lucrĂri de laborator lari de laborator la...

LUCRĂRI DE LABORATOR LALUCRĂRI DE LABORATOR LA

AUTOMATIZAREA INSTALAŢIILORAUTOMATIZAREA INSTALAŢIILOR

1Asist.ing. Teodor V. Chira

Lucrarea 4 – Regulatoare

La nivel teoretic REGULATORUL este elementul de automatizare care primeşte la

intrarea sa semnalul de abatere a(t) de la elementul de comparaţie şi generează laintrarea sa semnalul de abatere a(t) de la elementul de comparaţie şi generează la

ieşire semnalul de comandă c(t), pe care îl transmite elementului de execuţie.

La nivel practic REGULATORUL este aparatul care comandă elementul de execuţiesă modifice parametrii de desfăşurare ai procesului automatizat. Aparatul poate îngloba

2mai multe elemente de automatizare, de ex: interfaţa cu utilizatorul, elementul decomparaţie şi regulatorul propriu-zis.


Noţiunea de semnal

S l l t ă i i fi i i t t l i t i i î i t i lSemnalele sunt mărimi fizice, existente la intrarea, ieşirea sau în interiorulelementelor de automatizare şi a căror măsurare furnizează informaţii. Existǎsemnale utile, care introduc efecte dorite în comportarea unui element (de ex.tensiunea de intrare într-un amplificator sau temperatura unui lichid) şi semnaleperturbatoare (perturbaţii) cu efecte negative asupra SRA.

Semnalul continuu este o mărime dependentǎ continuu de timpSemnalul continuu – este o mărime dependentǎ continuu de timp.

Acest tip de semnal poate avea o comportare deterministǎ – adică poate fireprezentat matematic, printr-o funcţie continuă în raport cu timpul, sau poatep , p ţ p p , pavea o comportare nedeterministă.

Semnalul eşantionat – este o mărime formatǎ dintr-o succesiune de impulsuri,ltǎ di ti i l ti d tǎ Δt 0 i lcare rezultǎ din eşantionarea unui semnal continuu, pe o duratǎ Δt→0 şi la

intervale de timp T, constante. Prin eşantionare se înţelege operaţia detransformare a unui semnal continuu, variabil s(t), într-un semnal discret în timp,

3format dintr-o succesiune de impulsuri foarte scurte, numite eşantioane, ale căroramplitudini sunt egale cu valoarea semnalului din momentul de eşantionare.


s

Exemplu de semnal continuu (variaţia valorii semnalului s în funcţie de timpul t).

t

ss

Exemplu de semnal eşantionat p ş(semnalul este compus din valori discrete – valorile amplitudinilor –prelevate la intervale egale)

T 2T 3T ………………....11T

t0prelevate la intervale egale).

4

Lucrarea 4 – RegulatoareSemnale frecvent utilizate în SRA

iT iR

t

Semnal “treaptă”

t

Semnal “rampă”iSiI

iSΔt→0

t

Semnal sinusoidalSemnal impuls

Semnalele reprezentate aici sunt semnale de intrare – de aici notarea semnalului

5cu litera i.


Regulatorul stabileşte, în baza algoritmului propriu de reglare a procesului,t t i d ţi l t l i d ţi i d li tă t istrategia de acţiune a elementului de execuţie, prin comanda aplicată acestuia.

Strategia de acţiune este în funcţie de abaterea a, ce apare în sistem, întrevaloarea impusă i (mărimea de intrare) şi cea reală e (mărimea de ieşire),valoarea impusă i (mărimea de intrare) şi cea reală e (mărimea de ieşire),măsurată direct la ieşirea din proces. Această strategie constă în elaborarea, decătre regulator, a unui semnal de comandă c, emis către elementul de execuţie,în vederea anulării abaterii a (adică, în cazul real aducerea ei în “intervalul devalori acceptate”). Algoritmul de reglare, conţinut sau elaborat de regulator, estelegea de dependenţă impusă între mărimea de intrare în regulator şi mărimea delegea de dependenţă impusă, între mărimea de intrare în regulator şi mărimea deieşire din acesta, care sunt variabile în timp.

În practică este necesar a se stabili:- legile după care trebuie prelucrată abaterea (de ex. de tip P, PI, sau PID);

t i d l i l t l i (K T T )6

- parametri de reglare ai regulatorului (KR , TI , TD).


Clasificarea regulatoarelor

1 După dependenţa între mărimea de comandă c şi abaterea aplicată la intrare a1. După dependenţa între mărimea de comandă, c şi abaterea aplicată la intrare, a există:

1. Regulatoare liniare;

2. Regulatoare neliniare (cu acţiune bipoziţională – “tot - nimic” sau tripoziţională – “tot-puţin-nimic”).

2. După tipul acţiunii:

1. Regulatoare cu acţiune continuă (semnalul c este continuu în timp);

2 R l t ţi di tă ( l l t di ti d ti i i2. Regulatoare cu acţiune discretă (semnalul c este discontinuu, de tip ieşire pe releu sau numeric).

3. După tipul algoritmului de lucru:p p g

1. Regulatoare convenţionale (tip P, PI, PID);

2. Regulatoare cu caracteristici speciale (adaptive, optimale, estimatoare de

7stare).


Clasificarea regulatoarelor

4 După natura semnalelor:4. După natura semnalelor:

1. Electronice;

2 Pneumatice;2. Pneumatice;

3. Hidraulice;

4 Mixte4. Mixte.

5. După caracterul semnalului de intrare:

1. Unificate (standardizate): semnalul, sub formă de tensiune sau curent variază1. Unificate (standardizate): semnalul, sub formă de tensiune sau curent variază în interiorul unor intervale: 0...10mA, 2 ... 10mA, 4 ... 20mA c.c.; -10 ... +10V; 0,4 ... 2V, 0 ... 10V c.c.;

2 Specializate2. Specializate.

Cele mai răspândite regulatoare, în practică, sunt regulatoarele electronice cu acţiune continuă sau discretă, liniare, de tip proporţional (P), proporţional-integral

8

acţiune continuă sau discretă, liniare, de tip proporţional (P), proporţional integral (PI), proporţional-derivativ (PD) şi proporţional-integral-derivativ (PID).


Pentru procese lente*, tipice proceselor desfăşurate în instalaţiile dint ţii i tili l t l ti li iconstrucţii, se impune utilizarea regulatoarelor continue, liniare sau a

regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale.

*La elementele de automatizare simple (cu o singurǎ intrare şi o singurǎieşire), semnalul de răspuns apare simultan cu aplicarea semnalului deeş e), se a u de ăspu s apa e s u ta cu ap ca ea se a u u deintrare. Totuşi, dacǎ semnalul de răspuns apare după un interval detimp (Tm), acest timp de întârziere se numeşte “timp mort”. Timpul

t d t ă it i d l l i î dif it diimort se datorează vitezei de parcurgere a semnalului în diferite mediisau dispozitive (ex. transmiterea căldurii, deplasarea fluidelor peconducte etc.). În funcţie de mărimea intervalul de timp (Tm), întâlnit şisub denumirea de “timp de răspuns”, există procese rapide (Tm ≤ 10sec) şi procese lente (Tm > 10 sec).

9


Alegerea regulatoarelorP t lă i d i l t tili l t P PI l fii dPentru reglări de nivel se pot utiliza regulatoare P sau PI, alegerea fiind

determinată de precizia urmărită şi de tipul perturbaţiilor. Dacă perturbaţiilesunt determinate atât de variaţia debitului de intrare, cât şi de variaţiasunt determinate atât de variaţia debitului de intrare, cât şi de variaţiadebitului de ieşire, iar abaterea staţionară ε se cere a fi zero, se recomandăun regulator PI.

Pentru reglări de presiune se recomandă utilizarea unor regulatoare PI, aicăror parametri de acord sunt diferiţi pentru gaze şi lichide, pentru că lalichide constanta de timp T este mai redusă decât la gazelichide constanta de timp T este mai redusă decât la gaze.

La reglările de debite şi amestecuri de fluid, pentru că aceste procese suntcaracterizate de o constantă de timp T, mică şi o amplificare mare, serecomandă regulatoare PI. Prezenţa zgomotelor determinate de variaţiiledebitului determină inutilitatea folosirii componentei derivative.

L lă il d t t ă d t l T ⁄ T” t dă10

La reglările de temperatură , unde raportul „Tm ⁄ T” este mare se recomandăregulatoarele PI sau PID.


Exemplu: Regulatorul PID

Regulatorul proporţional – integral – derivativ are următoarea ecuaţie de funcţionare:

⎤⎡ d1 t

( ) ( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅+⋅+= ∫ dt

adTdttaT1taKtc D

t

0IR

Unde termenii au semnificaţiile:c(t) – mărime(semnal) de comandă; a(t) – mărime(semnal) de abatere;K factor de amplificare (factorul de proporţionalitate) al regulatorului;KR – factor de amplificare (factorul de proporţionalitate), al regulatorului;TI – constanta acţiunii de integrare;TD – constanta acţiunii derivative;

11Ultimii trei termeni se numesc: parametrii de acordare(tuning) ai regulatorului.

Lucrarea 4 RegulatoareLucrarea 4 – RegulatoareEcuaţia

⎤⎡∫

ad1 t

( ) ( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅+⋅+= ∫ dt

adTdttaT1taKtc D

0IR

∫t da

se mai poate scrie şi:

∫ ⋅+⋅+⋅=0

diR dtdaKdt)t(aK)t(aK)t(c

Ri T

KK =unde: şi DRd TKK ⋅=iT

12

Lucrarea 4 – RegulatoareModificarea răspunsului regulatorului PID la modificarea parametrilor KR, Ki şi Kd.

Cu albastru semnalul de referinţă;ţ

Cu roşu, verde şi negru semnalul de comandă pentru diferite valori ale lui KR.

Pe abscisă: timpul t;Pe abscisă: timpul t;

Pe ordonată: semnalul de comandă c(t)de comandă c(t).

13



Cu roşu, verde şi negru semnalul de comandă pentru diferite valori ale lui Ki.



14



Cu roşu, verde şi negru semnalul de comandă pentru diferite valori ale lui Kd.



15

Lucrarea 4 – RegulatoareRegulatoarele neliniare bipoziţionaleRegulatorul bipoziţional are la ieşire un semnal de comandă c, echivalent cupoziţia unui contact electric cu 2 poziţii – o poziţie deschisă, corespunzătoarepoziţia unui contact electric cu 2 poziţii o poziţie deschisă, corespunzătoarevalorii c = - M şi o a doua poziţie, închisă, corespunzătoare valorii c = +M, aşacum este prezentat în fig. a (răspunsul ideal) şi fig. b (răspunsul real).

c c

+Μ

ideal real

+Μ

0 a a0−δ +δ

−Μ −Μ abatere de histereză la urcare

abatere de histereză

16a b

histerezăla coborâre


Regulatoarele electronice numerice

Sunt aparate cu o structură complexă ce permit multiple utilizări pentruconducerea proceselor din industrie sau din instalaţiile pentru construcţii Eleconducerea proceselor din industrie sau din instalaţiile pentru construcţii. Eleînglobează în aceeaşi carcasă interfaţa cu utilizatorul, elementul de comparaţie,regulatorul propriu-zis, relee, convertoare analog – numerice şi numeric –analogice, memorii, module de comunicaţie etc.. Acest tip de regulatoare estefrecvent utilizat în SRA moderne datorită versatilităţii sale, întrucât pot fi folosite şica regulatoare bipoziţionale dar şi ca regulatoare PI sau PID unele avândg p ţ ş gimplementate şi funcţii “fuzzy logic”.Regulatoarele numerice pot fi universale (pentru reglarea diferiţilor parametri)acceptând semnale continue în sistem unificat sau pot fi regulatoare dedicateacceptând semnale continue în sistem unificat sau pot fi regulatoare dedicate,special construite pentru urmărirea unui anumit parametru (de exemplu: nivel delichid).

17


R l t d d bit d i i tRegulator de debit de precizie pentru aplicaţii de laborator

Regulator electronic de nivel de lichid (pentru comandă pompă transvazare)

18


R l t i d t t ă ( t jRegulator numeric de temperatură (montaj pe panoul de automatizare)

Regulator numeric universal, cu montaj pe şină, în tabloul de automatizare.

19


Regulator numeric de temperatură şig p şumiditate (montaj pe panoul deautomatizare; posibilităţi de transmisie adatelor la distanţă şi printare)datelor la distanţă şi printare).

Imprimantă termică cu montaj pe panoulde automatizare interconectabilă cuanumite regulatoare electronice de procesanumite regulatoare electronice de procespt. imprimarea pe hârtie valorilorparametrilor.

20


Regulatorul numeric de temperatură E5CN

E5CN d ă d f t î t ăE5CN desemnează, de fapt, o întreagăfamilie de regulatoare numerice detemperatură, existând mai multe variante.Se poate observa interfaţa cu utilizatorulalcătuită din display-ul alfanumeric şitaste Montajul se realizează pe panoul detaste. Montajul se realizează pe panoul deautomatizare iar legăturile la borne serealizează prin strângere cu şuruburi (launele modele conexiunea se face cusoclu).Cele două valori afişate sunt: cu roşu –Ce e două a o a şate su t cu oşuvaloarea măsurată a temperaturii –Process Value(PV) şi cu verde valoarea

t tă f i ţă S t V l (SV)21

setată ca referinţă – Set Value(SV).



E5CN acceptă la intrările sale semnal de la traductori de tip termorezistenţă Pt100 sautermocuplu. De asemenea pe intrarea analogică acceptă semnal unificat astfel:

l î t 4 20 A 0 20 A l î t i 1 5V 0 5V 0 10Vsemnal în curent: 4 – 20mA; 0 – 20mA; semnal în tensiune: 1 – 5V; 0 – 5V; 0 – 10V.

Este posibilă setarea unor alarme pentru depăşirea unor limite (superioare şi/sau(inferioare) de temperatură.Dispune de alarmă la arderea elementului încălzitor şi la defectarea releelorstatice(relee SSR) pentru care are ieşire specială de comandăstatice(relee SSR) pentru care are ieşire specială de comandă.

Comunicaţia se face pe baza protocolului RS-485 pe 2 fire.

Are ieşiri analogice în curent şi tensiune precum şi ieşiri pe releu (sarcină rezistivă –3A), putând fi utilizat în mod PID sau pentru reglaj bipoziţional ON-OFF.

22

3A), putând fi utilizat în mod PID sau pentru reglaj bipoziţional ON OFF.



Explicarea elementelor de pe partea frontală a regulatorului de temperatură E5CN.

23

g



Reprezentarea literelor pe displayul lui E5CN. Aici se observă un dezavantaj alReprezentarea literelor pe displayul lui E5CN. Aici se observă un dezavantaj al displayurilor cu LED-uri faţă de display-urile grafice.

24

Lucrarea 4 – RegulatoareRegulatorul numeric de temperatură E5CN

25Diagrama de navigare în meniul lui E5CN.


Numerotarea bornelor delegătură pentru familia deregulatoare de temperaturăE5CN şir l central (borneleE5CN: şirul central (bornele11 - 15) diferă în funcţie devarianta constructivă.

1 şi 2 bornele pentru ieşirea principală nr. 1 (după necesităţi poate fi utilizată pt.l l t ti t l t ti SSR t i i î l ifi t)releu electromagnetic extern, releu static-SSR extern, sau ieşire în semnal unificat);

3, 4 şi 5 borne de intrare pentru: termorezistenţă sau termocuplu semnal unificat încurent sau tensiune.Termorezistenţă: se utilizează toate cele trei borne conform schemei;Termocuplu: nu se utilizează borna 3(4 şi 5 se conectează conform schemei);Semnal unificat: - curent: nu se utilizează borna 5 (3 şi 4 conform schemei);

26

Semnal unificat: - curent: nu se utilizează borna 5 (3 şi 4 conform schemei);Semnal unificat: - tensiune: nu se utilizează borna 3 (4 şi 5 conform schemei).


Numerotarea bornelor de legătură pentru familia de regulatoare de temperatură E5CN şir l central (borneleE5CN: şirul central (bornele 11 -15) diferă în funcţie de varianta constructivă.

6,7 şi 8 bornele pt. ieşirea auxiliară pe releu (max. 250V a.c., 3A sarcină rezistivă);9 şi 10 bornele de alimentare ale regulatorului: c a : 100 240V sau 24V; c c : 24V9 şi 10 bornele de alimentare ale regulatorului: c.a.: 100...240V sau 24V; c.c.: 24V.

27


Exemplificare pentru utilizarea şiruluicentral de borne (11 - 15) la variantaconstructivă E53-CNQ03N2.constructivă E53 CNQ03N2.

11 şi 12 sunt bornele pentru transmisia de date în protocol de comunicaţie RS-485 (conexiunile conform schemei: “+” borna 11, “-” borna 12);13 bornă neutilizată;14 şi 15 bornele ieşirii principale 2 (conexiunile conform schemei).

28

14 şi 15 bornele ieşirii principale 2 (conexiunile conform schemei).


Durata estimată de utilizare areleului încorporat în regulatorulE5CN, considerând o sarcină purrezistivă la 250V c.a. sau 30V c.c.Pe abscisă: curentul prin contactelePe abscisă: curentul prin contactelereleului (în A).Pe ordonată: durata de utilizare( i tă î d ţii î hi(exprimată în nr. de operaţii închis-deschis).Se observă scăderea duratei deutilizare odată cu creştereacurenţilor comutaţi.

29

Lucrarea 4 – RegulatoareMinistand pt. exemplificarea unei bucle de reglaj a temperaturii într-o incintă folosind regulatorul de temperatură E5CN

30

Lucrarea 4 – RegulatoareSuprapunerea aparatelor componente ale ministandului pe schema bloc a SRA cu buclă închisă

31

lucrĂri de laborator lari de laborator la...

Documents