturi ale aerului exterior inferioare valorii de 0°C, este recomandabila utilizarea de palete reglabile montate pe refularea ventilatorului, comandate in functie de temperatura apei la iesire din turn si actionate de un servomotor. Cand paletele de dirijare ating pozitia minima, respectiv sectiunea de refulare este strangulata la maximum, se comanda automat oprirea ventilatorului prin intrerupatoare de sfarsit de cursa. Paletele reglabile trebuie protejate impotriva contactului cu apa pentru a preveni coroziunea si blocarea cu gheata a rotorului ventilatorului.

Deoarece cantitatea de apa aflata in circuitul unui turn de racire a apei se reduce in timpul functionarii datorita, pe de o parte vaporizarii unei parti din apa necesara obtinerii efectului de racire si pe de alta parte antrenarii unei cantitati de apa in aerul refulat din turn, este necesara completarea permanenta cu apa de adaos. Aceasta se realizeaza automat prin intermediul unui regulator de nivel cu flotor, cu actiune directa, care comanda deschiderea unui robinet cu ventil. Reglarea nivelului apei din tava de colectare a apei se poate realiza si printr-o bucla de reglare, cuprinzand: traductor electromagnetic de nivel cu flotor care actioneaza un robinet electromagnetic montat pe conducta de alimentare cu apa de adaos.

Pentru perioadele de functionare ale turnului de racire, in care temperatura ambianta scade sub valoarea de 0°C, este necesara prevederea protectiei impotriva inghetului apei. Atat timp cat capacitatea turnului de racire este reglata prin variatia debitului de aer, nu exista pericolul inghetarii apei recirculate. In perioadele de nefunctionare este necesara insa protectia impotriva inghetului apei din tava de colectare a turnului. Cea mai buna metoda de evitare a inghetului apei din tava este prevederea unui rezervor de colectare amplasat intr-un spatiu incalzit. In acest mod, la oprirea functionarii turnului, intreaga

Page 68: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

cantitate de apa aflata in exterior se scurge in rezervorul din spatiul incalzit. In cazurile in care nu se dispune de spatiul necesar amplasarii acestui rezervor de colectare sau din motive de economie de cost al investitiei, protectia impotriva inghetului apei din tava se realizeaza prin incalzirea acesteia cu rezistente electrice imersate, comandate de un termostat cu bulbul amplasat in baia de apa sau cu serpentine incalzite cu abur sau apa calda, caz in care circulatia agentului de incalzire este comandata tot de un termostat care actioneaza prin intermediul unui releu un robinet montat pe conducta de tur a serpentinei. In cazul utilizarii rezistentelor electrice de incalzire a apei din tava, se prevede, ca o masura de protectie, un releu de nivel minim al apei, care scoate automat rezistentele electrice de sub tensiune la atingerea nivelului inferior pozitiei rezistentelor. Tot in vederea protectiei impotriva inghetului se recomanda izolarea termica si incalzirea cu banda electrica a tuturor tevilor expuse aerului exterior si care nu se autodreneaza la oprirea functionarii turnului.

Turnurile de racire sunt concepute in asa fel incat sa se obtina un nivel redus de zgomot si sa se elimine vibratiile, utilizandu-se in acest scop diferite sisteme de amortizare a zgomotului si de reducere a vibratiilor.

Ca masura de protectie impotriva vibratiilor periculoase la unele aparate, motoarele ventilatoarelor sunt prevazute cu intrerupatoare actionate automat la atingerea unor elongatii maxime ale vibratiilor.

In fig.3.14 este prezentata o schema de automatizare a functionarii unui turn de racire cu ventilator centrifugal refulant, care raceste apa necesara racirii unui condensator frigorific. Reglarea capacitatii de racire a turnului se realizeaza

Fig.3.14. Schemă de automatizare a unui turn de răcire a apei: 1 - turn de răcire a apei; 2 - reţinătorde picături; 3 - sistem de distribuţie a apei; 4 -

umplutura turnului; 5 - termostat; 6 - condensator; 7 - regulator de nivel cu flotor; 8 - filtru de apă; 9 - pompă de apă; 10 - rezistenţă electrică de încălzire; 11 - ventilator centrifugal; 12 - regulator de temperatură; 13 - palete reglabile.

Page 69: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

continuu, prin actionarea paletelor reglabile 13 prin intermediul regulatorului de temperatura 12. Protectia impotriva inghetarii apei din tava se realizeaza prin incalzirea cu rezistentele electrice 10 comandate de termostatul 5.

Schita sistemului de protectie impotriva inghetului prin utilizarea unui rezervor de colectare este redata in fig.3.15.

In cazul tumurilor de racire a apei prin utilizarea efectului de ejectie, antrenarea aerului nu mai este realizata de catre ventilatoare, ci prin efectul de ejectie produs de apa recirculata care este refulata in turn prin duze de stropire cu viteze ridicate de curgere. Reglarea capacitatii de racire a turnurilor cu ejector se poate realiza principial, prin reglarea debitului de apa recirculata: : baipasarea unei cantitati de apa, utilizarea in serie a doua pompe de apa cu posibilitatea functionarii unei singure pompe, utilizarea de variatoare de turatii la motoarele electrice ale pompelor de apa.

3.14 Automatizarea sistemelor de recuperare a căldurii de condensare din

instalaţiile frigorifice

In instalaţiile frigorifice căldura de supraîncălzire a vaporilor şi căldura lor latentă de condensare este, în general, preluată de un agent de răcire, apă, aer, sau apă şi aer, şi evacuată într-un mod sau altul către mediul ambiant. Ţinând seama de necesitatea reducerii consumurilor de energie precum şi de posibilitatea de a se utiliza căldura de supraîncălzire şi de condensare, există şi se pot folosi mai multe sisteme de recuperare a acestei călduri fără a se face uz de o instalaţie de pompă termică care să-i ridice potenţialul termodinamic.

Fig.3.15. Schiţa sistemului de protecţie împotriva îngheţării apei prin utilizarea unui rezervor de colectare: 1 - turn de răcire a apei; 2- ventilator axial; 3 – planşeu exterior; 4 - regulator de nivel cu flotor; 5 - pompă de apă; 6 - filtru; 7 - ţeava de golire a apei; 8 - rezervor de colectare; 9 - preaplin; A - exterior; B - spaţiu încălzit.

Page 70: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.14.1. Sisteme de recuperare a căldurii de condensare din instalaţiile frigorifice

Alegerea schemei sistemului de recuperare precum şi elementele de

automatizare aferente necesare, se fac în funcţie de cantitatea căldurii care poate fi recuperată, scopul în care este utilizată, variaţiile sarcinii de încălzire, mărimea şi caracteristicile instalaţiei frigorifice, tipul condensatorului instalaţiei frigorifice, natura şi proprietăţile agentului frigorific şi ale uleiului, tipul compresoarelor ş.a. Trebuie ţinut cont, de asemenea, de faptul că prin utilizarea sistemului de recuperare a căldurii de condensare nu trebuie să se perturbe funcţionarea instalaţiei frigorifice sau de condiţionare a aerului din care se recuperează această căldură.

Principial, sistemul de recuperare a căldurii poate fi întocmit după scheme ale circuitelor de agent în care condensatorul de recuperare sau desupraîncălzitorul de recuperare a căldurii se montează fie în serie cu condensatorul instalaţiei frigorifice, în amonte de acesta, fie în paralel cu acesta. Există şi sisteme de recuperare a căldurii lichidului condensat, caz în care schimbătorul de căldură se montează în serie cu condensatorul în aval de rezervorul de lichid, obţinându-se şi un efect de subrăcire a agentului frigorific care conduce la îmbunătăţirea eficienţei ciclului instalaţiei. în cazul sistemului de cuplare a condensatorului de recuperare în paralel cu condensatorul instalaţiei, se pot utiliza mai multe variante ale schemei şi anume: fără reglarea presiunii de condensare, cu reglarea continuă a presiunii de condensare, cu presiune de condensare superioară celei de regim şi cu condensatoare multiple de recuperare.

La conceperea şi proiectarea sistemelor de recuperare a căldurii de condensare trebuie să se aibă în vedere mai multe aspecte importante: automatizarea sistemului de recuperare a căldurii de condensare trebuie realizată astfel încât să se asigure o recuperare maximă şi să se evite incidente în funcţionarea instalaţiei frigorifice; instalaţia trebuie prevăzută cu un rezervor de lichid de capacitate mai mare decât în mod normal;

- toate conductele şi recipienţii trebuie izolate termic; - trebuie evitată reglarea capacităţii frigorifice prin metoda reîntoarcerii

vaporilor calzi de agent refulaţi în conducta de aspiraţie a compresorului; - este recomandabil să nu se adopte o temperatură de condensare mai

ridicată decât cea necesară funcţionării corespunzătoare a instalaţiei frigorifice. De asemenea, deoarece presiunile de partea agentului frigorific, în toate

sistemele de recuperare a căldurii de condensare, sunt relativ ridicate, trebuie acordată o atenţie deosebită evitării stocării de agent lichid între robinetele închise sau în schimbătoarele de căldură. Supapele de siguranţă vor fi corect alese şi amplasate, iar verificarea lor se va face periodic. Se va asigura

Page 71: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

posibilitatea golirii de lichid, prin gravitaţie sau forţată a condensatoarelor de recuperare pe durata nefuncţionării acestora.

Circuitele de agent vor fi prevăzute cu filtre pentru reţinerea eventualelor impurităţi care sunt cauza cea mai frecventă a defectării robinetelor automate.

La instalaţiile cu agenţi halogenaţi sau înlocuitori ecologici ai acestora, se vor prevedea deshidratoare şi filtre antiacide deoarece apa şi acizii cu clor sau fluor determină coroziunea sau blocarea cu pelicule de gheaţă a pistonaşelor sau orificiilor robinetelor automate.

La sistemele de recuperare cu condensatorul de recuperare branşat în paralel cu condensatoarele proprii ale instalaţiei frigorifice, se va ţine seama în plus:

- de riscul acumulării agentului lichid în unul sau mai multe condensatoare în funcţie de căderile de presiune din ele;

- de faptul că aceste sisteme se pretează în special în cazurile în care nu este nevoie de temperaturi ale mediului încălzit mai mari decât cea de condensare;

- de posibilitatea cuplării simultane a mai multor condensatoare de recuperare a căldurii.

- La sistemele de recuperare cu condensatorul branşat în serie cu condensatorul instalaţiei frigorifice se va ţine seama de următoarele aspecte:

- căderea de presiune la curgerea agentului frigorific să fie cât mai mică posibil;

- aceste sisteme se folosesc în cazurile în care este nevoie de temperaturi ale mediului încălzit mai mari decât cea de condensare. 3.14.2. Automatizarea sistemelor de recuperare a căldurii de condensare cu

condensatorul de recuperare branşat în paralel cu condensatoarele instalaţiei frigorifice

In fig. 3.16 este redată schema de recuperare a căldurii într-o instalaţie

frigorifică cu freon 12 sau cu înlocuitori ecologici ai acestuia, cu condensatorul de recuperare montat în paralel cu condensatorul instalaţiei frigorifice. Condensatorul de recuperare este folosit la încălzirea aerului unui spaţiu, iar condensatorul propriu este răcit cu aer.

Reglarea temperaturii aerului încălzit în condensatorul recuperator 8 se realizează bipoziţional cu ajutorul termostatului 9 care comandă robinetul electromagnetic 10. Regulatorul de presiune amonte 1 menţine constantă presiunea în condensatorul de recuperare prin by-pasarea unei părţi din vaporii de agent refulaţi de compresorul 12, vapori care trec în condensatorul 6.

Pentru situaţia în care atât robinetul electromagnetic 10 cât şi robinetul 1 sunt complet deschise, pentru a se evita acumularea de agent lichid în condensatorul în care căderea de presiune la curgere este mai mare, conductele

Page 72: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

de drenare a lichidului din cele două condensatoare către rezervorul de lichid 3, se realizează cu bucle, aşa cum se observă şi în figură.

Robinetele de reţinere 2 şi 4 au rolul de a se evita întoarcerea agentului lichid în perioadele de timp în care instalaţia nu funcţionează, iar temperatura în rezervorul de lichid este mai mare decât cea din condensatoare.

Schema de automatizare a sistemului de recuperare a căldurii prezentată mai sus, nu poate asigura menţinerea unei presiuni de condensare minimală. De aceea, ea poate fi utilizată în cazurile unor temperaturi ambiante relativ ridicate. Pentru a se asigura o anumită presiune a agentului frigorific lichid de înaltă presiune în rezervorul de lichid, presiune necesară unei bune funcţionări a instalaţiei frigorifice, se poate prevedea o buclă de reglare a presiunii aşa cum se observă în schema din fig.3.17. Regulatorul de presiune aval 9 comandă robinetul principal 10 montat pe o conductă de derivaţie a vaporilor calzi refulaţi spre rezervorul de lichid 6. Datorită robinetului de reţinere 5, bucla de reglare a presiunii poate menţine o anumită presiune în rezervorul de lichid, presiune necesară unei bune alimentări cu agent lichid a circuitului de joasă presiune a instalaţiei frigorifice. Reglarea temperaturii apei încălzite în condensatorul recuperator 8 se realizează bipoziţional cu ajutorul termostatului 12 care comandă robinetul electromagnetic 11. Regulatorul de presiune 2 care comandă robinetul pilotat 3 menţine o anumită presiune în condensatorul de recuperare 8.

Fig.3.16. Schemă de recuperare a căldurii de condensare cu condensator de recuperare cuplat în paralel cu condensatorul instalaţiei frigorifice, pentru încălzirea aerului: 1 - regulator de presiune amonte; 2,4,11 - robinete de reţinere; 3 - rezervor de lichid; 5,7 - ventilatoare; 6 - condensator răcit cu aer; 8 - condensator recuperator; 9 - termostat; 10 - robinet electromagnetic; 12 - compresor.

Page 73: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Asigurarea unei anumite presiuni a agentului lichid de înaltă presiune se -este obţine adoptând scheme de automatizare în care se reglează presiunea ste condensare în condensatorul instalaţiei frigorifice. Spre exemplificare, în fig.3.18 este redată schema de automatizare a sistemului de recuperare a căldurii de condensare dintr-o instalaţie de condiţionare a aerului într-o centrală de calculatoare. Instalaţia de condiţionare funcţionează 24 de ore din 24 pe toată durata anului. Apa încălzită în condensatorul recuperator 11 este folosită la încălzirea aerului de ventilaţie sau la încălzirea birourilor.

Schema de automatizare este realizată cu echipament Danfoss. Condensatorul de recuperare 11 este scos din funcţiune atunci când robinetul principal 12 comandat de robinetul electromagnetic pilot 13, este închis. în această situaţie, robinetul principal 2 este complet deschis (robinetul electromagnetic pilot 15 este deschis). Robinetul de reţinere 3 împiedică intrarea agentului în condensatorul recuperator. în cazul necesităţii de încălzire a apei, robinetul electromagnetic 13 se deschide şi se comandă astfel deschiderea robinetului principal 12, iar robinetul electromagnetic 16 se închide. Vaporii calzi de agent intră în condensatorul recuperator, iar robinetul principal 2 începe să fie comandat de către robinetul termostatic pilot 14 al cărui bulb este montat pe conducta de intrare a apei în condensatorul recuperator şi de către regulatorul de presiune diferenţial 15.

Fig.3.17 Schema de recuperare a caldurii de condensare cucondensator de recuperare cuplat in paralel cu condensatorulinstalatiei, cu reglarea agentului lichid în rezervor, pentru încălzireaapei: 1 - compresor; 2 - regulator de presiune amonte; 3,10 - robinete pilotate; 4 - condensator răcit cu apă; 5,7 - robinete de reţinere; 6 -rezervor de lichid; 8 - condensator recuperator; 9 - regulator de presiune aval; 11 - robinet electromagnetic; 12 - termostat.

Page 74: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Robinetul termostatic pilot 14 începe să deschidă în momentul în care

temperatura pe returul apei calde la intrare în condensatorul recuperator, depăşeşte o anumită valoare fixată.

Regulatorul de presiune diferenţial 15 începe să deschidă robinetul pilot atunci când căderea de presiune la trecerea agentului prin condensatorul de recuperare depăşeşte o anumită valoare fixată.

Robinetul principal 2 este deschis atunci când ambele robinete pilot sunt deschise. El realizează o reglare continuă, proporţională a capacităţii de încălzire în condensatorul de recuperare 11, robinetul termostatic 14 reglând temperatura apei, iar regulatorul 15 asigură circulaţia agentului de încălzire prin condensatorul de recuperare.

Schema de automatizare prevede şi reglarea presiunii de condensare. Atunci când aceasta scade sub valoarea de consemn, presostatul 10 comandă oprirea ventilatoarelor 9 ale condensatorului cu evaporare forţată 7 şi închiderea robinetului electromagnetic 8 de pe conducta de intrare a apei în condensator.

Dacă temperatura aerului exterior scade sub cca.-5°C, termostatul 4 care este înseriat cu presostatul 10, comandă închiderea robinetului electromagnetic 8 şi deschiderea unui robinet electromagnetic pentru purjarea apei din întregul circuit al apei de răcire al condensatorului cu evaporare forţată.

Fig.3.18. Schemă de recuperare a căldurii de condensare cu condensator derecuperare cuplat în paralel cu condensatorul instalaţiei frigorifice, cu reglarea presiunii de condensare, pentru încălzirea apei: 1 - compresor; 2,12 - robinete pilotate; 3 - robinet de reţinere; 4 - termostat; 5 - rezervor de lichid; 6 - pompă de apă; 7 - condensator cu evaporare forţată; 8,13,16 - robinete electromagnetice; 9 - ventilator; 10 - presostat; 11 - condensator recuperator; 14 - robinet termostatic; 15 - regulator de diferenţă de presiune.

Page 75: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

3.15 Automatizarea unei instalatii pentru incercari la temperaturi joase

(-100 0C) 3.15.1 Introducere

Pentru tratamentul prin frig a unor materiale, pentru studierea proprietăţilor mecanice, fizice, electrice şi termice ale lor, cât şi pentru încercări de funcţionare la temperaturi joase se folosesc diferite sisteme de răcire: - instalaţie frigorifică cu aer cu destindere în turbodetentor; - cameră frigorifică cu compresie de vapori; - cameră frigorifică cu laminare; - cameră frigorifică cu gheaţă carbonică; - cameră frigorifică bazată pe efectul turbionar; - criostat cu azot lichid sau heliu lichid; - cameră răcită cu azot lichid sau heliu lichid; Răcirea cu azot se poate face direct, prin contact între azot şi piesa studiată, sau indirect, azotul vaporizându-se într-o serpentină ce răceşte incinta; acest ultim mod de răcire se aplică şi pentru instalaţia prezentată în acest referat. 3.15.2 Instalaţie răcită cu azot lichid Azotul lichid este transparent, are densitatea de 810 kg/m³ şi fierbe la -196°C (p 0 = 1 atm ); căldura de vaporizare pentru 1 kg de azot lichid este de 200 kj. Instalaţia din laborator este prezentată schematic în fig.l. În incinta răcită cu azot lichid se poate studia comportarea diferitelor materiale la temperaturi scăzute. Răcirea instalaţiei se realizează pe baza preluării căldurii de către azot care se vaporizează într-o serpentină de răcire ( SR ) . Azotul lichid este sifonat cu aer comprimat dintr-un container ( CA ) printr-o conductă izolată ( CT ) . Vaporii reci de azot nu sunt evacuaţi în atmosferă, deoarece s-ar pierde o cantitate însemnate de frig, ci sunt introduşi în incinta răcită prin racordul r1 şi în vizotul V prin recordul r 2 ( în vederea uscării aerului, pentru a se evita îngheţarea vaporilor de apa pe geam ) . Sifonarea azotului se face la p = 0,3 – 0,4 bari. Materialele supuse testării nu suferă modificări de compoziţie deoarece azotul este inert din punct de vedere chimic.

Page 76: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

În cazul când în incintă se realizează temperatura impusă prin termostatul electronic, TE - 2 ( fig.2 ) , se comandă închiderea electroventilelor EV 2 şi EV1 , astfel că se întrerup sifonarea azotului şi introducerea vaporilor reci în incintă, iar prin vaporizarea azotului din serpentină se absoarbe căldura ce pătrunde în incinta din exterior ( prin izolaţie şi neetanşietăţi ). Când temperatura creşte peste valoarea impusă, termorezistenţa pentru 100 comandă deschiderea electroventilelor EV1 şi EV 2 şi pornirea ventilatorului pentru convecţie forţată. Domeniul de reglare pentru TE - 2 este: 0 ÷ -100°C, iar diferenţialul de temperatură este cuprins între 1 ÷ 3 °C. În cazul utilizării

Page 77: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

vaporilor reci pentru răcirea preliminară a incintei se poate face o economie de azot lichid de 30 – 40 %. Azotul lichid este cel mai indicat agent de răcire a incintelor mici ( cum este cea de faţă: 7 dm³ ) până la o temperatură de -150 °C, întrucât fabricile de oxigen pot asigura cantităţile necesare la un preţ convenabil. 3.15.3 Calculul necesarului de azot pentru răcirea unui produs Pentru un caz practic de răcire a unui produs oarecare se urmăreşte să se calculeze: - necesarul de azot lichid; - timpul do răcire. Timpul de răcire depinde de: temperatura iniţială a produsului, temperatura finală a sa, dimensiuni, parametrii fizici ( conductivitate termică, caldură specifică ), modul cum se realizează schimbul de căldură ( convecţie forţată sau liberă ), temperatura mediului de răcire.

Exemplu de calcul: Să se calculeze timpul de răcire şi necesarul de azot pentru a se răci o placă de oţel având dimensiunile: a x b x h = l00 x l00 x 4 mm. Se cunosc: - temperatura iniţială a plăcii: t i = 20°C - temperatura finală a plăcii: t f = -50°C - temperatura din incintă: t 0 = -60°C - căldura specifică a oţelului: c p = 450 J/kg·K - conductivitatea termică a oţelului: λ = 44 W/m·K; - coeficientul de convecţie: £ = 15 W/m²·K - densitatea oţelului: ρ = 7800 kg/m³ Timpul de răcire se calculează cu relaţia ( placă subţire ):

0

0lntttt

Scm

f

ipr −

−⋅

⋅=α

θ

S(m²) - suprafaţa de schimb de căldură. S = 2 · a · b = 2 · 0,1 · 0,1 = 0,02 m² m(kg) – masa plăcii . m = φ · V = 7800 · 0,1 · 0,1 · 0,004 = 0,312 kg 973

60506020ln

02,015450312,0

=+−+

⋅⋅

=rθ (s) ≈ 16 min

Masa de azot necesară răcirii piesei se calculează din relaţia: m

2N · l2N = m · c p ( t i – t f )

Page 78: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

l2N = 25,749 kJ/kg – căldura de vaporizare a azotului lichid.

( ) ( ) 3816,0

749255020450312,0

2

2=

⋅+⋅

=−⋅⋅

=N

fipN l

ttcmm (kg)

Volumul de azot va fi :

47,0108103816,0 3

2

2

2=⋅==

N

NN

mV

ρ (l)

Ţinând cont că se foloseşte frigul vaporilor de azot, aceştia încălzindu-se de la -196 la -60°C, se reduce consumul de azot cu aproximativ 40 %, adică la 0,28 l azot lichid. Evident că se va ţine cont şi de pierderile de frig datorită pătrunderii căldurii prin izolaţia incintei. În cadrul unor contracte de cercetare ştiinţifică s-au făcut următoarele probe pentru: - determinarea temperaturilor de congelare pentru unele uleiuri vegetale; - determinarea temperaturilor de congelare pentru câteva tipuri de antigel; - studiul comportării unor ferite la temperaturi scăzute ( -30 ÷ -50°C ). Faţă de instalaţiile frigorifice cu compresie de vapori această instalaţie prezintă următoarele avantaje: - nu există piese în mişcare; - nu se consumă energie electrică; - nu există poluare atmosferică şi solară; - nu necesită o asistenţă tehnică deosebită; - posibilitatea de automatizare;

Page 79: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

CAP 4. AUTOMATIZAREA UTILAJULUI TERMOENERGETIC 4.1 REGLAREA AUTOMATA A TURBINELOR CU ABUR SI CU GAZE Sistemul de reglare are scopul de a adapta in permanenta productia agregatului turbina-generator la cererea variabila a consumatorilor de energie termica sau electrica. 4.1.1 REGLAREA TURBINELOR CU CONDENSATIE

La turbinele cu condensatie fara supraincalzire intermediara, pentru mentinerea vitezei de rotatie, se regleaza debitul de abur intrat in turbine prin ventile de admisie.

Fig.4.1. Turbina cu condensatie fara supraincalzire intermediara

Reglarea turbinelor cu condensatie: 1-ventil de admisie; 2- servomotor; R- regulatorul; G- generatorul electric; C- condensator

La turbinele cu condensatie cu supraincalzire intermediara se prevad ventile de admisie1 la intrare in corpul 1 (prima treapta) si ventile de moderare 3, la intrare in corpul II (a doua treapta) a aburului intors de la supraincalzitorul intermediar.

Turbina cu doua corpuri cu supraincazirea intermediara:

Fig.4.2. Turbina cu doua corpuri cu incalzire intermediara ; 1-ventil de admisie; 2- servomotorul; 3- ventil de moderare; 4- supraincalzitor; R- regulatorul; G- generator electric

89

Page 80: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Sistemul de reglare a turbinelor cu condensatie reaelizeaza urmatoarele functii:

- in perioadele de pornire, cresterea turatiei, sincronizarea generatorului la retea, incarcarea;

- in perioada de exploatare, reglare a puterii Regulatorul R sesizeaza dezechilibrul si elaboreaza comanda la

servomotorul 2, care amplifica comanda. Sesizarea dezechilibrului putere-sarcina la o turbina cu condensatie, care antreneaza un generator electric, consta in aceea, ca momentul M1 produs de turbine si momentul M2 cerut de generator trebuie sa fie egale. Aparitia unei inegalitati intre momente determina abaterea vitezei unghiulare ω de valoarea nominala conform legii echilibrului dinamic:

dω/dt = (M1-M2)/I,

unde: I- momentul de inertie sumar al rotorului turbinei si generatorului

Agregatul turbina-generator este un agregat stabil, deoarece la cresterea

turatiei, viteza relativa a aburului fata de palete scade. Deci scade forta de lovire si momentul M1, si dM1/dω<0.

Fig.4.3. Variatii M=f(ω) pentru cuplul turbina-generator: M1- momentul turbinei, M2- momentul generatorului, A- punctul comun corespunzator vitezei nominale; C- punctul comun la cresterea sarcinii.

La cresterea turatiei, tensiunea generatorului creste proportional, respectiv

si momentul creste, deci dM2/dω>0. Punctul functionarii comune a turbinei si a generatorului se afla la intersectia caracteristicilor. La cresterea momentului generatorului de la M2 la M2’, turatia, scazand, ajunge la un nou punct de functionare comun A’ cu viteza ω’. Abaterea turatiei fata de valoarea nominala:

90

Page 81: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Δω=ω-ω’. Practic, trecerea de la un punct de functionare la altul se realizeaza nu

numai cu o variatie absoluta de turatie (static), ci cu o variatie tranzitorie de turatie (dinamic).

Deci putem sa tragem concluzia, ca la reglarea turbinelor cu condensatie, abaterea turatiei Δω in timp este criteriul dupa care putem sa intervenim asupra debitului de abur admis in turbine, iar regulatorul necesar este un regulator de turatie de tip PD sau PID. 4.1.2 Regulatoare de turatie Cele mai obisnuite regulatoare de turatie sunt cele mecanice-centrifugale, bazate pe dependenta fortei centrifuge de viteza unghiulara (regulatorul Watt). La regulatoarele hidrodinamice rolul de traductor il are o pompa centrifuga a carei presiune de refulare creste cu patratrul turatiei. Presiunea se transforma in deplasare printr-un piston cu resortul de intors.

Fig.4.4. Regulator de turatie hidraulic

La regulatoarele electrice rolul de traductor il are un mic motor alternator, la care tensiunea si frecventa curentului sunt proportionale cu turatia.

Fig.4.5. Regulator de turatie electric

91

Page 82: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4.2 REGLAREA TURBINELOR PENTRU TERMOFICARE Intrucat turbinele cu abur pentru termoficare sunt destinate sa satisfaca simultan necesitatile consumatorilor de energie electrica si termica, complexitatea sistemului de reglare creste, unul dintre parametrii reglati fiind obligatoriu turatia, la care se adauga, dupa necesitate, una sau mai multe presiuni la prizele reglabile ale turbinei. 4.2.1 Sesizarea dezechilibrului la livrare La o turbina care alimenteaza dintr-o priza reglabila un consumator de abur, debitul Q1 iesit din turbina si debitul Q2 absorbit de consumator trebuie sa fie totdeauna egale. Diferenta dintre debite determina o abatere a presiunii P de la valoarea nominala:

dP/dt = (Q1-Q2)/V, unde: V- volumul aburului trecut.

In functie de marimea dezechilibrului, presiunea se abate de la valoarea nominala. Aceasta abatere constituie criteriul dupa care se regleaza debitul admis de turbina. In cazul acesta se utilizeaza regulatoare multiple, care contin elemente necesare pentru reglarea a doi parametri – viteza rotorului si presiunea aburului la esapare.Legea pentru reglarea vitezei este proportional diferentiala (PD), corespunzatoare fenomenelor rapide din sistemul electroenergetic. Legea pentru reglarea presiunii este o lege proportionala integrala (P.I.),corespunzatoare fenomenelor mai lente din reteaua termica. Cele mai obisnuite traductoare de presiune sunt cele mecanice cu burduf, bazate pe deformatia unui burduf de alama aflat sub actiunea presiunii.

4.2.2 Reglarea turbinelor cu contrapresiune

Fig.4.6. Reglarea turbinelor cu contrapresiune: Tn- traductorul de viteza ω; Tp- traductorul

de presiunea Pc; T- turbine; R- regulator multiplu. 92

Page 83: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Tot debitul intrat prin ventilul de admisie 1 este trimis consumatorului termic, deci ventilul 1 regleaza atat energia termica, cat si energia electrica livrata: ventilul este comandat atat de traductorul de viteza, cat si de traductorul de presiune, respectiv de un regulator multiplu R. Rolul acestor turbine este de a asigura, in primul rand, sarcina termica, iar energia electrica rezulta debitata in functie de cantitatea acestei energii termice. La pornirea turbinei si cuplarea generatorului electric, reglarea se face dupa un singur parametru – viteza ω cu ajutorul selectorului de regim. La exploatarea de durata a turbinei se alege regimul de reglare dupa “presiune” Pc, eliminand influenta fluctuatiilor retelei electrice si excluzand cuplarea simultana a ambilor parametri, intrucat aceasta poate aduce la instabilitatea sistemului. Nota. In mod normal, turbina cu contrapresiune se va exploata numai in paralel cu alte agregate energetice, care vor prelua reglarea retelei electrice. In cazul in care este impusa functionarea turbinei singura pe retea, se va lucra numai cu regulatorul de turatie, iar echilibrul pe partea termica se va stabili prin alimentarea suplimentara a consumatorului termic direct de la cazan printr-o instalatie de reducere-racire (IRR) cu esaparea surplusului de debit in atmosfera, daca sarcina termica este mica sau la sarcina termica mare cu deschiderea mai mare a ventiului 1’.

Fig.4.7. Reglarea turbinelor cu termoficare

93

Page 84: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4.2.3 Reglarea turbinelor cu condensatie si prize reglabile de prelevarea aburului Aceste turbine satisfac atat sarcina electrica, cat si debitul de abur cerut de consumatorul termic. Sistemul de reglare contine pentru fiecare parametru reglabil cate o bucla de reglare, bucla “viteza-putere” si cate o bucla “presiune-debit” pentru fiecare priza.

Fig.4.8. Reglarea turbinelor cu prize reglabile

Considerand o turbina cu o singura priza de prelevare a aburului, desenata mai sus, putem sa observam ca cu cat mai mult se inchide ventilul de priza de prelevare VP, cu atat se abate mai mult presiunea aburului la priza.

Din cauza aceasta la cresterea puterii bucla “viteza” trebuie sa deschida simultan ventilele VA si VP, si in acelasi sens. Iar bucla “presiunea” la cresterea debitului la priza trebuie sa deschida ventilul VA si sa inchida VP. Aceste comenzi sunt scrise figural mai jos:

Marimea variabila

Parametrul de reglare

Ventil la admisie VA

Ventil la Priza VP

Puterea N↑ Turatia n↓ ↑ ↑ Debitul de abur Q↑

Presiunea P↓ ↑ ↓

94

Page 85: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4.3 REGLAREA TURBINELOR CU GAZE La turbinele cu gaze se regleaza debitul de combustibil la intrare in injectorul 4, conform schemei:

Fig.4.9. Reglarea turbinelor cu gaze: 1- ventil de admisie a combustibilului; 2- servomotorul; 3- camera de ardere; 4- injector;C- compresor; T- turbina; G- generatorul electric.

Regulatorul R sesizeaza dezechilibrul de putere dupa turatie si elaboreaza comanda la servomotorul 2, care amplifica comanda. Ventilul 1 actioneaza asupra debitului la intrare in injectorul 4. Legea echilibrului dinamic a turbinei de gaze

I dω /dt = M1 – (M2 + M3),

unde: I - momentul de inertie al agregatului turbina-compresor-generator; M1 - momentul produs de turbine; M2 - momentul cerut de compresor pentru obtinerea arderii complete; M3 - momentul absorbit de generatorul electric. Functia de transfer a turbinelor de abur si turbinelor cu gaze este egala cu

acea de doua elemente aperiodice legate in serie: W(P) = k / [(T1P+1)(T2P+1)] ,

unde: T1- timpul de pornire a turbinei;

T2- timpul volumelor de aburi in cazul turbinelor cu aburi sau de combustibil in cazul turbinelor cu gaze.

95

Page 86: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4.4 ORGANELE TURBINELOR CU REGLARE

Reglarea debitului admis in corpurile (treptele) turbinelor cu abur se face cu supapa, clapete si diafragme rotative.

Ventile de reglare. La turbinele cu abur se folosesc supape in forma de para.

Fig.4.10. Ventil de reglare:1-tija; 2- supapa; 3- scaun.

Forma profilata a supapelor si scaunelor asigura pierderi minime de presiune. Prevederea unui difuzor in spatele supapei permite recuperarea unei parti din energia cinetica avuta la trecerea prin ventil. La trecerea tijei prin capacul cutiei de abur se prevede un sistem de ghidare si etansare. La turbinele mici se prevede etansare de labirint cu lungimea de 14-16 diametre ale tijei.

La turbinele mari se efectueaza etansarea cu inele, construita din doua siruri de inele, stranse cu o presgarnitura la capat; inele mici cu joc mic fata de tija si mare fata de cutie, iar altele invers, realizandu-se un labirint foarte eficace.

Fig.4.11. Etansare cu inele:1-capacul cutiei de abur; 2- inelul mare; 3- inelul mic; 4- tija; 5- presgarnitura.

96

Page 87: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Clapete de reglare. Pentru reglarea unor debite volumice mari la parametri scazuti se poate prevedea o clapeta pe conducta de legatura intre corpuri. Este clapeta de tip vana-fluture, profilata ca un bob de linte.

Fig.4.12. Clapeta de reglare

Inele rotative. Se utilizeaza pentru reglarea unor debite mari in interiorul unui corp de turbina, care pot fi de tipul diafragma rotativa sau cilindru rotativ. Diafragma rotativa consta dintr-un disc cu orificii 2, care se poate roti in fata diafragmei fixate 1, inchizand sau deschizand fanta de trecere.

Fig.4.13. Inel rotativ de reglare

Cilindrul rotativ consta dintr-un inel cu orificii care se roteste in jurul

canalului toroidal de admisie in ajutaje.

Fig.4.14. Cilindru rotativ de reglare

97

Page 88: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Nota. Acelasi scop se realizeaza la turbine de gaze cu ajutorul aparatului director cu palete turnate. 4.5 INSTALATIA DE PROTECTIE A TURBINELOR

Daca in exploatarea normala de lunga durata s-au schimbat caracteristicile de functionare si rezulta o functionare periculoasa, atunci intervine instalatia de protectie, care emite semnale avertizoare, sau opreste turbina, preintampinand avarii grave. Declansatoare Instalatia de protectie cuprinde, in general, elemente de supraveghere si comanda, denumite declansatoare sau relee:

- declansatorul de supraviteza, care comanda oprirea la cresterea vitezei cu 9…11% peste viteza nominala;

- declansatorul hidraulic, care comanda oprirea turbinei la scaderea presiunii uleiului de ungere sub valoarea minima admisa;

- declansatorul manual local, montat pe cutia din fata a turbinei, care este la dispozitia operatorului si comanda oprirea turbinei;

- declansatorul de la distanta prin electromagnet, care comanda oprirea turbinei la : interventia manuala dn sala de comanda, avarie la generator, caderea vidului in condensator sub limita admisa, uzura anormala a lagarului axial, nivelul foarte scazut in rezervorul de ulei;

- releul de separare, care permite separarea unei parti a instalatiei de siguranta in scopul verificarilor preventive periodice, fara oprirea turbinei, dar cu reducerea corespunzatoare a puterii;

- releul de conexiune, care conecteaza instalatia de protectie si partea finala a reglajului, marind siguranta prin inchiderea simultana a unei serii duble de ventile.

Vane de oprire si clapete de retinere Declansatoarele actioneaza asupra unor elemente de executie, al caror rol

este a impiedica fie patrunderea aburului proaspat, fie reintoarcerea aburului de la consumator, asigurand oprirea turbinei. Aceste elemente sunt vanele de oprire si clapetele de retinere, actionate cu servomotoare hidraulice si pneumatice.

Deschiderea vanei este realizata de un servomotor hidraulic fara pozitii intermediare, iar inchiderea este asigurata de niste arcuri foarte puternice si de un

98

Page 89: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

sertar distribuitor special, numit “golire rapida”, care actioneaza intr-un timp foarte scurt (0,05…0,1 s). La presiunea normala, de exemplu a uleiului, vana este deschisa, iar la scaderea presiunii, vana se inchide de la sine. Clapetele de retinere, plasate pe prizele turbinei, asigura o protectie contra reintoarcerii aburului provenit de la preincalzitorul de apa, de la tevile de abur sau din alte surse. 4.6 REGLAREA AUTOMATA A INSTALATIILOR DE CAZANE DE ABURI 4.6.1 PRINCIPII DE BAZA ALE AUTOMATIZARII CENTARLELOR TERMICE Reglarea automata asigura functionarea in regim normnal a cazanului la sarcini variabile. Nivelul automatizarii centralei termice depinde mult de urmatorii patametri tehnici principali:

- destinatia cazanului (pentru abur sau apa calda); - schema constructiva (cu tambur, cu trecere directa a agentului termic,

microcazan sectionat de fonta etc.); - combustibilul utilizat (solid, lichid, gazos, pulbere, combinat “pacura-

gaze”); - tipul consumatorului (industrial, individual, de incalzire termica); - numarul cazanelor intr-o centrala termica. Volumul automatizarii depinde de tipul agregatului termic si este

determinat de regulile si normativele de stat (SNIP II-35-76-URSS). Schemele de principiu ale automatizarii include subsisteme: de reglare automata, de protectie, de comanda la distanta, de control termic, de semnalizare si de blocaj tehnologic, care exclude posibilitatea operatiilor tehnologice incorecte.

4.6.2 REGLAREA AUTOMATA A PROCESULUI TEHNOLOGIC DE PRODUCERE A ABURULUI

Procesul tehnologic de producere a aburului in cazane cu destinatie generala (cazanul cu tambur)se asigura de:

- S.R.A. de alimentare (reglarea nivelului de apa in tambur); - S.R.A. de ardere si de sarcina (reglarea presiunii aburului, aerului si

depresiunii in focar); - S.R.A. de supraincalzire a aburului si de purjare continua.

99

Page 90: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Pana in prezent pentru cazane se utilizeaza reglarea separata a sectiilor tehnologice. S.R.A. de alimentare a cazanului

La sarcini lente problema reglarii rezolva cu succes “automatica dupa Polzunov”, traductorul cu plutitor variaza refularea apei de alimentare cu interventie asupra vanei sau pompei de alimentare.

Cu cresterea capacitatilor cazanelor si consumatorilor din cauza sarcinilor cu variatia brusca in timp s-a evidentiat o particularitate in exploatarea cazanelor, care a conditionat schimbarea esentiala a principiului de reglare.

Deci, la absorbtia brusca a aburului V>>V0 scade presiunea in cazan P<<P0, care la aceeasi sarcina termica (t, 0C) provoaca clocotirea amestecului apa –abur. Aceasta duce la ridicarea nivelului H>H0, la care regulatorul cu plutitor functionand dupa principiul lui Polzunov, reactioneaza prin micsorarea refularii apei DQ<DQ0, insa atunci cand este necesar un adaos urgent de apa de alimentare, deci in momentul de consum maxim al cazanului in privinta apei. Se produce inversarea reactiei inverse, in loc de reactia inversa negativa apare reactia inversa pozitiva. In plus, obiectul nu se stabilizeaza singur si ae un timp de intarziere. Functia de transfer pentru cazanul ca obiect de reglare a nivelului:

Wnc(P) = (k1/P) [k2/(T1P+1)]e-Pτ

Astfel, la moment se folosesc asa-numite regulatoare de alimentare (de nivel) cu trei impulsuri: cu semnalul de nivel, cu semnalul de debit al aburului si cu semnalul de refulare (dupa presiune) a apei de alimentare.

Fig.4.15. Reglarea nivelului de apa in tambur: LC- regulator de nivel; FT- traductor de debit: PT- traductor de presiune.

100

Page 91: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Pe acest principiu functioneaza regulatoarele “Crystal” cu care sunt echipate majoritatea cazanelor. S.R.A. de ardere Reglarea arderii se face in asa mod ca sa se asigure un echilibru intre caldura admisa in focar si caldura absorbita cu aburi din focar, deci: ΔP = k[GcQcηc – V(i-ia)], unde: ΔP- variatia presiunii in focar;

Gc- debitul combustibilului; Qc- caldura de ardere a combustibilului; ηc - randamentul cazanului; i,ia- entalpia specifica a aburului si respectiv a apei de alimentare; V- volumul aburului produs. Deci impulsul semnalului dupa presiune corespunde productivitatii termice

a cazanului si se utilizeaza pentru reglarea refularii combustibilului. Concomitent cu combustibilul trebuie sa fie admis si volumul de aer

necesar pentru ardere. Raportul “combustibil-aer” de care depinde coeficientul de exces de aer α poate fi reglat sau prin variatia debitului de combustibil si schimbarea respectiva a debitului de aer sau invers. Experienta practica confirma economisirea mai mare a ultimului procedeu. Prima schema se utilizeaza la reglarea arzatoarelor cu ejectie. Mai exista si schema “abur-aer”, la care regulatorul recepteaza semnalul dupa debitul de abur. Schema aceasta se utilizeaza la cazane cu sarcina constanta si cu schimbare deasa a combustibilului, de exemplu la cazane pe gaze-pacura. Echilibrul cantitativ “combustibil-aer-gaze arse” este asigurat de depresiunea respectiva in focar, care se regleaza turatiei exhaustorului sau clapetei de reglare. Astfel, S.R.A. arderii include trei regulatoare principale: regulatorul combustibilului (regleaza sarcina); regulatorul aerului (asigura raportul dintre combustibil si aer) si regulatorul de tiraj (regleaza depresiunea in focar). Functia de transfer a focarului este urmatoarea: Wf(P) = e-Pτ ke/(TeP+1)

Deci avem obiectul alcatuit dintr-un element aperiodic si dintr-un element cu intarziere de timp mort.

101

Page 92: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

S.R.A. de supraincalzire a aburului si de purjare a cazanului Reglarea automata a supraincalzirii aburului se face in conditiile sigurantei functionarii commune a cazanului si turbinei cu una din urmatoarele trei modalitati: reglarea dupa temperatura aburului din supraincalzitor; reglarea dupa temperatura gazelor arse, care inconjoara supraincalzitorul ; reglarea combinata dupa temperatura aburului si temperatura gazelor arse.

Reglarea dupa gazele arse se bazeaza pe ocolirea partiala a supraincalzitorului de gaze arse prin variatia pozitiei flacarii arzatoarelor (injectoarele turnante) sau prin variatia pozitiei clapetei in conducta de gaze arse. Cel mai des se utilizeaza reglarea dupa abur cu ajutorul unui racitor de suprafata, in care variaza debitul apei de racire cu care se alimenteaza racitorul. Reglarea automata a purjarii permanente a cazanelor se efectueaza dupa doua semnale: dupa continutul de saruri in apa ale cazanului si dupa debitul aburului.

Fig.4.16. Reglarea purjarii continue: RPP – regulatorul de purjare permanenta; FT- traductorul de debit; ST- traductorul de continutul de saruri

4.6.3 PROTECTIA AUTOMATA A CAZANELOR In situatii de avarie automatica de protectie tehnologica trebuie sau sa opreasca cazanul, sau sa-l transfere in regim de sarcina micsorata, sau sa execute niste actiuni locale. Oprirea cazanului se face in urmatoarele cazuri:

- scaderea temperaturii aburului, - scaderea presiunii combustibilului, - stingerea flacarii in focar, - supraalimentarea cazanului peste a doua limita, - scurgerea apei de alimentare, - oprirea ambelor ventilatoare sau exhaustoarelor. Dupa oprirea cazanului, exhaustoarele mai functioneaza un timp necesar

pentru ventilarea conductelor de gaze.

102

Page 93: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

In cazul cresterii temperaturii si presiunii aburului, oprirea neconditionata a unuia din exhaustoare sau din ventilatoare a cazanului se transfera in regim partial (aproximativ 50% de sarcina). Actiuni locale pot fi: pornirea mijloacelor antiincediare in cazul aprinderii funinginii, deschiderea supapelor de lucru si de siguranta la cresterea presiunii aburului la iesire si in tambur.Oprirea automata a cazanelor cu strabaterea fortata se face numai la oprirea alimentarii cu apa. SCHEMA DE PRINCIPIU A S.R.A. AL CAZANULUI TIP DE ABURI CU COMBUSTIBIL GAZE-PACURA Sa examinam ca un exemplu schema simplificata de automatizare a cazanului tip cu tambur. Regulatorul principal PC VII dupa semnalul Pa a presiunii aburului din colectorul comun al cazanelor trimite comanda regulatorului de putere termica BC III, care schimba debitul combustibilului.

Fig.

4.17

. Sch

ema

gene

raliz

ata

de a

utom

atiz

are

a ca

zanu

lui

103

Page 94: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

Concomitent, regulatorul combustibilului receptioneaza informatia despre debitul aburului de la traductor FT(1) si de la un diferentiator PE(2) despre presiunea in interiorul cazanului, care poate sa difere de presiunea aburului Pa. Regulatorul debitului de aer QC IV (3-4-5) obtine semnal de la regulatorul principal impreuna cu semnalele FT(4) despre debitele de aer admise in focarul cazanului si de combustibil FT(3), si dupa continutul oxigenului (O2) la gaze arse QT(5). La schimbarea regimului regulatorul QC IV actioneaza asupra dispozitivului de dirijare AD a ventilatorului DV. Regulatorul de alimentare LC VI schimba refularea apei de alimentare in functie de consumarea ei, de debitul aburului, care vine de la traductorul de debit FT(1) si de la nivelul apei in tamburul de la traductorul de nivel LE(7). Regulatorul de tiraj PC V majoreaza refularea exhaustorului DC actionand asupra dispozitivului de dirijare AD la variatia depresiunii P, transformata in semnalul de la traductor de depresiune PT(6) cu includerea semnalului de la regulatorul debitului de aer QC IV (3-4-5). Regulatorul de supraincalzire al aburului TC VIII variaza temperatura aburului produs prin injectarea apei de alimentare in supraincalzitorul PP dupa semnalul sumat de temperatura aburului din supraincalzitorul qpp si in colectorul de abur qa. Regulatorul de presiune a combustibilului PC I si regulatorul de temperatura a combustibilului TC II comanda deschiderea supapei liniei de by-pass a pompei de combustibil PA si admiterea agentului termic in preincalzitorul de combustibil PT, asigurand parametrii Pc si qc necesari pentru functionarea buna a injectoarelor. Nota. Reglarea automata a cazanelor cu strabatere fortata, practic, nu difera, de acea cu tambur. Lipseste numai regulatorul de nivel, se prevede sincronizarea dintre debitul de combustibil si apa de alimentare.

Din cauza tensiunilor termice ridicate si vitezelor mari de curgere ale proceselor hidroaerodinamice, se atrage o mare atentie sistemelor de protectie tehnologica, semnalizare si blocaj.

104

Page 95: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

4.7 REGLAREA AUTOMATA A INSTALATIILOR DE TRATARE A APEI Alegerea schemei de reglare a instalatiilor de tratare a apei depinde de linia tehnologica si este determinata de marimea surplusului apei in retele termice si in cazane. Sa analizam, de exemplu, principiul de construire a schemei de reglare automata a instalatiei pentru tratarea natriu-cationita si desalinizare a apelor.

Fig.4.18. Reglarea automata a sistemului de tratarea apei.

Apa prin decantoarele 1 intra in rezervorul 2 si cu pompa 3 se refuleaza in degazorul 6 si partial merge la desalinizare. Sunt doua trepte: prima – filtre hidrogen-cationite 7 si anionite 8; a doua – filtre similare 11, 12. Dupa prima treapta apa trece prin decarbonizatorul 9 si din rezervorul 10 se refuleaza cu pompele 3 in degazorul 13. Dupa cum se vede din schema, reglarea debitului se efectueaza cu regulatoare de nivel LC, conectate cu robinete (ventile) de pe conducte. Automatizarea operatiei de dozare a reactivelor se realizeaza cel mai bine cu ajutorul pompelor-dozatoare volumice sau cu dozatoare cu supapa electromagnetica.Automatizarea filtrelor consta in deconectarea lor periodica si regenerarea cu conectarea urmatoare la functionare. Filtrele se deconecteaza automat in cazul caderii debitului si cresterii presiunii, adica la infundarea lor. Reglarea parametrului principal-nivelul se efectueaza prin schimbarea rezistentei hidraulice a retelei de refulare sau prin recircularea apei. In ambele cazuri traductorul este plutitor sau dispozitivul diferential cu membrane elastice. Regulatoarele de nivel, de regula, au reactia inversa rigida, deoarece obiectul nu are autoreglare. Temperatura apei si presiunea in interiorul degazoarelor se mentine cu ajutorul regulatoarelor manometrice diferentiale cu burduf si servomotorul hidraulic, care asigura diferenta de presiune data dintre degazor si reteaua termica prin variatia debitului agentului termic dupa semnalul de temperature sau de depresiune.

105

Page 96: Automatizarea Proceselor Tehnologice Damian

BIBLIOGRAFIE

1. G.P. Negreanu, - Reglarea proceselor termice, note de curs, Facultatea de Inginerie

Mecanică şi Mecatronică, UPB, 1997-2007. 2. G. Negreanu, - Teoria şi modelarea turbomaşinilor, Editura Printech, ianuarie 2007,

ISBN 978-973-718-624-9.

3. Radu, R., Racovitză, A. - Controlul Electronic al Motoarelor cu Ardere Internă, note de curs, Master-Managementul MAI, UPB, 2004-2007.

4. Negurescu, N., Pană, C., Popa, M.G., Racovitză, A. - Variable Valve-Control Systems

for Spark Ignition Engine, SAE Paper nr. 2001-01-0671, SAE International Congress, Detroit, Michigan, 05-08 martie 2001, SUA.

5. Racovitză, A., Popa, M.G., Pană, C., Negurescu, N. - Performances of Methanol

Fuelled Urban Bus and Truck Diesel Engine Using the Double Injection Method, The 4-th International Colloquium, Stuttgart,15-16 ian.2003, vol.Fuels 2003, pag.331-338.

6. Niculita, P., Ceanga, E., Bumbaru, S. - Automatizarea in tehnica frigului, , Editura Teora 1999.

7. Niculita, P. - Tehnica si tehnologia frigului in domenii agroalimentare, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1998.

8. G. Bălan, - Automatizări în energetică, Editura Tehnică, Chişinău, 1998, ISBN 9975-910-33-5.

9. Anand,D.K. – Introduction to Control Systems, 2nd Edition, Pergamon Press, New

York, 1984.

10. Franklin, G.F., Powel,J.D – Digital Control of Dynamic Systems, Addison Wisley, Reading, Mass, 1980

11. Damian, V., Iosifescu, C., Coman, G. - Termotehnica, Editura Academica, Galati 2005.

12. *** - Documentatii tehnice si cataloage de produse ale firmei Danfoos, Nordborg, Danemarca 1980-1997.

13. *** - Colectia Bulletin of the International Institute of refrigeration, IIR, Paris, 1970-1997.

14. *** - Documentatii tehnice si cataloage de produse ale firmei York International.