TEHNICA REGLRII

AUTOMATE

ALINA-SIMONA BIEU

CUPRINS _____________________________________________________________________

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE, 7 1.1. Definirea i Caracterizarea Sistemelor, 8 1.2. Problema Reglrii, 9 1.3. Sisteme de Reglare Automat, 10 1.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat, 12 1.5. Principiile Reglrii Automate, 13

1.4.1. Principiul Reglrii dup Efect, 14 1.4.2. Principiul Reglrii dup Cauz, 14

CAPITOLUL 2 TRADUCTOARE, 15

2.1. Traductoare de Debit, 18 2.2. Traductoare de Nivel, 21 2.3. Traductoare de Presiune, 24 2.4. Traductoare de Temperatur, 26 2.5. Traductoare de Poziie, 29 2.6. Traductoare de Vitez, 32

CAPITOLUL 3 ELEMENTE DE EXECUIE,

CONVERTOARE, 35 3.1. Elemente de Acionare Electrice, 37 3.2. Elemente de Acionare Hidraulice, 38 3.3. Elemente de Acionare Pneumatice, 39 3.4. Organe de Execuie, 41 3.5. Convertorul Electro-Pneumatic, 43

CAPITOLUL 4 REGULATOARE, 44

4.1. Regulatoare Continue, 47 4.2. Regulatoare Numerice, 52 4.3. Regulatoare Bipoziionale, 54 4.4. Regulatoare Logice Programabile, 55

CAPITOLUL 5 CONECTIVITATEA ECHIPAMENTELOR

DE AUTOMATIZARE, 59 5.1. Structura Reelelor Industriale, 60 5.2. Topologii de Reele Industriale, 63 5.3. Protocoale de Comunicaie a Datelor Industriale, 64

5.3.1. Protocolul FOUNDATION FIELDBUS, 64 5.3.2. Protocolul MODBUS, 66 5.3.3. Protocolul HART, 67 5.3.4. Protocolul PROFIBUS, 70

5.3.5. Protocolul CAN, 74 CAPITOLUL 6 SISTEME CONVENIONALE

DE REGLARE AUTOMAT, 77 6.1. Sisteme de Reglare Automat dup Efect, 78 6.2. Sisteme de Reglare Automat dup Cauz, 80 6.3. Sisteme de Reglare Automat din Industrie, 83

6.3.1. Reglarea Debitului, 83 6.3.2. Reglarea Nivelului, 85 6.3.3. Reglarea Presiunii, 88 6.3.4. Reglarea Temperaturii, 90

6.4. Sisteme de Reglare Automat din Structura unui Computer, 92

6.4.1. Reglarea Poziiei Captului de Citire/Scriere al unui Hard Disk, 92

6.4.2. Reglarea Temperaturii n Interiorul Carcasei unui Computer, 94

6.4.3. Reglarea Poziiei Lentilei Unitii Optice a unui Computer, 96

CAPITOLUL 7 SISTEME AVANSATE

DE REGLARE AUTOMAT, 101 7.1. Sisteme De Reglare Predictiv, 102

7.1.1. Predicia Ieirii pe Baza Modelului Procesului, 103

7.1.2. Deplasarea Orizontului Prediciei, 104 7.1.3. Problema Optimizrii, 106

7.2. Sisteme de Reglare cu Model Intern, 107 7.3. Sisteme de Reglare Fuzzy, 110

CAPITOLUL 8 STABILITATEA I CALITATEA

SISTEMELOR DE REGLARE, 114 8.1. Stabilitatea Sistemelor de Reglare Automat, 115 8.2. Calitatea Sistemelor de Reglare Automat, 117 8.3. Acordarea regulatorului PID, 120

BIBLIOGRAFIE, 123

1 INTRODUCERE

_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 1 1.1. Definirea i Caracterizarea Sistemelor 8 1.2. Problema Reglrii, 9 1.3. Sisteme de Reglare Automat, 10 1.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat, 12 1.5. Principiile Reglrii Automate, 13

1.5.1. Principiul Reglrii dup Efect, 14 1.5.2. Principiul Reglrii dup Cauz, 14

8

Acest prim capitol este destinat relurii unor noiuni de baz introduse de cursul Teoria Sistemelor cum ar fi sistemul, sistemul automat, clasificarea sistemelor i a sistemelor automate precum i prezentrii noiunilor de baz asociate Tehnicii Reglrii Automate, i anume:

- ce este i ce presupune operaia de reglare; - ce este, din ce este alctuit i ce rol are un sistem de reglare automat; - ce principii stau la baza funcionrii sistemelor de reglare automat.

1.1. Definirea i Caracterizarea Sistemelor

Un sistem este un ansamblu de elemente ce interacioneaz ntre ele i cu exteriorul, n vederea atingerii unei finaliti (sens, obiectiv, scop). [Crtoaje, 2004] In cazul sistemelor reale interaciunea se realizeaz prin intermediul fluxurilor de mas i energie, purttoare de informaie. Sistemul automat este un sistem tehnic cu ajutorul crora se realizeaz supravegherea i comanda proceselor i instalaiilor tehnologice, fr intervenia direct a omului. Un sistem automat (SA) este alctuit din dou pri principale: procesul de automatizat (P) i dispozitivul de automatizare (DA). Un sistem este caracterizat de trei tipuri de mrimi fizice, i anume: mrimi de intrare, mrimi de stare i mrimi de ieire. Mrimile de intrare sunt independente de sistem i influeneaz din exterior starea i evoluia sistemului. Mrimile de stare sunt dependente de mrimile de intrare i au rolul de a caracteriza starea intern curent a sistemului. Mrimile de ieire sunt dependente de mrimile de stare, uneori i direct de mrimile de intrare, i au rolul de-a transmite n exterior (sistemelor nvecinate) informaie referitoare la starea curent a sistemului. Mrimile de stare ale unui sistem au dou proprieti eseniale:

- de mediere a transferului intrare-ieire (I-E); - de acumulare ntr-o form concentrat a ntregii informaii privind evoluia

anterioar a sistemului, adic a istoriei trecute a sistemului. Sistemele pot fi mprite n clase i categorii de sisteme cu trsturi i comportamente asemntoare, cum ar fi de exemplu: sistemele continue i discrete, sistemele liniare i neliniare, sistemele cu i fr memorie, sistemele staionare i nestaionare, sistemele monovariabile i multivariabile, sistemele cu parametri concentrai i distribuii, sistemele cu i frr timp mort, sistemele deterministe i stochastice, sistemele deschise i nchise. Sistemele automate se pot clasifica dup mai multe criterii, astfel:

- dup natura elementelor din componena dispozitivului de automatizare i a semnalelor de comunicaie ntre acesta, sistemele automate pot fi: electronice, pneumatice, hidraulice, mecanice i mixte. Cnd sistemul automat conine elemente de natur diferit, interconectarea acestora se face prin intermediul elementelor convertoare;

- dup gradul de universalitate a elementelor din componena dispozitivului de automatizare, sistemele automate pot fi unificate sau specializate. Sistemele unificate conin elemente universale ce funcioneaz cu semnal unificat

9

(standard), cum ar fi: 4 20 mA c.c., tensiune n gama 1 5 V, semnal pneumatic n domeniul 0,2 1,0 bar. Sistemele automate specializate sunt utilizate n cazul unor automatizri de mai mic amploare, cnd nu se pune problema transmiterii semnalelor la distan;

- n raport cu funcia ndeplinit, sistemele automate se clasific n: - sisteme automate de supraveghere , prin msurare i/sau semnalizare; - sisteme automate de protecie care au ca scop oprirea parial sau total a

procesului (instalaiei), atunci cnd un parametru iese n afara domeniului admisibil de funcionare, afectnd calitatea produsului finit i/sau securitatea instalaiei respective.;

- sisteme automate de comand direct, dup un program prestabilit; - sisteme automate de reglare ce au ca scop aducerea i meninerea valorii

ieirii procesului la o valoare dorit (referin), n condiiile modificrii n timp a valorii referinei i a aciunii perturbaiilor asupra procesului reglat;

- sisteme automate de conducere (prin supraveghere, protecie, comand, reglare).

1.2. Problema Reglrii

n figura 1.1 este reprezentat schematic un proces supus reglrii automate, punndu-se n eviden mrimile de intrare (c, v1,v2) i de ieire (y).

ComandaP

Ieire

Perturbaii

c

v1 v2

y

Fig.1.1. Mrimile fizice asociate unui proces reglat (P).

Mrimile de intrare ale unui proces sunt de dou tipuri: comenzi i perturbaii. Prin intermediul comenzilor se poate interveni asupra procesului astfel nct acesta s evolueze dup o traiectorie dorit. Perturbaiile acioneaz arbitrar asupra procesului avnd drept consecin devierea procesului de la traiectoria dorit. Reglarea este operaia de meninere a mrimii de ieire a unui proces la o valoare ct mai apropiat de cea a unei mrimi de referin, n condiiile modificrii n timp a mrimii de referin i a aciunii perturbaiilor asupra procesului reglat, (fig.1.2). [Crtoaje .a., 2003] Problema reglrii const n elaborarea unei comenzi (c) asupra procesului reglat (P), astfel nct mrimea de ieire a procesului (y) s urmreasc ct mai aproape o mrime de referin dat (r), n condiiile aciunii perturbaiilor (v1 i v2) asupra procesului. Comanda este elaborat de ctre un element decizional, numit regulator, dup un algoritm adecvat (lege de reglare), pe baza valorii curente a mrimii reglate (ieirea procesului- y), a referinei (r) i a perturbaiilor msurate (v1).

10

1.3. Sisteme de Reglare Automat

Un Sistem de Reglare Automat (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul cruia se urmrete aducerea sau meninerea valorii mrimii de ieire dintr-un proces la o valoare de referin n mod automat, fr intervenia omului, pe baza unei legi de reglare. Un SRA este format dintr-un dispozitiv de automatizare (DA) i procesul de automatizat (P), (fig.1.2).

a)

b)

Fig.1.2. Schema bloc simplificat a unui SRA (a - dup efect, b - dup cauz):

DA Dispozitiv de Automatizare, P Proces, u mrime de execuie.

Dispozitivul de automatizare are rolul de a primi informaie referitoare la starea curent a procesului reglat (P), i de a genera comenzi convenabile asupra procesului, n vederea meninerii sau aducerii strii acestuia ntr-o anumit stare dorit (de referin). [Crtoaje .a., 2003] Dispozitivul de automatizare cuprinde n structura sa traductorul (T) ce furnizeaz informaia cu privire la starea curent a procesului, prin msurare, regulatorul (R) ce genereaz comenzile astfel nct s se ndeplineasc obiectivul reglrii (meninerea sau aducerea strii curente a unui proces la o anumit stare de referin) i elementul de execuie (EE) ce are rolul de a aplica comanda regulatorului n proces (fig.1.3).

11

EE Pr y

R

T

m

c u

v1 v2

a)

EE PR

T

ryuc

m

v1 v2

b)

Fig.1.3. Schema bloc detaliat a unui SRA (a - dup efect, b - dup

cauz): R Regulator, EE Element de Execuie, T Traductor, P Proces,

r referin, c comand, u mrime de execuie, m msur, y ieire, v1, v2 perturbaii.

Sistemul de reglare realizeaz, n cazul ideal, condiia de reglare y(t) r(t), oricare ar fi intrarea de referin r(t) i perturbaiile v1(t) i v2(t). Problema reglrii poate fi descompus n problema rejeciei efectului perturbaiilor i problema urmririi referinei. Problema rejeciei exacte exprim cerina ideal ca n ipoteza r(t)0 i v2(t)0 s avem y(t) 0, oricare ar fi v1(t). Problema urmririi exacte exprim cerina ideal ca n ipoteza v1(t)0 i v2(t)0, s avem y(t) r(t), oricare ar fi r(t). n aplicaiile practice, problema reglrii trebuie relaxat, n sensul nlocuirii condiiei rigide ca mrimea reglat (y) s urmreasc exact mrimea de referin (r), cu condiia ca ieirea s urmreasc referina cu un anumit grad de precizie. Un SRA poate funciona pe baza a dou principii de reglare, i anume principiul reglrii dup cauz i principiul reglrii dup efect, ale cror enunuri sunt prezentate n paragraful 1.3. n funcie de principiul reglrii, care st la baza legii de reglare, un SRA poate avea cele dou tipuri de structuri prezentate n figurile 1.2 a i b i detaliat n figurile 1.3 a i b.

12

1.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat

Exist mai multe posibiliti de clasificare a unui SRA, n funcie de criteriul adoptat, i anume: [Oprea, 2003] 1. Dup dependenele, n regim staionar, dintre mrimile de ieire i de intrare

ale elementelor componente se deosebesc: - SRA liniare - cnd dependenele sunt liniare; din punct de vedere matematic sistemele liniare sunt descrise prin ecuaii liniare; - SRA neliniare - cnd cel puin una din dependene este neliniar; din punct de vedere matematic sistemele neliniare sunt descrise prin ecuaii neliniare;

2. Dup caracterul prelucrrii semnalelor se deosebesc: - SRA continue - cnd toate mrimile care intervin sunt continue n timp; - SRA discrete - cnd cel puin una dintre mrimi are o variaie discret n

timp;

3. Dup viteza de rspuns a procesului reglat la un semnal aplicat la intrare se deosebesc : - SRA pentru procese rapide - cnd constantele de timp ale procesului nu

depesc 10 secunde (acionrile electrice); - SRA pentru procese lente - cnd procesul are constante de timp mai mari i,

de cele mai multe ori au i timp mort; 4. Dup principiul de funcionare, pot fi:

- SRA dup efect care menin sau aduc valoarea ieirii procesului la valoarea mrimii de referin prin msurarea permanent a ieirii i compararea valorii acesteia cu valoarea mrimii de referin;

- SRA dup cauz menin sau aduc valoarea ieirii procesului la valoarea mrimii de referin prin msurarea permanent a perturbaiilor i/sau a referinei astfel nct la modificarea perturbaiilor ieirea s nu se modifice, iar la modificarea referinei ieirea s devin egal cu aceasta;

5. Dup caracteristicile construciei dispozitivelor de automatizare se deosebesc:

- SRA unificate - cnd toate mrimile sunt semnale unificate, adic au aceeai gam i aceeai natur. De exemplu, se folosesc semnale standardizate 420 mA, pentru semnale electrice, i 0,21 bar, pentru semnalele pneumatice.

- SRA specializate nu folosesc semnale standardizate; 6. Dup agentul purttor de semnal se deosebesc:

- SRA electronice, - SRA pneumatice, - SRA hidraulice, - SRA mixte.

7. n funcie de evoluia strategiilor de reglare, se disting: [Dumitrache, 2005]

- SRA convenionale avnd la baz strategii clasice de reglare - SRA dup efect ce funcioneaz pe baza principiului reglrii dup

efect;

13

- SRA dup cauz ce funcioneaz pe baza principiului reglrii dup cauz;

- SRA n cascad ce folosesc tehnica buclelor multiple, prin cuplarea regulatoarelor n cascad;

- SRA mixte au n structur att SRA dup efect ct i SRA dup cauz; - SRA avansate avnd la baz strategii clasice de reglare

- SRA cu decuplare folosesc un dispozitiv, numit decuplor, pentru diminuarea interaciunilor naturale ce apar ntre diferitele canale ale unui proces multivariabil;

- SRA selective se folosesc atunci cnd numrul agenilor de reglare este mai mic dect numrul mrimilor reglate;

- SRA infereniale ce se folosesc atunci cnd o mrime ce trebuie reglat nu poate fi msurat, dar poate fi estimat pe baza altor mrimi ce se pot msura;

- SRA avansate avnd la baz strategii moderne de reglare - SRA adaptive folosesc metoda de identificare online a parametrilor

procesului n scopul acordrii regulatorului; primele tipuri de sisteme adaptive au fost folosite ncepnd cu anul 1950 n industria aerospaial;

- SRA predictive calculeaz mrimea de comand astfel nct evoluia prezis a ieirii procesului, pe baza unui model al procesului reglat, s urmeze ct aproape o traiectorie impus;

- SRA cu model intern calculeaz mrimea de comand pe baza unui model al procesului reglat;

- SRA avansate avnd la baz modele complexe - SRA robuste spre deosebire de SRA adaptive, SRA robuste nu permit

adaptarea dinamic a parametrilor, ci regulatorul este proiectat offline innd cont de anumite incertitudini de model;

- SRA neliniare folosesc modele neliniare; - SRA optimale sunt sistemele de reglare la care semnalul de comand

se calculeaz prin optimizarea unei anumite funcii obiectiv; - SRA avansate avnd la baz tehnici inteligente - folosesc diferite tehnici de

reglare cum ar fi reelele neurale, logica fuzzy, algoritmi genetici, probabiliti etc.

- SRA inteligente au la baz tehnici avansate de procesare a informaiilor i a cunotinelor, care integreaz tehnicile neurale, tehnicile fuzzy, tehnicile inteligenei artificiale i programarea evoluionist.

1.5. Principiile Reglrii Automate

Sistemele de reglare pot funciona pe baza principiului aciunii dup efect (eroare, abatere) sau pe baza principiului aciunii dup cauz. Sistemele cu reglare dup efect (fig. 1.3 a) se numesc sisteme cu aciune invers (cu reacie sau cu feedback) iar sistemele cu reglare dup cauz (fig.1.3 b) se mai numesc sisteme cu aciune direct (cu precompensare sau cu feedforward).

14

1.5.1. Principiul Reglrii dup Efect

Principiul reglrii (aciunii) dup efect presupune intervenia asupra sistemului reglat, pe baza informaiei obinute prin msurarea mrimii reglate, n vederea meninerii acestei mrimi la o valoare ct mai apropiat de valoarea referinei, (fig. 1.3 a). La sistemele cu aciune dup efect, apariia erorii (diferena dintre valoarea referinei i valoarea mrimii reglate) nu poate fi prevenit, dar aciunea de reducere a acesteia ncepe din momentul producerii celei mai mici erori sesizabile, indiferent de cauza care a provocat eroarea.

1.5.2. Principiul Reglrii dup Cauz

Principiul reglrii (aciunii) dup cauz presupune intervenia asupra procesului reglat, pe baza cunoaterii valorii curente a intrrii perturbatoare (cazul reglrii dup perturbaie) sau a intrrii de referin (cazul reglrii dup referin). La reglarea dup perturbaie se urmrete meninerea constant a mrimii de ieire a procesului, prin compensarea efectului produs de perturbaie, iar la reglarea dup referin se urmrete aducerea i meninerea mrimii reglate la o valoare apropiat de cea a referinei, (fig. 1.3 b). Deoarece aciunea compensatorului la reglarea dup perturbaie are loc n paralel i simultan cu aciunea perturbaiei msurate, sistemul de reglare poate, cel puin teoretic, s previn modificarea mrimii reglate de ctre perturbaia respectiv. Pentru obinerea unui rezultat apropiat de cel ideal, este necesar cunoaterea foarte exact a modelului dinamic al procesului reglat. De remarcat ns faptul c efectul perturbaiei nemsurate v2 rmne n totalitate necompensat.

2 TRADUCTOARE

_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 2 2.1. Traductoare de Debit, 18 2.2. Traductoare de Nivel, 21 2.3. Traductoare de Presiune, 24 2.4. Traductoare de Temperatur, 26 2.5. Traductoare de Poziie, 29 2.6. Traductoare de Vitez, 32

16

Acest capitol este dedicat prezentrii structurii i funcionrii celor mai frecvent utilizate traductoare, i anume: traductorul de debit, nivel, presiune, temperatur, poziie i vitez. Traductorul este parte component a dispozitivului de automatizare din structura unui Sistem de Reglare Automat (SRA). Rolul traductorului este acela de a furniza informaia referitoare la valoarea curent a mrimii reglate, prin msurare.[Agachi, 1994] Un traductor este compus din dou elemente:

- elementul sensibil (senzorul) care preia mrimea ce trebuie msurat i o transform ntr-o mrime de natur mecanic, de obicei o deplasare;

- adaptorul care transform mrimea mecanic ntr-o mrime electric sau pneumatic, ce poate fi ulterior prelucrat n cadrul SRA.

Adaptorul realizeaz, de asemenea, amplificarea i filtrarea semnalului de intrare, primit de la senzor i compensarea comportamentului neliniar al senzorului. Semnalul transmis de traductor poate fi:

- analogic - n tensiune: 05 V, 010 V sau -5+5 V; - n curent: 210 mA sau 420 mA.

- numeric - logic: 0 sau 1; - n impulsuri:

- cu frecven variabil; - cu lime de impuls variabil;

- mesaj numeric (vezi capitolul 6). Aprecierea performanelor unui traductor se poate face pe baza urmtoarelor caracteristici: [Crtoaje .a., 2003]

- pragul de insensibilitate (rezoluia) reprezint cea mai mic variaie a mrimii de intrare care produce o variaie sesizabil asupra mrimii de ieire;

- liniaritatea este proprietatea traductorului de a avea o caracteristic ct mai liniar;

- reproductibilitatea este proprietatea de a se obine rezultate ct mai apropiate n cazul repetrii, n condiii identice, a operaiei de msurare;

- fidelitatea este proprietatea de a se obine rezultate ct mai puin influenate de aciunea factorilor perturbatori interni i externi;

- timpul de rspuns timpul de stabilizare a mrimii de ieire la o variaie brusc a mrimii de intrare;

- precizia gradul de exactitate al operaiei de msurare; - fiabilitatea proprietatea traductorului de funciona n limita unor

performane impuse i n condiii de exploatare date, un interval de timp ct mai mare;

- simplitatea; - robusteea; - preul de cost, etc.

Traductoarele inteligente conin n structura lor, pe lng traductorul clasic, un microcontroller. Acest tip de traductor ndeplinete funcii suplimentare, n comparaie cu cel clasic, cum ar fi:

- afiarea local a valorii msurate; - autocalibrarea dispozitivului de msurare; - codificarea informaiei transmise; - stocarea temporar a datelor;

17

- sinteza i filtrarea datelor msurate, etc. n tabelul 2.1. se prezint clasificarea traductoarelor. [Ciobanu, 2009]

Tabelul 2.1. Clasificarea traductoarelor.

dup natura mrimii de intrare

traductoare de mrime

mrimi neelectrice

temperatur debit

presiune nivel

umiditate

vitez etc.

mrimi electrice

tensiune

curent

rezisten

frecven etc.

traductoare de calitate

gazoanalizoare

traductoare de pH

spectrografe etc.

dup natura mrimii de ieire

traductoare parametrice (transform o mrime

neelectric ntr-un parametru de circuit electric)

rezistive

inductive

capacitive

fotoelectrice etc.

traductoare generatoare (transform o mrime neelectric ntr-o for

electromotoare)

de inducie

sincrone

piezoelectrice

termoelectrice etc.

18

2.1. Traductoare de Debit Msurarea debitului fluidelor se poate realiza ca urmare a modificrii regimului de curgere prin intermediul unui corp fizic sau prin intermediul unor fenomene care sunt influenate de curgere. Traductorul de debit cu diafragm Principiul care st la baza funcionrii acestui tip de traductor este dependena dintre cderea de presiune pe care o sufer fluidul ce trece prin diafragm (p1-p2) i debitul masic de fluid (Q), (fig. 2.1). [Crtoaje .a., 2003]

p1 p2

Q

TPD

I

I

D

Fig. 2.1. Traductor de debit cu diafragm:

Q debitul de fluid, p1 presiunea fluidului naintea diafragmei, p2 presiunea fluidului dup diafragm, I curent electric dependent de ptratul debitului, I

curent electric dependent liniar de debit, TPD Traductor de Presiune Diferenial, - extractor de radical, D diafragm.

Debitul masic ce trebuie msurat (Q) (fig. 2.1) este transformat cu ajutorul diafragmei (D) ntr-o diferen de presiune (cdere de presiune p=p1-p2). Diferena de presiune este apoi preluat de traductorul de presiune diferenial i transformat ntr-un semnal electric (I). Deoarece ntre debitul masic (Q) i diferena de presiune p exist relaia:

,p2sQ = (2.1)semnalul electric (I) generat de traductorul de presiune diferenial va fi dependent de ptratul debitului. n relaia (2.1), este un coeficient de debit; s seciunea minim a diafragmei; densitatea fluidului; p diferena de presiune naintea i dup diafragm. Deoarece caracteristica static nu este liniar la ieirea adaptorului traductorului de presiune diferenial se folosete un bloc de calcul, un extractor de radical. Traductorul de debit tip rotametru Funcionarea acestui tip de traductor se bazeaz pe dependena dintre deplasarea pe vertical a unui imersor ntr-un tub tronconic i debitul de fluid ce circul prin tub, de jos n sus (Q), (fig.2.2). [Ciobanu, 2009]

19

Q

h

Fig. 2.2. Traductor de debit tip rotametru:

Q debitul de fluid, h deplasarea pe vertical a imersorului.

Tubul tronconic este confecionat din sticl, material plastic transparent sau metal. Imersorul este confecionat din metal, la lichide, sau din material plastic, n cazul gazelor, i este prevzut cu aripioare care au rolul de a-i imprima o micare de rotaie i de a-l menine n centrul tubului tronconic. Acest tip de traductor se poate folosi pentru msurarea debitelor mici i mijlocii (10-4200 m3/h). n cazul fluidelor opace transmiterea poziiei imersorului n exteriorul tubului tronconic se poate face pe cale magnetic. Dezavantajul acestui tip de traductor este c introduce rezistene n curgerea fluidului, ce pot fi importante, n anumite aplicaii industriale. Traductorul electromagnetic Traductoarele electromagnetice funcioneaz pe baza principiului induciei magnetice i permit msurarea debitelor de lichide conductibile electric, cu rezistivitatea mai mic dect 10 kcm. Constructiv, acest tip de traductor este realizat dintr-un oel inoxidabil, cptuit n interior cu teflon i fixat ntre polii unui circuit magnetic, a crui nfurare este alimentat la curent alternativ (fig. 2.3). [Ciobanu, 2009]

B

e

U

Fig. 2.3. Traductor de debit electromagnetic:

U tensiune alternativ, B inducia cmpului magnetic, e tensiune electromotoare.

Tensiunea electromotoare depinde liniar de debitul de lichid prin relaia

,QDB4e = (2.2)

n care D este diametrul interior al tubului; B inducia cmpului magnetic;

20

Q debitul de lichid. Aa cum se observ din relaia (2.2), rezultatul msurrii nu este influenat de densitatea i vscozitatea lichidului. Cu acest tip de traductor se pot msura debite de lichide cu presiunea mai mic de 30 bar, ntr-o gam larg (0,12000 m3/h) Traductorul Vortex Acest tip de traductor permite msurarea debitului pe baza frecvenei de oscilaie a presiunii jetului de fluid turbionat prin intermediul unui obstacol de form special (element Vortex), introdus n mijlocul conductei (fig. 2.4). [Crtoaje .a., 2003]

Fig. 2.4. Traductor de debit Vortex: Q debitul de fluid.

Pulsaiile din zona elementului Vortex sunt sesizate cu ajutorul unui senzor piezoelectric, amplasat n interiorul elementului vortex i protejat de fluid prin intermediul unei membrane elastice speciale. Frecvena pulsaiilor este proporional cu debitul. Traductorul cu ultrasunete La baza funcionrii acestui tip de traductor se afl fenomenul de modificare a vitezei sau direciei de propagare a undelor ultrasonice n medii fluide aflate n micare. [Zhang, 2008] Primul tip de traductor determin debitul prin msurarea timpului de propagare a undelor ultrasonice ntre dou puncte fixe aflate pe direcia de curgere. Al doilea tip de traductor determin debitul de fluid prin msurarea deviaiei unui fascicul de unde ultrasonice emise perpendicular pe direcia de curgere. Piezoelementul emitor i cel receptor se afl fixate de o parte i de alata a conductei, uneori chiar n exteriorul acesteia. Valoarea deviaiei fascicolului este proporional cu viteza de curgere a fluidului prin conduct. Acest tip de traductor permite msurarea debitelor fluidelor corozive, vscoase, neomogene, fr a genera pierderi de presiune.

21

2.2. Traductoare de Nivel Traductorul de nivel cu plutitor i imersor Ambele tipuri de traductoare transform variaia nivelului ntr-o deplasare pe vertical a elementului sensibil, care apoi se transmite n afara vasului de lichid. n timp ce plutitorul are adncime de scufundare constant i o deplasare egal cu variaia nivelului de lichid, imersorul are o adncime de scufundare variabil i o deplasare proporional cu variaia nivelului de lichid, dar mult mai mic dect aceasta. Asupra plutitorului acioneaz 2 fore , i anume greutatea proprie i fora arhimedic, n timp ce asupra imersorului mai intervine i o for elastic proporional cu deplasarea imersorului, realizat, de obicei, prin torsionarea unui tub elastic (tub de torsiune) care ndeplinete i rol de etanare. [Crtoaje .a., 2003]

Fig.2.5. Traductor de nivel cu imersor:

I imersor, P prghie, TT tub de torsiune, AD adaptor, R rezisten, h nivel n vas, deplasare unghiular.

Deplasarea pe vertical a tubului de torsiune este dat de relaia

,

Sk1

hh

i

d+

(2.3)

n care h este adncimea de scufundare a imersorului; k constanta elastic a tubului de torsiune; Si seciunea transversal a imersorului; greutatea specific a lichidului, iar deplasarea unghiular a tubului de torsiune

,bh

Sk1

1

i

+

(2.4)

n care b este lungimea braului orizontal de transmitere a micrii de la imersor la axul tubului de torsiune. Principalele erori de msurare sunt date de variaia densitii lichidului, de modificarea n timp a caracteristicilor elastice ale tubului de torsiune i de variaia seciunii imersorului din cauza depunerilor de material. n aplicaiile practice, traductoarele cu plutitor se pot utiliza pentru variaii ale nivelului pn la 20 m, iar cele cu imersor pn la 22,5 m.

22

Traductoarele cu plutitor se folosesc mai frecvent n cadrul sistemelor de msurare, semnalizare i reglare bipoziional iar cele cu imersor n cadrul sistemelor de reglare continu a nivelului.

Traductorul hidrostatic Traductorul hidrostatic funcioneaz pe baza dependenei presiunii hidrostatice de nivelul lichidului din vas sau de nivelul de interfa a dou lichide. Dac lichidul din vas este corosiv, pentru evitarea contactului acestuia cu elementul sensibil al traductorului se utilizeaz varianta cu lichid de separare (ap, ulei etc.). Separarea mediilor se face, de regul, prin intermediul a dou vase cu membran de separaie (fig.2.6). [Crtoaje .a., 2003]

TPD

h

VS1 VS2

p1 p2

Fig. 2.6. Traductor de nivel hidrostatic cu vase de separare:

TPD Traductor de Presiune Diferenial, VS1 i VS2 - vase separatoare, h nivelul de lichid ce trebuie msurat.

ntre presiunea diferenial p1-p2 i nivelul din vas (h) exist relaia

,hppp 21d == (2.5) n care reprezint greutatea specific a lichidului din vas. Traductorul cu ultrasunete Funcionarea acestui tip de traductor are la baz proprietatea undelor ultrasonice de a fi reflectate de suprafaa de separaie ntre dou medii lichide cu densiti diferite. Traductorul este plasat deasupra lichidului i conine un bloc cu piezocristal, care emite unde ultrasonice pe direcia vertical, de sus n jos, i recepioneaz undele reflectate. Timpul parcurs de und de la emitor pn la suprafaa lichidului i napoi la receptor, constituie o msur a nivelului de lichid, atunci cnd se cunoate viteza de deplasare a undelor. Pentru determinarea vitezei undelor n mediul de deasupra suprafeei de nivel, sonda ultrasonic are un dispozitiv propriu de reflexie a undelor emise, situat la o distan fix sub cristalul de emisie. [Zhang, 2008]

23

Traductorul inductiv Acest tip de traductor se utilizeaz la determinarea nivelului de separaie a dou medii neconductoare, cu permeabiliti diferite. ntre inductivitatea (L) i nivelul (h) exist o dependen liniar:

,hh)LL(LL0

121 += (2.6)

n care L1 reprezint inductivitatea pentru h=0, iar L2 reprezint inductivitatea pentru h=h0. n figura 2.7 se prezint schema traductorului inductiv.

h0 L(h)h

Fig. 2.7. Traductor de nivel inductiv.

Traductorul capacitiv ntre capacitatea (C) i nivelul (h) exist dependena liniar:

,hh)CC(CC0

121 += (2.7)

n care C1 reprezint capacitatea pentru h=0, iar C2 pentru h=h0. n figura 2.8 se prezint schema traductorului capacitiv.

Fig. 2.8. Traductor de nivel capacitiv. Traductorul rezistiv Acest tip de traductor se utilizeaz numai n cazul lichidelor conductibile din punct de vedere electric i funcioneaz pe principiul scurtcircuitului unei rezistene electrice (fig. 2.9), dup relaia:

),hh1(RR0

0 = (2.8)

24

n care R0 este valoarea rezistenei pentru h=0.

R(h)

h

Fig. 2.9. Traductor de nivel rezistiv.

2.3. Traductoare de Presiune

Cele mai utilizate tipuri de traductoare sunt cele care funcioneaz pe baza deformrii unor corpuri elastice sau pe baza schimbrii proprietii anumitor corpuri cu presiunea. Traductorul cu tub Bourdon Este un traductor de presiune ce are la baz un tub manometric confecionat din aliaj neferos sau oel aliat care sub aciunea presiunii interioare tinde s se ndrepte. Acest tip de traductor (fig. 2.10) se folosete pentru un domeniu larg de presiuni, de la 0 pn la 1000 daN/cm2. [Dumitrescu, Chiriac, 2000]

Fig. 2.10. Traductor de presiune cu tub Bourdon.

Traductorul cu membran Acest tip de traductor are elementul sensibil sub forma unei membrane gofrate (fig. 2.11), confecionate din aceleai materiale elastice cu tuburile manometrice, fie din material sintetic cu slabe proprieti elastice. Domeniul maxim de lucru este de pn la 10 daN/cm2.[Ciobanu, 2009]

25

Fig. 2.11. Traductor de presiune cu membran.

Traductorul cu burduf Acest tip de traductor funcioneaz pe baza deformrii burdufului metalic cu proprieti metalice, sub aciunea presiunii de msurat, aplicate pe suprafaa exterioar sau interioar a burdufurilor (fig. 2.12).[Crtoaje .a., 2003]

Fig. 2.12. Traductor de presiune diferenial cu burdufuri.

Traductoarele cu burduf, ca i cele cu membran sunt frecvent utilizate pentru msurarea presiunilor difereniale. Deplasarea a capetelor mobile ale burdufurilor traductorului de presiune diferenial este proporional cu diferena presiunilor aplicate la intrarea traductorului:

).pp(k 21 = (2.9)Domeniul de msur pentru acest tip de traductor este inferior celui acoperit de traductorul cu membran. Traductorul de presiune cu ionizare Acest tip de traductor se utilizeaz la msurarea presiunilor subatmosferice mici i foarte mici. Funcionarea lui se bazeaz pe dependena de presiune a gradului de ionizare a unui gaz. Ionizarea se obine prin bombardarea constant cu electroni sau radiaii alfa, iar gradul de ionizare este determinat prin intermediul curentului electric de ionizare dintr-un circuit alimentat cu tensiune constant, avnd ca sarcin rezistena gazului ionizat. [Zhang, 2008]

26

Traductorul piezoelectric Acest traductor funcioneaz pe baza efectului piezoelectric al unor cristale de cuar, titanat de bariu etc. [Crtoaje .a., 2003] Prin comprimarea unui element paralelipipedic de cristal dup direcia axei mecanice (perpendicular pe feele mecanice ale cristalului), pe feele perpendiculare pe direcia axei electrice apare o sarcin electric proporional cu presiunea de comprimare P, deci o tensiune

,CCpk

CCq

UACAC +

=

+= (2.10)

n care CA este capacitatea de intrare a amplificatorului electronic la a crui intrare este conectat cristalul iar CC este capacitatea electric a cristalului. Timpul de rspuns al traductorului este foarte mic i se utilizeaz la msurarea variaiilor brute de presiune.

Traductorul pelicular Acest traductor este realizat pe baza tehnologiei peliculelor metalice subiri i este de regul un traductor capacitiv. Traductorul este de mici dimensiuni, simplu i cu timp de rspuns mic. [Dumitrescu, Chiriac, 2000]

2.4. Traductoare de Temperatur Termocuplul Termocuplul se compune din doi electrozi din metale pure sau aliaje cu electronegativiti ct mai diferite, sudai la unul dintre capete (fig.2.13) i introdui ntr-o teac de protecie din cupru, oel sau material ceramic, pentru a-i proteja de aciunea mediului a crui temperatur se msoar. [Ciobanu, 2009]

Fig. 2.13. Traductor de temperatur tip termocuplu.

n tabelul 2.2 se prezint caracteristicile ctorva tipuri de traductoare tip termocuplu.

27

Tabelul 2.2. Caracteristicile ctorva tipuri de traductoare tip termocuplu.

TERMOCUPLU DOMENIU DE

TEMPERATUR [0C]

SENSIBILITATEA [V/0C]

Chromel/Constantan - 270870 70 valoare medie

Fier/Constantan - 210800 52,9 la 00C

63,8 la 7000C

Cupru/Constantan - 270370 15 la 2000C

60 la 3500C

Chromel/Alumel - 2701250 40 valoare medie

Platin- Rodiu(13%)/Platin - 50...1500 10 valoare medie

Platin- Rodiu(10%)/Platin - 501500 6,4 la 00C

11,5 la 10000C Platin- Rodiu(30%)/Platin-

Rodiu(6%) 01700 6

valore medie Wolfram-Reniu(5%)/ Wolfram-Reniu(26%) 02760

100 aplicaii speciale

Horning[(Bi 95%;Sn 5%)/ (Bi 97%; Sb 3%)] < 100

13 valore medie

Schwartz[(Te 33%, Ag 32%, Cu 27%, Se 7%, S 1%)/ Ag2S 50%, Ag2Se 50%)]

< 100 > 1000 aplicaii speciale

Siliciu /Aluminiu - 50...-150 44 Datorit concentraiei diferite de electroni liberi ai celor doi electrozi, n punctul de jonciune are loc un fenomen de difuziune a electronilor, care genereaz un cmp electric caracterizat printr-o tensiune electromotoare aproximativ proporional cu diferena dintre temperatura punctului cald (punctul de jonciune al electronilor, ce se afl la temperatura ce trebuie msurat (T)) i temperatura capetelor reci (aflate la temperatura T0):

).TT(e 0AB (2.11)Deoarece valoarea coeficientului AB este uor dependent de diferena de temperatur (T-T0), caracteristicile statice ale termocuplurilor sunt uor neliniare. Termorezistena Acest tip de traductor de temperatur funcioneaz pe baza variaiei rezistenei electrice a unor metale pure sau semiconductoare, cu temperatura. Traductorul este alctuit dintr-un fir subire de metal pur (platin, cupru, nichel) bobinat neinductiv pe un suport izolator (sticl, ceramic) introduc ntr-o teac de protecie. De obicei se utilizeaz termorezistenele din platin, datorit avantajelor multiple ale acesteia: are punct de topire ridicat, se poate trefila la diametre mici, nu se oxideaz, are o dependen aproape liniar cu temperatura:[Dumitrescu, Chiriac, 2000]

)],TT(1[RR 00 + (2.12)n care R0 este valoarea termorezistenei la temperatura de referin T0=0C, iar este sensibilitatea relativ medie pe intervalul T0 T.

28

Rezistena nominal a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000 la 00C, ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi sczute. Termorezistenele executate n ar se confecioneaz din platin, cu rezistene nominale de 50 i 100 , de tipul PT 50 i PT 100, fiind confecionate din fire cu diametre ntre 0,050,2 mm, cu lungimi de ordinul 520 cm, firele de legtur la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, n scopul neglijrii variaiei rezistenei acestora cu temperatura. Din cauza diametrului mic al firului de platin, termorezistena se utilizeaz rar la msurarea unor temperaturi mai mari de 400C. Termistorul Acest tip de traductor este fabricat din elemente semiconductoare fabricate din amestecuri de oxizi de mangan, nichel, cobalt, fier, sinterizate la temperaturi de peste 1000C sub form de plcue, pastile sau baghete cu dimensiuni care variaz de la cteva sutimi de mm la civa cm.

Rezistena electric a termistorului (R) variaz invers cu temperatura dup o lege exponenial de forma:

0 ,eRR )T/1T/1(0 0 >= (2.13)

Domeniul de msur este cuprins ntre -100 i 300C. Acest traductor prezint avantajul sensibilitii foarte ridicate, putnd atinge rezoluii pn la 0,010C. [Ciobanu, 2009] Traductorul cu cuar Acest tip de traductor se caracterizeaz printr-o dependen liniar a frecvenei de rezonan a cristalului cu temperatura. Sensibilitatea este aproximativ de 1kHz/C i un timp de rspuns foarte scurt, circa o secund. [Crtoaje .a., 2003]

Traductorul bazat pe radiaia termic (pirometrul) Acest traductor permite msurarea temperaturii corpurilor supranclzite, fr a intra n contact direct cu acestea. [Crtoaje .a., 2003]

29

Pirometrul de radiaie total funcioneaz pe baza dependenei puterii radiaiei emise de o unitate de suprafa a corpului nclzit de temperatura absolut a acestuia. Pirometrul optic are la baza funcionrii dependena frecvenei radiaiilor termice emise de un corp supranclzit de temperatur. Aceast frecven determin culoarea corpului incandescent. Temperatura se determin prin compararea culorii corpului incandescent cu cea a unui filament alimenta la o tensiune variabil. Tensiunea este modificat de operator pn cnd filamentul devine neobservabil pe fondul culorii corpului nclzit. Valoarea acestei tensiuni este o msur a temperaturii corpului nclzit.

2.5. Traductoare de Poziie Poziia reprezint localizarea spaial a unui punct material sau obiect, n raport cu un sistem de referin. Poziia poate fi liniar sau unghiular. n principiu, orice traductor de poziie se compune dintr-o parte fix, solidar cu sistemul de referin (piesa fix, fa de care se msoar deplasarea) i o parte mobil, solidar cu obiectul a crui deplasare sau poziie trebuie msurat. Traductorul cu senzori rezistivi Principiul de funcionare al acestui tip de traductor are la baz dependena liniar dintre rezistena electric a unui conductor i lungimea lui, conform relaiei: [Ciobanu, 2009]

,sl

R

= (2.14)

n care R este rezistena; - rezistivitatea materialului; l lungimea; s seciunea conductorului. Conectarea cursorului poteniometrului la elementul mobil permite msurarea unei tensiuni:

,1 xkuRR

u xx == (2.15)

n cazul deplasrii liniare, i

,kux = (2.16)n cazul celei unghiulare. n general, msurarea liniar rezistiv nu este indicat. Msurarea unghiular este utilizat datorit simplitii soluiei i preului de cost foarte mic. Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul c aceste sisteme au erori mari iar rezoluia msurrii este mic. n figura 2.14 se prezint un senzor rezistiv pentru msurarea poziiei la deplasarea liniar, iar n figura 2.15 la deplasarea unghiular.

30

x

u1

ux

Fig.2.14. Senzor rezistiv pentru msurarea poziiei la deplasarea liniar.

u1

ux

Fig.2.15. Senzor rezistiv pentru msurarea poziiei la deplasarea unghiular.

Traductorul de poziie rezistiv prezint dezavantajul uzurii relativ rapide din cauza frecrii cursor-element rezistiv. Traductorul cu senzori capacitivi Senzorii capacitivi sunt condensatoare electrice a cror capacitate este dat de relaia: [Ciobanu, 2009]

,xAC =

(2.15)

n care A este suprafaa de suprapunere a armturilor; permitivitatea dielectricului; x distana dintre armturi. Un tip de traductor capacitiv este cel la care una dintre armturile condensatorului este fix iar cealalt este mobil, prins de elementul a crui poziie se msoar. Variaiile de rezisten (cazul traductorului cu senzori rezistivi) sau capacitate electric (cazul traductorului cu senzori capacitivi), de la ieirea senzorului parametric, sunt convertite n tensiune sau curent electric, de ctre adaptorul electronic. Montajul de msurare ofer un semnal electric (tensiune de dezechilibru) dependent de variaia rezistenei sau a capacitii, care este apoi amplificat i aplicat unui etaj de ieire, care l convertete n semnal unificat. Eliminarea influenei semnalelor perturbatoare se asigur prevznd adaptorului

31

o bucl de reacie negativ. Efectul neliniaritilor introduse de elementul sensibil sau de schema de msurare este compensat de blocuri de liniarizare, introduse pe calea direct sau pe cea de reacie. Traductorul numeric absolut Un traductor numeric absolut, ofer la ieire mai multe semnale numerice; nivelurile logice ale acestora, codific poziia elementului mobil al traductorului, fat de cel fix, la momentul respectiv. [www, 1] Aceste traductoare se realizeaz n dou variante constructive: liniar i rotativ. Senzorul este compus dintr-un cap de citire i o rigl codificat (care este elementul fix la traductorul liniar) sau un disc codificat (elementul mobil la traductorul rotativ). Rigla i discul sunt realizate din sticl transparent, folosindu-se procedeul optic diascopic pentru citire (zonele active se deosebesc de fante prin transparen). Codificarea n cod natural (binar sau zecimal) sau n cod Gray se obine prin trasarea a m piste paralele (pe rigl) sau concentrice (pe disc). Pistele conin zone opace i transparente, cu lrgimi i mod de dispunere dependente de codul utilizat; numrul pistelor dicteaz rezoluia msurrii. De exemplu, o rigl codificat n cod binar natural, cu 4 piste, este reprezentat n figura 2.16. Pistele sunt notate cu 20, 21, 22, 23, originea fa de care se msoar poziia este marcat cu 0, incrementul de deplasare este L, iar zonele opace sunt haurate.

Fig.2.16. Rigl codificat n cod binar natural: L - incrementul de deplasare, O origine.

Capul de citire exist n mai multe variante constructive, n funcie de metoda de citire folosit. n principiu, acesta este constituit dintr-o surs se lumin (sau un ansamblu de diode electroluminescente), o gril (care este transparent numai n zona pistelor citite de pe rigl) i un ansamblu de senzori optici (fotoelemente sau fototranzistoare). Semnalele electrice de ieire ale senzorilor optici sunt aplicate unui adaptor care conine preamplificatoare, formatoare de impulsuri i etaje finale (ca i la traductoarele incrementale). Determinarea poziiei elementului mobil fa de cel fix se realizeaz utiliznd diferite metode de citire a pistelor:

- Metoda citirii n linie (citirea simpl); Metoda citirii n linie presupune folosirea unei singure axe de citire, perpendicular pe rigl. Pentru poziia A-A, din figura 2.16, a axei de citire, cuvntul n cod binar natural de la ieirea traductorului este 0100 i corespunde urmtoarei poziii P a capului de citire fa de origine:

LLP =+++= 4)20212020( 3210 (2.16)

32

La citirea n linie, rezoluia msurrii este L. Capul de citire conine o surs de lumin i 4 fotoelemente centrate pe cele 4 piste sau cte o pereche LED-fototranzistor pentru fiecare pist. Aceast metod conduce la citiri eronate, din cauza erorilor inerente de fabricaie a riglei (pasul de divizare al unei piste nu este constant pe toat lungimea ei) sau capului de citire (senzorii optici nu sunt aliniai perfect pe axa de citire). Asemenea imperfeciuni tehnologice conduc la msurtori false atunci cnd se modific simultan gradul de transparen al mai multor (cel puin codificate binar se recomand urmtoarele soluii:

- introducerea unei piste suplimentare, pentru validarea semnalelor citite; - codificarea n cod Gray (a riglei dau discului); - folosirea a dou axe de citire.

Prima soluie const n prevederea unei piste dispuse deasupra pistei 20 i coninnd zone transparente foarte nguste, situate la mijlocul fiecrei zone opace sau transparente a pistei 20. Pistei suplimentare i este asociat un senzor optic i numai la activarea lui este citit cuvntul de ieire al traductorului. Aceast soluie se preteaz numai la traductoarele cu L grosier (adic nu foarte mic); n celelalte cazuri, pista suplimentar nu poate fi realizat tehnologic. Ultima soluie presupune folosirea mai multor senzori optici (cte doi pentru fiecare pist, cu excepia celei notate cu 20), dispui dup cele dou axe de citire. n funcie de dispunerea axelor de citire, se disting metoda dublei testri i metoda citirii n V. Aceste metode sunt cele mai utilizate, dei au i ele dezavantaje: capul de citire este mai lat i neeconomic.

2.6. Traductoare de Vitez

Viteza este definit prin relaia:

,tSv

= (2.17)

n care S reprezint deplasarea efectuat n intervalul de timp t. Msurarea vitezei liniare sau unghiulare se face prin metode directe, bazate pe definiie (meninnd constant S sau t) sau prin metode indirecte (efect Doppler, legea induciei electromeagnetice). [Dumitrescu, Chiriac, 2000] n majoritatea cazurilor se msoar viteze unghiulare, cele liniare fiind convertite prin sisteme mecanice n viteze unghiulare (turaii), pe baza relaiei:

,Rv = (2.18) n care este viteza unghiular, iar R este raza de giraie. Tahogeneratorul Acest tip de traductor este cel mai des utilizat n aplicaiile practice, fiind o micromain electric de curent continuu sau de curent alternativ, la care tensiunea la borne n gol (sau la sarcini mici) este proporional cu turaia: [Dumitrescu, Chiriac, 2000]

,nkU = (2.19) Turaiile maxime ce se pot msura sunt de 2000 rot/min pentru tahogeneratoarele de curent continuu i 3000 rot/min pentru cele de curent alternativ. Pentru turaii mai mari se pot folosi reductoare de turaie mecanice.

33

Traductorul se monteaz la un capt de ax al piesei de rotaie, de la care consum o putere de 1-50W, ceea ce poate constitui o surs de erori n cazul puterilor disponibile mici. Traductorul fotoelectric Acest tip de traductor detecteaz variaiile unui flux luminos, dependente de viteza de rotaie, folosind un dispozitiv modulator acionat de axul care se rotete. [Dumitrescu, Chiriac, 2000] Dup modul n care se obine variaia fluxului luminos, dispozitivele modulatoare pot fi:

- cu ntreruperea fluxului luminos; - cu reflexia fluxului luminos.

Structura sistemului de msurare n cazul variantei cu ntreruperea fluxului luminos este prezentat n figura 2.17.

RL2

L1

S

D

A

Fig.2.17. Traductor fotoelectric cu ntreruperea fluxului luminos.

R receptor fotoelectric, S surs radiaii luminoase, D disc opac prevzut cu orificii sau fante aezate pe un cerc n jurul centrului discului, L1, L2 lentile, A

arbore a crui turaie se msoar. Discul antrenat de arborele ce se rotete, moduleaz fluxul de lumin ce ajunge la receptor, transformndu-l n impulsuri luminoase ce ajung la receptor i sunt convertite cu ajutorul unor circuite electronice n impulsuri, a cror frecven este egal cu produsul dintre turaia discului i numrul de fante. Traductoarele cu reflexia fluxului luminos funcioneaz pe acelai principiu dar au elementele fotoelectrice pe aceeai parte a discului, fantele discului fiind fante reflectorizante. Traductorul fotoelectric este frecvent utilizat datorit posibilitii de a msura gam larg de turaii i faptului c are o construcie simpl. Acest tip de traductor nu se poate folosi n medii cu praf sau cu lumin exterioar puternic. Traductorul bazat pe efectul stroboscopic Acest tip de traductor se bazeaz pe ineria ochiului uman, conform creia un corp care vibreaz sau se rotete pare a fi imobil dac este iluminat cu impulsuri scurte, a cror frecven de repetiie este egal cu frecvena de vibraie a corpului sau este un multiplu ntreg al acesteia. [Dumitrescu, Chiriac, 2000] Schema bloc a unui astfel de traductor este prezentat n figura 2.18.

34

GI FS

DICORP

Fig. 2.18. Traductorul bazat pe efectul stroboscopic. DI dispozitiv de iluminare, S surs de alimentare, GI generator impulsuri, F

dispozitiv pentru msurarea frecvenei.

Dispozitivul de iluminare emite impulsuri luminoase de durat mic, fiind comandat de generatorul de impulsuri cu frecven reglabil. Stroboscopul permite determinarea vitezei de rotaie pn la zeci de mii de turaii pe minut cu o precizie foarte bun.

3 ELEMENTE DE EXECUIE,

CONVERTOARE _____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 3 3.1. Elemente de Acionare Electrice, 37 3.2. Elemente de Acionare Hidraulice, 38 3.3. Elemente de Acionare Pneumatice, 39 3.4. Organe de Execuie, 41 3.5. Convertorul Electro-Pneumatic, 43

36

Elementele de execuie sunt componente ale sistemelor de reglare automat care primesc la intrare un semnal electric de la regulator i furnizeaz mrimi de ieire, n marea majoritate a cazurilor, de natur mecanic (fore, cupluri) capabile s modifice starea procesului n conformitate cu algoritmul de reglare stabilit. [Hilohi, 2004] n general, elementul de execuie este format din dou pri distincte: elementul de acionare (EA) i organul de execuie (OE) (fig.3.1).

EE

EA Pr y

R

T

m

c u

v1 v2

OE

Fig.3.1. Schema bloc a unui SRA:

R Regulator, EE Element de Execuie, EA Element de Acionare, OE Organ de Execuie, T - Traductor, P Proces,

r referin, c comand, u mrime de execuie, m - msur, y ieire, v1, v2 - perturbaii.

Elementul de acionare (EA) are rolul de a transforma semnalul de comand, primit de regulator intr-un cuplu de for cu care acioneaz asupra organului de execuie (OE). Pentru generarea cuplurilor sau forelor sunt necesare surse de energie exterioare. Organul de execuie este elementul care intervine asupra procesului sub aciunea forei sau cuplului generat de elementul de acionare. Mrimea de ieire a organului de execuie este, de regul, sub forma unei deplasri liniare sau unghiulare. Exist cazuri n care mrimea de ieirea a regulatorului trebuie adaptat pentru intrarea elementului de execuie. Acest lucru se realizeaz folosind un convertor. Cel mai des ntlnit convertor, n aplicaiile practice, este convertorul electro-pneumatic care transform mrimea de comand de natur electric n mrime pneumatic. Elementele de execuie pot aciona:

- continuu, dac mrimea de execuie (u) poate lua orice valoare cuprins ntre dou valori limit;

- discontinuu, dac mrimea de execuie (u) poate fi modificat numai pentru dou valori limit, dintre care cea inferioar este n general zero.

Elementele de execuie se pot clasifica dup natura sursei de energie folosite pentru alimentarea prii motoare, n:

- electrice; - hidraulice; - pneumatice.

37

n tabelul 3.1 se prezint clasificarea elementelor de execuie. Tabelul 3.1. Clasificarea elementelor de execuie.

Element de

acionare (EA)

Electric

Motor rotativ

De curent alternativ De curent continuu

Solenoid

Pneumatic sau

Hidraulic

Cu membran

Cu piston Cu 2 fee active Cu o fa activ

Cu distribuitor

Mixt

Organ de

execuie (OE)

Electric Reostat

ntreruptor De joas tensiune De nalt tensiune

Neelectric Robinet Cu dubl aciune Cu simpl aciune

Van Clapet Plan (fluture)

3.1. Elemente de Acionare Electrice Acionarea electric a organelor de execuie se realizeaz cu electromagnei sau cu motoare electrice de curent continuu sau de curent alternativ. Folosind electromagnei, se obine o acionare discontinu, bipoziional, ntruct se pot obine la ieire dou poziii staionare (nchis-deschis, dreapta-stnga); trecerea de la o stare la alta se face ntr-un timp scurt. n multe procese tehnologice, cum ar fi de exemplu cele pentru reglarea temperaturii, debitului, presiunii etc., variaia mrimii de ieire a procesului necesit o acionare continu a poziiei elementelor organului de execuie (vanelor, supapelor etc.), care determin valoarea fluxului de energie condus. n acest caz, se utilizeaz motoare de acionare electrice. Pentru organele de execuie de putere mic se folosesc n general motoare bifazate (asincrone) cu rotorul n scurtcircuit, iar pentru organe de execuie de puteri mari, motoare trifazate cu rotorul n scurtcircuit. Dintre motoarele electrice, cele mai utilizate n sistemele de automatizare sunt urmtoarele: [Hilohi, 2004]

- motoarele de curent alternativ, monofazate, bifazate i trifazate. Acestea transmit prin intermediul unor reductoare de turaie o micare de rotaie sau translaie elementelor mecanice de reglare. Practic, servomotoarele sunt ansambluri formate din motoare, reductoare i elemente de transformare a micrii de rotaie n micare de translaie;

- motoarele de curent continuu. Acionrile electrice cu motoare se mpart n:

- acionri cu vitez constant; - acionri cu vitez variabil.

n cazul motoarelor de curent continuu, comanda se poate face n dou moduri:

38

- variind curentul de excitaie i meninnd constant curentul din indusul motorului;

- variind curentul din indusul motorului i meninnd constant curentul de excitaie.

n general, n cadrul sistemelor de reglare automat se utilizeaz cea de-a doua metod, pentru c pierderile de energie sunt mai mici, puterea de comand este mic, cuplul de pornire i viteza de rspuns mari. Dezavantajul folosirii motoarelor de curent continuu l constituie apariia scnteilor la colector n timpul comutaiei, fcndu-l inutilizabil n medii inflamabile sau explozive, precum i producerea de perturbaii radiofonice. Elementele de acionare mai poart denumirea i de servomotoare.

3.2. Elemente de Acionare Hidraulice Acest tip de elemente de acionare folosesc ca agent motor lichide sub presiune, de obicei uleiuri minerale i sunt utilizate cnd sunt necesare fore i viteze mari. Acionrile hidraulice au fost primele mecanisme din tehnica reglrii automate destinate reglrii proceselor. Prin dezvoltarea sistemelor electrice de reglare, folosirea elementelor hidraulice a sczut din cauza neajunsurilor acestora (lipsa posibilitii de comand de la distan, necesitatea etanrii corpurilor i conductelor, dependena caracteristicilor de variaiile de temperatur ale mediului ambiant i necesitatea unei surse hidraulice). [Lazea .a., 2006] Elementele hidraulice prezint unele avantaje fa de cele electrice, de exemplu: band mare de trecere (frecvene ridicate de lucru), raport putere/gabarit maxim, lipsa n majoritatea cazurilor a unui reductor de ieire i varietatea mare a formelor de micare a axului de ieire (rotativ, oscilant, liniar). Folosind presiuni nalte se pot comanda elemente de execuie pn la 200 m, fr pierderi importante de presiune. Acest tip de acionare este eficient atunci cnd trebuie acionate, n acelai timp, mai multe elemente de execuie (macazurile folosite n transporturi). Elementele de acionare hidraulic se construiesc in trei variante, i anume: cu piston, cu membrana i cu distribuitor. Primele dou tipuri se realizeaz n construcie cu cilindru fix sau cu piston fix i sunt asemntoare celor pneumatice, iar cele cu distribuitor sunt de tipul biel-manivel sau cu palet rotativ. Servomotorul cu paleta rotativ determin o micare de rotaie a axului de ieire pe care este montat paleta, sub influena presiunii lichidului, asupra suprafeei paletei. n instalaiile de automatizare se folosesc, n majoritatea cazurilor, motoare hidraulice cu piston. Avantajele elementelor hidraulice fa de cele pneumatice constau in posibilitatea utilizrii lor n medii explozive sau inflamabile, precum i n faptul c dezvolt o for de acionare mai mare i acioneaz mai rapid datorit incompresibilitii uleiului. n schimb, ambele sisteme (hidraulice i pneumatice) necesit instalaii speciale de producere i conservare a uleiului sub presiune i aerului comprimat, ceea ce reprezint un dezavantaj fa de cele electrice. Pentru mbinarea avantajelor introduse de un anumit tip de acionare, au aprut elemente de acionare mixte (electrohidraulice, hidropneumatice, etc).

39

3.3. Elemente de Acionare Pneumatice

Elementele de execuie pneumatice transform energia potenial a aerului sub presiune n energia mecanic pentru deplasarea liniar a unui organ de execuie prin intermediul cruia se acioneaz asupra procesului reglat.[Vasiliu, 2005] Acest tip de acionare se utilizeaz datorit urmtoarelor avantaje:

- fluidul folosit (aerul) nu prezint pericol de incendiu; - dup utilizare, aerul este evacuat n atmosfer, nefiind necesare conducte de

ntoarcere, cum este n cazul celor hidraulice; - sunt simple, robuste, sigure n funcionare i necesit cheltuieli de ntreinere

reduse. Dezavantajele acionrilor pneumatice sunt:

- vitez de rspuns mic (n medie 1/3 1/4 din viteza de rspuns a celor hidraulice);

- precizie redus. Elementele de acionare pneumatice se recomand a fi utilizate n urmtoarele cazuri:

- temperatura mediului ambiant este ridicat i cu variaii mari; - mediul ambiant este exploziv; - nu se impune precizie mare.

Servomotoarele pneumatice pot fi liniare sau rotative. Cele liniare se pot realiza cu piston sau cu membran. Structura unui element de execuie pneumatic este prezentat n figura 3.2.

EE

POZIIONER

AP OEc u

ES

TP

hm

hSP

+

-

pc

Fig. 3.2 Structura unui element de execuie pneumatic: ES element sensibil, AP amplificator pneumatic, SP servomotor pneumatic,

TP traductor de poziie, OE organ de execuie. Elementele de acionare pneumatice cu membran (fig. 3.3) sunt formate dintr-o capsul manometric (C) prevzuta cu o membrana (M) situate deasupra unui disc metalic (D) solidar cu o tij (T) i unui resort (R). [Crtoaje .a., 2003] Aerul comprimat apas asupra membranei nvingnd rezistena resortului antagonist si apsnd tija in jos. n funcie de presiunea aerului comprimat, poziia tijei variaz continuu.

40

pc

C

T

DMR

SP

OE

Fig 3.3. Element de acionare pneumatic cu membran (robinet de reglare):

SP servomotor pneumatic, OE organ de execuie, C capsul, M membran, D disc metalic, T tij, R resort, pC presiune de comand.

Elementele de acionare pneumatice cu piston (fig. 3.4) se utilizeaz atunci cnd este necesar o for mare de acionare a organului de execuie (sunt necesare deplasri mai mari ale tijei). [www, 2] Elementele cu piston pot fi executate n dou variante i anume cu o fa a pistonului activ (fig.3.4.a ) i cu ambele fee ale pistonului active (fig.3.4.b).

T

R

pc

P

T

pc

Ppc

Fig.3.4. Element de acionare cu piston (a - cu o fa a pistonului activ, b - cu ambele fee ale pistonului active:

T tij, R resort, P piston, pC presiune de comand. La cel cu o fa activ, poziia tijei depinde de presiunea aerului comprimat, deplasarea napoi a tijei fcndu-se prin scoaterea aerului din cilindru, n timp ce la cel cu dou fee active, poziia tijei depinde de diferena de presiune aplicat celor dou fee ale pistonului.

41

3.4. Organe de Execuie Organele de execuie sunt destinate fie modificrii unor cureni sau tensiuni electrice (organe de execuie electrice), fie modificrii unor debite de substan (organe de execuie mecanice). [www, 2] n prima categorie se ncadreaz: ntreruptoarele, reostatele, contactoarele etc; n cea de a doua categorie se ncadreaz diverse elemente mecanice, cum sunt robinetele i dozatoarele, capabile s permit trecerea substanei sub cele trei forme de agregare: gazoas, lichid i solid (granule). Organe de execuie(reglare) electrice Organele de execuie electrice sunt dispozitive electrice de comutaie, atunci cnd reglarea se face discontinuu sau dispozitive electrice de tipul reostatelor, a autotransformatoarelor sau amplificatoarelor magnetice, n cazurile cnd este necesar s se efectueze o reglare continu. A. Contactoarele sunt ntreruptoare la care elementul de acionare este cu

electromagnet i servesc pentru conectarea, respectiv deconectarea alimentrii cu energie electric. Ca atare, au caracteristici discontinue, bipoziionale, servomotorul fiind de acelai tip.

B. Reostatele cu cursor sunt utilizate pentru reglarea continu a curenilor relativ redui. La cureni mari exist pericolul ca la trecerea curentului de pe o spira pe alta s se distrug conductorul prin scntei. De asemenea, rezistena de contact a cursorului pune probleme deosebite

C. Amplificatoarele magnetice sunt utilizate mai rar i permit o variaie continu a curentului de sarcin la o tensiune constant.

Organe de execuie (reglare) mecanice Principalele organe de reglare folosite pentru modificarea debitelor de fluid sunt robinetele i clapetele. A. Organe de execuie cu obturator

n cazul utilizrii unui obturator simplu (fig. 3.3), modificarea debitului de fluid se realizeaz prin modificarea seciunii de trecere a fluidului. Aceasta se realizeaz prin deplasarea tijei (T) de ctre servomotorul pneumatic (SP). n ceea ce privete clasificarea robinetelor cu obturator, aceasta se face n general dup criterii constructive, i anume: - dup form

- robinete normale (cu intrarea pe acelai ax cu ieirea); - robinete de col (cu intrarea i ieirea cu axele perpendiculare); - robinete cu trei ci pentru divizare sau pentru amestec;

- dup numrul de scaune - robinete cu un scaun; - robinete cu dou scaune;

- dup forma obturatorului - cu obturator cilindric; - cu obturator conic; - cu obturator cu ferestre dreptunghiulare; - cu obturator cu ferestre triunghiulare.

42

B. Organe de execuie cu clapet Clapetele de reglare sunt destinate reglrii debitelor de fluide (de obicei gaze) ce curg prin conducte avnd seciuni mari (peste 1 m) i cderi de presiune mici. Variaia debitului de fluid se realizeaz prin rotirea clapetei (de forma unui disc) cu un anumit unghi determinat, fa de direcia curentului n micare. Rezult o anumit trangulare a seciunii de trecere, respectiv un anumit debit de fluid asociat acesteia. Clapeta nu se rotete pana la unghiul maxim de 90 , ci numai pana la 70, ntruct n plaja 70-90 apar vibraii mecanice nedorite n procesul de reglare. Clapetele sunt in general acionate de servomotoare cu piston.

C. Alte tipuri de organe de execuie

Exist o serie de factori care dicteaz confecionarea unor robinete de reglare speciale, factori determinai de condiiile de lucru deosebite care pot aprea, i anume: - temperatura de lucru a mediului reglat foarte sczut ( -270 C), sau

ridicat (peste + 200 C); - toxicitatea i agresivitatea mediului de lucru; - corosivitatea mediului de lucru. Robinetul cu capac i nervuri se utilizeaz pentru nlturarea influenei temperaturilor ridicate asupra garniturilor de etanare a tijei ce face legtura ntre servomotor i obturator. Se utilizeaz un capac alungit, prevzut cu nervuri n vederea disiprii energiei calorice. Robinetul cu manta de nclzire se utilizeaz pentru reglarea fluidelor vscoase, care se solidific sau cristalizeaz repede sau care prezint pericolul de a nghea. Corpul robinetului este nconjurat cu o mant de tabl i, prin spaiul astfel creat, este vehiculat abur sau ap cald la presiune de 16 kgf/cm2. Robinetul cu burduf de etanare asigur izolarea complet a tijei i capacului robinetului fa de mediul interior, n cazul n care fluidul de lucru dizolv grsimile din lubrifiantul garniturii sau prezint pericol de explozie n contact cu atmosfera. Robinetele cu elemente elastice sunt utilizate n mod curent n industria chimic. Aceste robinete nu au obturatoare special profilate, ci folosesc elemente elastice pentru trangularea seciunii de trecere. Vana Camflex se utilizeaz n cazurile n care robinetul de reglare trebuie s nchid complet conducta prin care trece fluidul. Atunci, dac mediul permite, se aeaz un inel din teflon pe suprafaa de etanare a robinetului. Etanarea metal pe metal este posibil numai la robinetele cu un scaun, dar este nevoie de un servomotor capabil s genereze o for mult superioar celei normale, necesare deplasrii obturatorului. Vana Camflex const dintr-un obturator sferic legat de butucul central cu un bra, astfel nct prin rotaia arborelui cu maxim 50 se realizeaz nchiderea vanei. Acest dispozitiv este astfel conceput, nct s asigure n centrul circumferinei de contact a obturatorului o traiectorie de forma unei came iar obturatorul intra n contact cu scaunul su doar n momentul nchiderii. nchiderea perfect etan se realizeaz prin deformarea elastica a braului obturatorului.

43

Avantajul esenial al vanei Camflex este acela c asigur o etanare perfect. n plus, ea se caracterizeaz printr-o funcionare la temperaturi de -200+400 C i presiuni de 1040 bar.

3.5. Convertorul Electro-Pneumatic

Convertorul electro-pneumatic este utilizat pentru convertirea semnalului electric generat de regulator n semnal pneumatic necesar acionrii servomotorului pneumatic. Semnalul pneumatic este unul standardizat n domeniul 0,21 bar. Convertorul este un element cu structur nchis, ce funcioneaz pe principul compensrii forelor. n componena convertorului intr un circuit electomagnetic (CM) n interiorul cruia se afl armtura din material feromagnetic (AF), clapeta (C), convertorul-amplificator de presiune (CA), amplificatorul pneumatic de putere cu bil (AP), burduful de reacie (B) i urubul de zero (S) (fig. 3.5). [Crtoaje .a., 2003]

Fig. 3.5. Convertor electro-pneumatic.

CM - circuit electomagnetic, AF - armtur din material feromagnetic, C - clapet, CA - convertorul-amplificator de presiune, AP - amplificatorul pneumatic de putere cu bil, B - burduful de reacie, S - urubul de zero, A - articulaie, IC

curent de intrare, Fem - fora electromagnetic, pc - presiunea de comand. La creterea curentului de intrare (IC) din nfurarea circuitului electromagnetic, fora electromagnetic (Fem) care acioneaz asupra armturii feromagnetice crete, rotind uor armtura mpreun cu clapeta (C) n sens orar, n jurul articulaiei (A). Distana dintre clapet i convertorul-amplificator de presiune se reduce, presiunea de la ieirea acestuia (p) crete i presiunea de comand (pc) de la ieirea convertorului electro-pneumatic crete, de asemenea. Creterea presiunii de comand (pc) determin, prin intermediul burdufului de reacie (B), creterea forei de reacie (Fr), care tinde s roteasc armtura n sens antiorar, pentru a o readuce n poziia iniial. Prin intermediul urubului de zero (S) se poate ajusta convenabil punctul de zero.

4 REGULATOARE

_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 1 4.1. Regulatoare Continue, 47 4.2. Regulatoare Discrete, 52 4.3. Regulatoare Bipoziionale, 54 4.4. Regulatoare Logice Programabile, 55

45

Regulatorul reprezint elementul decizional din structura unui sistem de reglare automat. Rolul regulatorului este acela:

- de a calcula eroarea sau abatere, prin compararea referinei (valoarea dorit pentru mrimea de ieire a procesului) cu msura (valoarea curent a ieirii procesului);

- de a prelucra abaterea dup un anumit algoritm i de a genera un semnal de comand, astfel nct abaterea s fie ct mai mic, n cazul ideal egal cu zero.

Un regulator este alctuit din dou blocuri funcionale (fig. 4.1), corespunztoare celor dou funcii realizate de acesta, i anume:

- elementul de comparaie aditiv (EC) care realizeaz compararea referinei/prescrierii (r) i a reaciei/semnalului de msur (m), rezultnd abaterea/eroarea (e);

- blocul de calcul (BC) care realizeaz prelucrarea abaterii (e) pe baza unui anumit algoritm, genernd semnalul de comand (c).

Fig.4.1. Schema bloc a unui regulator: EC element de c, BC bloc de calcul, R regulator, r referin (prescriere), m msur (reacie), e eroare (abatere), c comand.

Blocul de calcul este realizat sub forma unei structuri cu reacie, ce are pe canalul direct un amplificator, iar pe canalul de reacie un bloc de reacie, n care este implementat algoritmul de reglare (fig. 4.2). [Marinoiu, Paraschiv, 1992]

Ace +

-

BC

BR

Fig.4.2. Schema bloc a blocului de calcul: BC bloc de calcul, A amplificator, BR bloc de reacie,

e eroare (abatere), c comand.

Din punctul de vedere al energiei utilizate, regulatoarele pot fi electronice, pneumatice i hidraulice, amplificatorul din structura blocului de calcul, fiind de asemenea electronic, pneumatic sau hidraulic. n cazul regulatoarelor electronice amplificatorul din structura blocului de calcul este un amplificator operaional caracterizat printr-un factor de amplificare relativ mare, de ordinul miilor i un rspuns rapid, ce poate fi considerat fr inerie.

46

innd cont de observaiile fcute anterior cu privire la amplificatorul din structura regulatorului electronic, funcia de transfer a regulatorului, fig. 4.2., se poate scrie:

,)s(G

1)s(Gk/1

1)s(Gk1

k)s(E)s(C)s(G

BRBRABRA

AR +

=+

== (4.1)

n care

)s(GR - este funcia de transfer a regulatorului; )s(C - transformata Laplace a comenzii; )s(E - transformata Laplace a erorii;

Ak - factorul de amplificare al amplificatorului; )s(GBR - funcia de transfer a blocului de reacie.

n figura 4.3 este reprezentat schema funcional a unui regulator standard. Prescrierea regulatorului poate fi local (intern) sau extern, de la un element de comand ierarhic superior. Traductorul de intrare (TI), ncorporat n regulator, realizeaz conversia deplasrii mecanice (ri ) a unui buton, indicat pe o scal, de regul n procente, n semnal unificat (r) de aceeai natur fizic cu semnalul de reacie (m). n cazul n care comutatorul AUTOMAT/MANUAL (CAM) este trecut n poziia M, regulatorul funcioneaz n aa numitul regim MANUAL, comanda (c) fiind generat cu ajutorul blocului de comand manual (BCM). n cazul n care comutatorul AUTOMAT/MANUAL (CAM) este trecut n poziia A, regulatorul funcioneaz n aa numitul regim AUTOMAT, comanda (c) fiind generat n mod automat, pe baza unui algoritm de reglare. Cel mai cunoscut algoritm de reglare este algoritmul Proporional-Integral-Derivativ (PID), ce calculeaz comanda regulatorului prin prelucrarea adecvat a erorii. Comanda regulatorului este proporional cu abaterea, depinde de integrala abaterii i de derivata acesteia.

47

A

BCM

BR

cM

cAe +

-

m

TIri

r

CR

EC+

-

re

CAM

c

kP Ti Td

M

A

cM

Fig.4.3. Schema bloc funcional a unui regulator:

TI traductor de intrare, BCM bloc comand manual, A amplificator, BR bloc de reacie, EC element de comparaie, CR comutator referin,

CAM comutator AUTOMAT/MANUAL, A automat, M - manual ri referin intern, re referin extern, r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, cA comand automat, cM comand manual,

kP, Ti, Td parametrii ce intervin n algoritmul de reglare PID.

4.1. Regulatoare Continue

Regulatoarele electronice continue unificate au semnale de intrare i de ieire sub forma unui curent electric n gama 420 mA. Regulatorul genereaz comanda (c) prin prelucrarea erorii curente (e=r-m) dup algoritmul PID (Proporional-Integral-Derivativ): [Mihalache, 2008]

,c)dtdeTedt

T1e(kc 0

t

0d

iP +++= (4.2)

n care Pk - este factorul de proporionalitate; iT - constanta de timp integral; dT - constanta de timp derivativ;

0c - comanda n lipsa abaterii. ntre factorul de proporionalitate (kP) i banda de proporionalitate (BP), cu care se opereaz n practic, exist relaia kP=100/BP. n cazurile particulare Ti= i Td=0, algoritmul PID devine PD i, respectiv, PI.

48

Regulatorul Proporional (R-P) - Ti= i Td=0 n acest caz comanda are forma

,cekc 0P += (4.3)cu funcia de transfer

.k)s(G PR = (4.4) n funcie de modul de calcul a erorii, factorul de proporionalitate (kP) poate fi pozitiv (SENS INVERS, e=r-m) sau negativ (SENS DIRECT, e=m-r). n cazul regulatoarelor analogice sensul se stabilete cu ajutorul unui comutator, n timp ce la regulatoarele numerice acest lucru se realizeaz prin configurare software. n continuare se va considera sensul invers ca sens implicit i ca atare toate caracteristicile regulatoarelor se vor reprezenta n acest caz particular. Regulatorul proporional prezint avantajul unui rspuns rapid, cu consecine n ceea ce privete performanele dinamice ale sistemelor de reglare automat. Dezavantajul componentei proporionale este acela al imposibilitii eliminrii n totalitate a abaterii, din cauza faptului c la intrri egale i momente de timp diferite, comanda are aceeai valoare (c0), (fig 4.5).

c [%]

0 m[%]100r=m

100

c0

e=r-mr=ct

kp

Fig.4.4. Caracteristica static a R-P: r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, c0 comanda n

lipsa erorii, kP, factorul de amplificare al regulatorului.

49

c0

r, m

0 t

e=r-m

r=ct

0 t

kPe

c

m

Fig.4.5. Caracteristica dinamic a R-P:

r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, c0 comanda n lipsa erorii, kP, factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Proporional-Integral (R-PI) - Td=0 n acest caz comanda are forma

,c)edtT1e(kc 0

t

0iP ++= (4.5)

cu funcia de transfer

).sT

11(k)s(Gi

PR += (4.6)

Componenta integratoare prezint avantajul eliminrii n totalitate a erorii staionare, deoarece la momente de timp diferite i intrri egale, comenzile au valori diferite (fig.4.6). Dezavantajul acestei componente este dat de performanele dinamice modeste n comparaie cu cele ale componentei proporionale. Regulatorul Proporional-Integral reunete avantajele componentelor proporional i integral, conferind rapiditate n rspuns, datorit componentei proporionale i posibilitatea eliminrii erorii n regim staionar, datorit componentei integrale. n figura 4.6 se prezint caracteristica dinamica a R-PI.

50

r, m

c0

0 t

e=r-m

r=ct

0 t

kPe

m

c

kPe

Fig.4.6. Caracteristica dinamic a R-PI:

r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, c0 comanda n lipsa erorii, kP, factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Proporional-Derivativ (R-PD) - Ti= n acest caz comanda are forma

,c)dtdeTe(kc 0dP ++= (4.6)

cu funcia de transfer ).sT1(k)s(G dPR +=

(4.7)

Componenta derivativ are rol anticipativ, asigurnd un surplus de comand necesar eliminrii rapide a abaterii. Aceast component se folosete, de obicei, n cazul proceselor lente. n figura 4.7 se prezint caracteristica dinamica a R-PD.

51

r, m

c0

0 t

e=r-m

r=ct

0 t

kPekPe

m

c

Fig.4.7. Caracteristica dinamic a R-PD:

r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, c0 comanda n lipsa erorii, kP, factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Proporional-Integral-Derivativ Acest regulator mbin avantajele celor trei componente prezentate anterior (rapiditate n rspuns, eroare staionar nul i surplus de comand) i are la baz relaia

,c)dtdeTedt

T1e(kc 0

t

0d

iP +++= (4.8)

cu funcia de transfer

).sTsT

11(k)s(G di

PR ++= (4.9)

Parametrii kp, Ti i Td poart denumirea de parametrii de acordare ai regulatorului, valorile lor influennd performanele reglrii prin stabilitate i calitate. n figura 4.8 se prezint caracteristica dinamic a regulatorului PID.

52

r, m

c0

0 t

e=r-m

r=ct

0 t

cD

m

c

cD

cI

cI

Fig.4.8. Caracteristica dinamic a R-PID:

r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, c0 comanda n lipsa erorii, cD comanda aferent componentei derivative, cI comanda aferent

componentei integrale, kP, factorul de amplificare al regulatorului. Componenta integral are caracter persistent, n sensul c nu-i nceteaz aciunea dect atunci cnd eroarea este zero, iar componenta derivativ are caracter anticipativ deoarece depinde de viteza de variaie a erorii, anticipnd evoluia acesteia (la vitez nul va rmne constant, la vitez pozitiv va crete, la vitez negativ va scdea). Componenta derivativ reprezint un element impropriu, i ca atare nu se poate implementa fizic. Practic, n aplicaii, algoritmul PID are forma [Crtoaje, 2004]

,c)DedtT1e(kc 0

t

0iP +++= (4.10)

.

dtdeTD

dtdD dd =+

4.2. Regulatoare Numerice

Regulatoarele numerice conin un microprocesor specializat pentru prelucrarea datelor numerice, o unitate de memorie pentru stocarea datelor, magistral pentru transmisia datelor, o interfa serial pentru comunicaie i cuplare la calculator, o unitate de intrare pentru achiziia semnalelor ce dispune de un convertor analog/numeric pentru conversia semnalului de msur i a celui de referin din semnal electric 420 mA, n semnal numeric, o unitate de ieire ce dispune de un convertor numeric/analogic pentru conversia semnalului numeric de comand n semnal electric, dispozitiv de afiare a datelor, etc. [Paraschiv .a., 1996]

53

n figura 4.9 se prezint schema bloc a unui astfel de regulator numeric.

Fig.4.9. Schema bloc a unui regulator numeric. Regulatoarele numerice dispun i de posibilitatea determinrii automate a parametrilor de acordare prin funcia de autotuning. Algoritmul PID implementat n regulatoarele numerice se obine prin discretizarea relaiei continue (4.8) cu perioada de eantionare T, cu tK=kT i tK-1=(k-1)T, ,Nk obinndu-se:

,TeeTe

TTekcc 1kkd

k

0jj

ikP0k

+++=

= (4.11)

.T

eeTeTTekcc 2k1kd

1k

0jj

i1kP01k

+++=

= (4.12)

Pentru obinerea relaiilor de mai sus s-a folosit metoda dreptunghiurilor pentru

integrarea numeric, astfel ,eTd)(ek

0jj

kTt

0=

= iar pentru derivarea numeric a

fost folosit aproximarea .Tee

dtde 1kkk = [Mihalache, 2008]

Relaia (4.11) poart denumirea de forma poziional a algoritmului PID. Aceast form prezint dezavantajul necesitii iniializrii la fiecare pas. Prin scderea relaiilor (4.11) i (4.12) se obine

,)ee2e(T

Te

TTeekcc 2k1kk

dk

i1kkP1kk

++++= (4.13)

54

ce poate fi scris sub forma

),ebebeb(kcc 2k21k1k0P1kk +++= (4.14)n care

.TT

b ),TT2

1(b ,TT

TT1b d2

d1

d

i0 =

+=++= (4.15)

Relaia (4.14) poart denumirea de forma recursiv a algoritmului PID, relaie ce nu mai necesit iniializarea la fiecare pas i prin care se evit propagarea erorilor de integrare. n cazul n care forma de reprezentare a algoritmului PID este cea din relaia (4.10), forma numeric se poate scrie astfel: [Crtoaje, 2004]

.

)ee(TTDeD

eTTII

)DIe(kc

1kkd

1kT

k

ki

1kk

kkkPk

d

+=

+=

++=

(4.16)

4.3. Regulatoare Bipoziionale Regulatoarele bipoziionale genereaz un semnal de comand ce poate avea numai dou valori distincte, notate convenional cu 0 i 1. Aceste regulatoare sunt elemente de comand neliniare, ce au caracteristica static de tip releu cu histerezis (fig.4.10).

Fig.4.10. Caracteristica static a regulatorului bipoziional:

r referin, e eroare (abatere), m msur, c comand, h histerezis.

Dac semnalul de comand are valoarea 0, iar eroarea crete i atinge valoarea h/2, atunci comanda devine 1, iar dac semnalul de comand are valoarea 1, iar eroarea scade i atinge valoarea h/2, atunci comanda comut la valoarea 0. Histerezisul regulatorului este egal cu h. Ca i construcie regulatorul bipoziional conine n structura sa un releu electromagnetic ce prezint un histerezis inerent i care determin histerezisul regulatorului.

55

n cazul folosirii regulatorului bipoziional, semnalul de msur (m) i implicit mrimea reglat oscileaz n jurul valorii de referin (r) (fig. 4.11), iar amplitudinea oscilaiilor este cel puin egal cu semihisterezisul h/2 regulatorului, fiind mai mare la procesele cu inerie mare i la cele cu timp mort. [Crtoaje .a., 2003]

Fig.4.11. Evoluia unei variabile reglate (m) folosind un regulator

bipoziional: m msura, r referina, c comanda, h histerezisul regulatorului.

Dac histerezisul regulatorului este mic, precizia de reglare este bun, dar frecvena de comutare a comenzii regulatorului de la o valoare la alta este mare. Spre deosebire de reglarea continu, reglarea bipoziional este mai puin precis, dar mai simpl i mai robust.

4.4. Regulatoare Logice Programabile nainte de apariia circuitelor logice cu semiconductori, sistemele logice de comand erau proiectate i realizate exclusiv cu relee electromecanice. n cteva cazuri un panou de comand realizat cu astfel de circuite acoperea un perete ntreg, iar timpul necesar pentru a putea descoperi o eroare in sistem era destul de mare, mai ales n cazul sistemelor complexe. [Zhang, 2008] n plus, timpul de utilizare a contactelor unui releu era limitat, deci unele relee trebuiau s fie nlocuite, dispozitivele comandate trebuiau oprite, oprindu-se, ca atare, i producia. La sfritul anilor 60, o companie american pe nume Bedford Associates, a lansat un dispozitiv de calcul denumit MODICON, pentru nlocuirea releelor electromagnetice. Acesta a devenit mai trziu i numele diviziei care se ocupa cu proiectarea, realizarea i vnzarea acestor dispozitive ce au fost mbuntite, primind denumirea de PLC (Programmable Logic Controller), sau, n traducere, regulator logic programabil.

56

Avantajele panoului de comand care se bazeaz pe un PLC pot fi prezentate n cteva idei:

- numrul de fire conductoare este redus cu 80% fa de o realizare clasic; - consumul este mult redus deoarece un PLC nu consum mai mult dect

consum cteva relee; - exist funcii de diagnosticare i detectare automat a erorilor; - schimbarea unei secvene de operare este uor de ndeplinit, prin simpla

modificare de program; - este mult mai ieftin comparativ cu un sistem convenional, mai ales n cazurile

n care exist un numr mare de componente de intrare/ieire i cnd funciile de operare sunt complexe.

- fiabilitatea unui PLC este mai mare dect cea a unui releu mecanic sau un releu de timp.

Un PLC reprezint un computer specializat pe aplicaii industriale de reglare, ce implementeaz funcii logice. Astfel, n loc de tastatura de la un computer clasic, PLC-ul poate avea o consol de programare, cu cteva butoane. De asemenea, informaiile sunt afiate pe un ecran LCD, att cele legate de editarea programului, ct i cele ce in de funcionarea programului salvat in memoria lui. Din punct de vedere constructiv un PLC (fig.4.12) se compune din:

- unitate central de prelucrare, de obicei implementat cu ajutorul unui microcontroller;

- interfee pentru semnale digitale i analogice, care conin circuite de adaptare pentru semnale industriale;

- memorie de tip Flash ROM pentru stocarea programului; - modul de alimentare electric; - opional: interfee de comunicaie serial, cum ar fi RS232, RS485 i n reea,

cum ar fi CAN, PROFIBUS etc; - carcas de protecie.

Unitatea central folosit de un PLC nu este prea avansat, deoarece acesta nu necesit o putere de calcul asemntoare cu a unui PC. Unitatea central este un microcontroler pe 8 bii sau mai recent pe 16 sau 32 bii. Aceasta controleaz comunicaiile, conexiunile dintre celelalte pri ale PLC, executarea programului, operaiile cu memoria i controlul intrrilor i ieirilor. Unitatea central realizeaz, de asemenea, i operaii de verificare ale funcionarii corecte a PLC, orice eroare fiind semnalizat. Memoria unui PLC este de tip Flash ROM, adic informaiile se pot inscripiona electric pe un circuit integrat de tip EEPROM, dar se pot i terge i apoi reinscripiona.

57

Fig. 4.12. Exemplu de PLC.

Alimentarea cu energie electric se realizeaz att la tensiunea de 24V cc, ct i la 220V ca. Unele dintre PLC-uri pot avea sursa de alimentare ca un modul separat, acestea sunt, de obicei, de mari dimensiuni. Cele de dimensiune mic sau medie au sursa incorporat n interiorul PLC. Utilizatorul trebuie sa determine ct curent folosete de la modulele de intrare/ieire pentru a se asigura ca acea sursa de alimentare furnizeaz intensitatea de curent necesar. Diferite tipuri de module utilizeaz diferite valori pentru curent. Aceast surs de alimentare nu este folosit n mod uzual pentru a alimenta intrrile sau ieirile externe. Partea hardware de la un PLC este alctuit din: alimentare, intrri, ieiri. Partea software este alctuit din instruciuni ce sunt organizate unele sub altele (fig.4.13).

Fig. 4.13. Exemplu de program PLC.

n partea stnga a diagramei sunt trecute date legate de intrrile PLC, iar n dreapta sunt date legate de ieirile PLC. n stnga sunt, de obicei senzorii, iar n dreapta sunt elementele de execuie.

Interfa intrri analogice i numerice

Interfa ieiri analogice i numerice

Interfa comunicaie

58

Standardul IEC 61131-3 stabileste 5 limbaje de programare utilizabile pentru programarea dispozitivelor de tip PLC: [John, Tiegelkamp, 2010]

- LD Lader Diagram limbaj grafic de tip schem cu relee; - FBD Function Block Diagram limbaj grafic de tip flux de date (cu

blocuri funcionale interconectate); - ST Structured Text limbaj de nivel nalt asemntor cu C sau Pascal; - IL Instruction List limbaj de nivel sczut de tip limbaj de asamblare; - SFC Sequential Function Chart limbaj care permite exprimarea

secvenelor de pai pentru un automat de stare. Pentru dezvoltarea de aplicaii se pot folosi diferite medii de programare, precum ISAGRAPH sau DX-Developer, care permit: editarea, compilarea, descrcarea pe un PLC int i execuia programului (in regim normal i n regim pas-cu-pas). Pentru ncrcarea i execuia programului, dezvoltat pe un PC, n memoria PLC, pentru a putea fi rulat independent de PC, se folosete interfaa de comunicaie serial sau se folosete o extensie printr-un modul de conversie USB-RS.

5 CONECTIVITATEA

ECHIPAMENTELOR DE AUTOMATIZARE

_____________________________________