SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ

Cuprins

1 ARGUMENT..........................................................................................................................- 4 -2. AUTOMATIZAREA PROCESULUI TEHNOLOGIC....................................................- 5 -

2.1. Noţiuni privind automatizarea proceselor tehnologice....................................................- 5 -2.2. Mărimi caracteristice pentru reglarea automată...............................................................- 7 -2.3. Clasificarea sistemelor automate.....................................................................................- 8 -2.4. Efectele automatizării proceselor tehnologice...............................................................- 10 -

3. SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ.........................................................................- 11 -3.1. Schema bloc tipică a Sistemelor de Reglare Automată.................................................- 11 -3.2. Clasificarea SRA............................................................................................................- 12 -3.3. Câteva exemple de construcţie a schemelor bloc...........................................................- 13 -

4. ELEMENTELE SISTEMULUI DE REGLARE AUTOMATĂ....................................- 16 -4.1. Noţiuni generale. Echipamente unificate şi specializate de automatizare.....................- 16 -4.2. Traductoare....................................................................................................................- 17 -

4.2.1. Structura generală a unui traductor.........................................................................- 17 -4.2.2. Caracteristicile generale ale traductoarelor.............................................................- 18 -4.2.3.Tipuri de traductoare. Clasificare............................................................................- 19 -4.2.4. Principii de realizare. Exemple de traductoare.......................................................- 20 -

4.3. Amplificatoare...............................................................................................................- 21 -4.3.1. Noţiuni generale......................................................................................................- 21 -4.3.2. Tipuri de amplificatoare. Clasificare......................................................................- 22 -4.3.3. Caracteristici generale ale amplificatoarelor electrice............................................- 23 -4.3.4. Exemple de amplificatoare utilizate în scheme de automatizare............................- 24 -

4.4. Regulatoare....................................................................................................................- 25 -4.4.1.Regulatoarea bipoziţionale şi tripoziţionale.............................................................- 25 -4.4.2. Regulatoare cu acţiune continuă.............................................................................- 27 -

4.5.Elemente de referinţă şi programare...............................................................................- 29 -4.6. Elemente de execuţie.....................................................................................................- 30 -

4.6.1. Elemente de execuţie hidraulice.............................................................................- 30 -4.6.2. Elemente de execuţie electrice................................................................................- 31 -4.6.3. Elemente de execuţie pneumatice...........................................................................- 33 -

5. REGLAREA AUTOMATĂ A PRINCIPALELOR MĂRIMI FIZICE DIN PROCESELE TEHNOLOGICE...........................................................................................- 34 -

5.1. Structura standard a unui sistem de reglare automată....................................................- 34 -5.2. Reglarea automată a presiunii........................................................................................- 36 -5.3. Reglarea automată a debitului........................................................................................- 38 -5.4. Reglarea automată a nivelului........................................................................................- 38 -5.5. Reglarea automată a temperaturii..................................................................................- 39 -5.6. Reglarea automată a pH-ului.........................................................................................- 40 -5.7. Structuri de sisteme de reglare automată.......................................................................- 40 -

5.7.1. Reglarea temperaturii apei, cu compensarea perturbaţiei.......................................- 40 -5.7.2. Reglarea umidităţii hârtiei, cu compensarea unei mărimi auxiliare........................- 41 -5.7.3. Reglarea în cascadă a valorii pH-ului unui lichid, cu compensarea a două mărimi intermediare......................................................................................................................- 41 -5.7.4. Reglarea în cascadă a temperaturii într-un reactor chimic......................................- 41 -5.7.5. Reglarea automată a cursului unei nave maritime (un sistem de urmărire)...........- 42 -

BIBLIOGRAFIE.....................................................................................................................- 43 -

2

1. Argument

Omul, ca fiinţă superioară, a fost preocupat din cele mai vechi timpuri de a cunoaşte şi stăpâni natura, de a dirija fenomene ale naturii în scopul uşurării existentei sale.

În procesul cunoaşterii, omul urmăreşte evoluţia în timp a unor mărimi caracteristice in raport cu evoluţia altor mărimi, evidenţiind astfel grupul mărimilor care definesc „cauza” şi grupul mărimilor ce definesc "efectul". Observaţiile asupra presupuselor cauze şi efecte au condus şi conduc la evidenţierea unor legi, care, creând relaţiile dintre „cauze" şi „efecte", caracterizează fenomenele.

Stabilirea unor legi ce caracterizează fenomene ale naturii şi definirea unor modele ale fenomenelor au permis omului o cunoaştere şi interpretare aprofundată a multor fenomene, reuşind să le dirijeze în scopul îmbunătăţirii condiţiilor sale de viaţă, al reducerii eforturilor fizice şi intelectuale, al uşurării existenţei sale.

În acest proces, omul a parcurs următoarele etape: Etapa mecanizării, în care s-au creat pârghia, roata, scripeţii, multiplicatoarele de forţă

de cuplu, ansambluri de calcul mecanizat etc., cu care omul şi-a uşurat eforturile fizice şi intelectuale pentru producerea de bunuri materiale.

Etapa automatizării, în care omul a fost preocupat sa creeze mijloace materiale care să deducă sau să elimine complet intervenţia sa directă în desfăşurarea proceselor de producţie. Astfel, în aceasta etapă, omul desfăşoară cu precădere o activitate intelectuală, în funcţii de analiză, control şi conducere.

Etapa cibernetizării şi automatizării, în care omul este preocupat de crearea unor asemenea obiecte materiale care să reducă funcţia de conducere generală a omului şi să dezvolte sistemul de informare. Astfel au fost create calculatoare şi sisteme automate de calcul cu ajutorul cărora pot fi stabilite strategii de conducere a proceselor de producţie şi sisteme de informatizare globală.

Ansamblul de obiecte materiale care asigura conducerea unui proces tehnic sau de altă natură fără intervenţia directă a omului reprezintă un echipament de automatizare.

Ştiinţa care se ocupa cu studiul principiilor şi aparatelor prin intermediul cărora se asigură conducerea proceselor tehnice fără intervenţia directă a omului poartă denumirea de Automatică. Automatizarea reprezintă introducerea în practică a principiilor automaticii.

Ansamblul format din procesul (tehnic) condus şi echipamentul de automatizare (de conducere) care asigură desfăşurarea procesului după anumite legi poartă denumirea de sistem automat.

Pentru o mai bună înţelegere a acestei teme şi pentru familiarizarea rapidă cu elemente şi limbajele tehnice, pe care un bun tehnician trebuie să le cunoască, am structurat această lucrare în 5 mari capitole, în care am încercat să fac o viziune uniformă şi generală asupra acestei ramuri a automatici, deoarece această ramură este într-o continuă expansiune şi modernizare, şi de aceea eu am încercat să o simplific şi să o fac mai pe înţelesul tuturor, şi a celor mai puţin familiarizaţi cu acest domeniu. În Cap.2 Automatizarea procesului tehnologic – am încercat să explic importanţa automatizării în munca pe care o desfăşoară omul şi efectele automatizării procesului tehnologic în viaţa sa.În Cap. 3 Sisteme de reglare automată – am început prin prezentarea schemei loc tipică a unui SRA şi apoi cu a scurtă clasificare a acestora şi câteva exemple mai uzuale.În Cap. 4 Elementele sistemului de reglare automată – am prezentat elementele care intră în componenţa unui SRA şi anume: traductoare, amplificatoare, regulatoare, elemente de execuţie şi elemente de referinţă şi programare.

3

În Cap.5 Reglarea automată a principalelor mărimi fizice din procesele tehnologice – am prezentat felul în care se face reglarea următoarelor mărimi fizice în procesele tehnologice: presiune, nivel, debit, temperatură precum şi a anumitor structuri de SRA.

2. AUTOMATIZAREA PROCESULUI TEHNOLOGIC

Reglarea automată este acel ansamblu de operaţii, îndeplinit automat, prin care o mărime fizică este fie menţinută la o valoare prescrisă, constantă – numită consemn sau program fix – fie îşi modifică valoarea la intervale de timp date, conform unui anumit program, luând astfel o succesiune de valori prescrise (dinainte stabilite).

În cadrul reglării automate, se efectuează o comparaţie prin diferenţă a valorii măsurate a unei măsuri din procesul reglat, cu valoarea de consemn (sau program) şi se acţionează asupra procesului sau instalaţiei automatizate astfel încât să se obţină anularea acestei diferenţe (sau abateri).

2.1. Noţiuni privind automatizarea proceselor tehnologice

În desfăşurarea proceselor tehnologice se produc transformări fizice, chimice, biologice, ale materie prelucrate, în aşa fel încât starea produsului finit să corespundă unor indicatori prestabiliţi. Aceste transformări se produc în instalaţii (utilaje) tehnologice, concepute pentru a realiza una sau mai multe faze ale transformărilor din procesul tehnologic. Procesul desfăşurat într-o instalaţie tehnologică este caracterizat de mai multe mărimi fizice: temperaturi, presiuni, debite, deplasări, concentraţii etc. O parte din aceste mărimi variază în mod independent, altele sunt influenţate de variabile independente. Desfăşurarea corectă a procesului tehnologic presupune ca la fiecare instalaţie tehnologică, una sau mai multe mărimi fizice să aibă o lege de variaţie prestabilită. Instalaţiile tehnologice sunt astfel concepute, încât să fie posibilă ajustarea acestor mărimi fizice, numite mărimi de ieşire, prin intermediul altor mărimi fizice, numite mărimi de execuţie. Într-o instalaţie tehnologică mărimile de execuţie sunt variabile independente, putând fi modificate de om sau de dispozitive tehnice construite anume în acest scop. Mărimile de ieşire depind atât de mărimile de execuţie, cat şi de alte mărimi independente, numite mărimi perturbatoare. La nivelul unei instalaţii izolate de ansamblul utilajelor cu care este interconectată, mărimile perturbatoare variază în mod independent. Daca se examinează instalaţia în conexiune cu alte utilaje, se constată că cele mai importante perturbaţii care se transmit acesteia sunt efectele variaţiilor mărimilor de ieşire şi de execuţie din celelalte utilaje tehnologice, cu care este interconectată instalaţia dată.

Schema bloc a unei instalaţii tehnologice (IT) supusă automatizării este prezentată în Figura 1, unde Xm , Xe şi Xp reprezintă mărimile de execuţie, de ieşire şi perturbatoare.

O instalaţie tehnologică considerată ca obiect al automatizării se numeşte instalaţie automatizată (IA). Deci un sistem automat reprezintă ansamblul format din instalaţia automatizată şi echipamentul de automatizare, având rolul de a realiza, fără participarea omului, o funcţie de comandă, control, reglare sau optimizare automată. O instalaţie tehnologică considerată ca obiect al automatizării se numeşte instalaţie automatizată (IA). Deci un sistem automat reprezintă ansamblul format din instalaţia automatizată şi echipamentul de automatizare, având rolul de a realiza, fără participarea omului, o funcţie de comandă, control, reglare sau optimizare automată.

4

Pentru a preciza noţiunile introduse vom examina schema de reglare automată a turaţiei unui motor electric de curent continuu prezentată în Figura 2. Instalaţia automatizată este motorul electric, împreună cu utilajul tehnologic acţionat. Ajustarea turaţiei motorului se face prin modificarea tensiunii de alimentare u, care este mărimea de execuţie din sistem. Pe axul motorului este conectat un mic generator electric, numit tahogenerator, care dă la borne o tensiune ur, proporţionale cu turaţia motorului.

Valoarea prescrisă (dorită) a turaţiei se stabileşte prin unghiul de rotaţie φ i al potenţiometrului P (unghiul de rotaţie, φi poate fi etalonat in rot/min). Tensiunea u i este proporţională cu unghiul φi, deci este proporţională cu valoarea prescrisă a turaţiei. Scriind teorema a doua a lui Kirchhoff pe conturul I, rezultă:

ua + ur - ui = 0 sau ua = ui - ur

Deoarece tensiunea ur este proporţională cu valoarea prescrisă a turaţiei, iar tensiunea ur

este proporţională cu valoarea reală a turaţiei, tensiunea ua va rezulta proporţională cu abaterea turaţiei de la valoarea prescrisă. Semnalul ua este amplificat de un amplificator de curent continuu. Tensiunea uc de la ieşirea amplificatorului se transmite la intrarea redresorului comandat RC. Acesta dă la ieşire tensiunea de alimentare u, variabilă in funcţie de semnalul de comandă uc.

În timpul funcţionării utilajului tehnologic există, în mod obişnuit, variaţii ale cuplului rezistent la arborele motorului de antrenare. Aceste variaţii reprezintă principala perturbaţie a sistemului de reglare automată. Astfel, dacă creşte cuplul rezistent la arbore, turaţia motorului scade. În mod corespunzător scade şi tensiunea ur, deci, în conformitate cu relaţia a doua, din cele prezentate mai sus, tensiunea ua creşte1. Amplificatorul transmite redresorului comandat RC o tensiune de comandă uc mai mare, proporţională cu noua valoare a tensiunii ua de intrare. Redresorul comandat va mări tensiunea de alimentare la perii şi motorul va accelera, astfel încât efectul perturbaţiei iniţiale tinde să fie compensat. În mod analog funcţionează schema la o variaţie în sensul micşorării cuplului rezistent la arborele motorului.

În schemele de automatizări se utilizează reprezentări simplificate ale elementelor, prin care se face abstracţie de forma constructivă a acestora. Se reţine însă fie rolul funcţional al elementelor, fie proprietăţile acestora, din punctul de vedere al relaţiei dintre semnalul de ieşire şi de intrare. De altfel, în schema di figura 2 s-au utilizat deja unele reprezentări de acest fel pentru amplificator şi redresor comandat. În plus, transmiterea mărimilor fizice între elementele sistemului se reprezintă prin linii cu săgeţi ce indică sensul acţiunilor în sistem. Schemele de automatizări obţinute în acest mod se numesc scheme bloc.

1 Se presupune că valoarea prescrisă este stabilă şi rămâne în continuare constantă.

5

Pentru sistemul de reglare automată din figura 2 s-a desenat schema bloc din figura 3.

Blocul I reprezintă motorul electric împreuna cu utilajul tehnologic acţionat şi formează instalaţia automatizată IA. Blocul 2 este tahogeneratorul, blocul 3 este potenţiometrul P pentru fixarea valorii prescrise, elementul 4 este circuitul electric prin care se realizează compararea tensiunilor ui şi ur, blocurile 5 şi 6 reprezintă amplificatorul, respectiv redresorul comandat. Ansamblul elementelor (aparatelor) de automatizare 2, 3, 4, 5 şi 6 formează dispozitivul de automatizare DA. Schema din figura 3, poate fi reprezentată într-o forma mai concisă, ca în figura 4, în care se pun în evidenţă cele două părţi de reglare ale unui sistem de reglare automată: instalaţia automatizată IA şi dispozitivul de automatizare DA. Turaţia n reprezintă mărimea de ieşire a sistemului, tensiunea u este mărimea de execuţie, iar variaţiile cuplului rezistent Mr şi ale tensiunii de excitaţie sunt mărimi perturbatoare.

În figura 5 se utilizează notaţiile uzuale pentru mărimile din sistem. S-a presupus că există o singură mărime de ieşire xe şi o singură mărime perturbatoare xp. Mărimea de execuţie s-a notat prin xm, iar xi este mărimea de intrare. Prin mărimea de intrare xi se stabileşte valoarea prescrisă a mărimii de ieşire.

2.2. Mărimi caracteristice pentru reglarea automată

Pentru instalaţiile tehnologice şi procesele industriale, aplicarea reglării are o importanţă deosebită. De exemplu, funcţionarea maşinilor cu abur, a turbinelor, a motoarelor cu ardere internă etc. este direct legată de reglarea turaţiei, a presiunii şi a debitului agentului motor (abur, gaz, apă etc.), a temperaturii, a ungerii ş.a.; pentru funcţionarea generatoarelor sincrone cu tensiune constantă la borne trebuie modificată în mod corespunzător excitaţia etc.

Desigur,operaţiile de reglare sunt necesare numai atunci când mărimea reglată nu poate rămâne constantă de la sine, la valoarea dorită şi are tendinţa de a-şi modifica valoarea, de a se abate mai mult sau mai puţin de la aceasta, în urma unor efecte perturbatoare externe sau interne.

În cazul oricărei reglări se deosebesc mai multe mărimi caracteristice: mărimea reglată, mărimea de execuţie şi mărimea perturbatoare (sau perturbaţiile).

6

Mărimea care trebuie menţinută la valoarea prescrisă este mărimea reglată.Mărimi reglate sunt, de exemplu, frecvenţa, turaţia, tensiunea, puterea electrică,

presiunea, temperatura, debitul, nivelul dintr-un rezervor etc. Mărimea de execuţie este mărimea obţinută la ieşirea elementului de execuţie al

instalaţiei de reglare şi cu ajutorul căreia se poate influenţa mărimea reglată, pentru a o aduce la valoarea dorită (de consemn sau program).

De exemplu, dacă se urmăreşte menţinerea constantă a turaţie unui motor electric de curent continuu, pentru variaţia turaţiei în sensul dorit se variază curentul de excitaţie al motorului. Deci, mărimea reglată este, în acest caz, turaţia, iar mărimea de execuţie este curentul de excitaţie al motorului.

Pentru menţinerea constantă a tensiunii la bornele unui generator sincron se variază corespunzător tensiunea de excitaţie; mărimea reglată este tensiunea la borne, iar mărimea de execuţie este tensiunea (sau curentul) de excitaţie. În scopul reglării automate a temperaturii gazelor de ardere într-un focar se variază debitul de ardere, când debitul de combustibil rămâne constant.

Influenţele externe (sau interne) care sunt cauzele abaterilor valorilor instantanee ale mărimii reglate de la valoarea prescrisă (sau, consemn) se numesc, în tehnica reglării, perturbaţii sau mărimi perturbatoare.

La reglarea unei anumite mărimi se exercită influenţa uneia sau a mai multor mărimi perturbatoare. Astfel, în cazul reglării turaţiei motorului de curent continuu se exercită influenţa unor perturbaţii diferite: tensiunea variabilă de alimentare a motorului, variaţia cuplului de sarcină cerut de maşina de lucru antrenată de motorul respectiv, variaţie rezistenţei electrice a bobinajelor cu temperatura etc.

De regulă, efectul influenţei uneia dintre mărimile perturbatoare este predominant şi poate fi preliminat; această perturbaţie este considerată perturbaţie principală şi acţiunea de reglare se manifestă în sensul eliminării abaterii mărimii reglată de la valoarea prescrisă sub influenţa perturbaţiei principale (sau dominante).

În figura 6 este reprezentată schema bloc a obiectului reglării în general (instalaţia, sau procesul tehnologic supuse reglării). La intrarea obiectului reglării (OR), reprezentat simbolic printr-un dreptunghi, se aplică mărimea de execuţie m; la ieşire, rezultă mărimea reglată y. Din exterior, se exercită acţiunea unor mărimi perturbatoare P1, P2 , Pk, Pn dintre care urmează a fi selectată perturbaţia principală Pn.

2.3. Clasificarea sistemelor automate

Principalul criteriu de clasificare a sistemelor automate (SA) îl constituie funcţia de automatizare realizată de dispozitivul de automatizare (DA). Din acest punct de vedere, SA pot fi:

sisteme de comandă automată ; sisteme de control automat ; sisteme de reglare automată ; sisteme de protecţie automată ; sisteme de optimizare automată.

7

Sistemele de comandă automată sunt sistemele în care dispozitivul de automatizare - numit dispozitiv de comandă automată - este destinat să realizeze o lege de variaţie a mărimii de ieşire, fără a controla îndeplinirea efectivă a legii date de variaţie. Schema bloc a unui sistem de comandă automată este data în figura 7.

Se remarcă faptul că mărimea de execuţie xm, dată de dispozitivul de comandă automată, acţionează asupra instalaţiei automatizate, în vederea realizării legii dorite de variaţie a mărimii de ieşire, fără ca dispozitivul de comandă să efectueze controlul îndeplinirii efective a obiectivelor comenzii.

Sistemele de control automat realizează supravegherea instalaţiei automatizate IA, prin transmiterea la dispozitivul de automatizare, numit şi dispozitiv de control automat, a tuturor mărimilor măsurabile din instalaţie, care prezintă interes din punct de vedere tehnologic.

Un astfel de sistem este redat în figura 8. Sistemele de reglare automată au

structura dată în figura 5. Dispozitivul de automatizare, numit şi dispozitiv de reglare automată, trebuie să stabi1ească o corespondenţă după o relaţie dată (de obicei de proporţionalitate) între mărimea de ieşire xe şi mărimea de intrare xi. Deci, prin mărimea de intrare se impune o lege de variaţie pentru mărimea de ieşire, semnalul x i fiind proporţional cu valoarea prescrisă (dorită) a mărimii de ieşire. Dispozitivul de reglare automată mai primeşte şi valoarea reală a mărimii de ieşire xe. El compară cele două mărimi şi stabileşte o lege de comandă,acţionând prin mărimea de execuţie xm asupra instalaţiei automatizate, în vederea aducerii mărimii de reglare xe la valoarea prescrisă.

Sistemele de protecţie automată au o structură asemănătoare cu cea a sistemelor de reglare automată. Dispozitivul de automatizare se numeşte, în acest caz, dispozitiv de protecţie automată. El primeşte prin mărimea de intrare valoarea limita admisibilă pentru mărimea de ieşire. În acelaşi timp, primeşte mărimea de ieşire, o compară cu valoarea limită admisibilă şi acţionează asupra instalaţiei automatizate atunci când valoarea limită admisibilă este depăşită. Acţiunea dispozitivului de protecţie asupra instalaţiei automatizate are ca efect scoaterea din funcţiune a unei parţi din instalaţie sau chiar a întregii instalaţii tehnologice.

Un exemplu tipic de sistem de protecţie automată îl constituie o acţionare electrică a unui utilaj, prevăzută cu elemente de protecţie (relee de protecţie termică şi electromagnetică, siguranţe).

Sistemele de optimizare automată au schema generală dată in figura 9. Dispozitivul de automatizare, numit şi dispozitiv de optimizare automată, primeşte mărimea de ieşire xe, precum şi mărimile perturbatoare măsurabile (fie acestea xp1, ..., xpk, ...). El acţionează asupra instalaţiei automatizate în aşa fel, încât să fie adusă la o valoare extremă, un indicator de performanţă privind desfăşurarea procesului tehnologic. Indicatorul poate fi consum specific (care trebuie minimizat), randament (care trebuie maximizat), sau un indicator care cuprinde atât aspecte cu caracter tehnic, cât şi economic.

8

Dispozitivele de optimizare automată sunt instalaţii complexe, incluzând în mod obişnuit sisteme electronice de calcul.

Alte criterii de clasificare a sistemelor automate sunt:După natura circuitului parcurs de semnalele din sistem, deosebim:

a. sisteme în circuit deschis;b. sisteme în circuit închis.

Din categoria sistemelor în circuit deschis fac parte sistemele de comandă automate şi sistemele de control automat. La sistemele în circuit deschis există o legătură unidirecţională între instalaţia automatizată şi dispozitivul de automatizare: de !a dispozitivul de automatizare la instalaţia automatizată, în cazul sistemelor de comandă automată, şi de la instalaţia automatizată la dispozitivul de automatizare, în cazul sistemelor de control automat.

Din categoria sistemelor în circuit închis fac parte sistemele de reglare automată, de protecţie automată şi de optimizare automată. La sistemele în circuit închis, dispozitivul de automatizare acţionează asupra instalaţiei automatizate şi, în acelaşi timp, primeşte semnale de la aceasta. De exemplu, într-un sistem de reglare automată, dispozitivul de automatizare transmite comenzi instalaţiei automatizate, în scopul obţinerii unei variaţii dorite a mărimii de ieşire, şi în acelaşi timp el primeşte mărimea de ieşire xe, pentru a controla îndeplinirea comenzilor date.

După numărul mărimilor de ieşire şi de execuţie:a. sisteme automate simple, în care instalaţia automatizată are o singură

mărime de ieşire şi o mărime de execuţie;b. sisteme automate multivariabile, în care instalaţia automatizată are mai

multe mărimi de ieşire şi mai multe mărimi de execuţie.După modul de reprezentare a mărimilor în dispozitivul de automatizare:

a. sisteme automate analogice, în care intervin semnale analogice;b. sisteme automate numerice, în care prelucrarea informaţiilor în

dispozitivul de automatizare se face sub forma numerică.

2.4. Efectele automatizării proceselor tehnologice

Automatizarea proceselor tehnologice are importante consecinţe tehnice, economice şi sociale. Dintre acestea, cele mai importante sunt:

1. Îmbunătăţirea calităţii producţiei. Desfăşurarea procesului tehnologic presupune asigurarea unor modificări ale mărimilor fizice din proces, după anumite legi de variaţie date de tehnologia respectivă. Sistemele automate au rolul de a realiza aceste legi de variaţie în condiţii mult superioare faţă de posibilităţile unui operator uman. Prin aceasta se realizează una din funcţiile cele mai importante ale automatizării: creşterea indicilor calitativi ai produselor ;

2. Creşterea productivităţii muncii. Înlocuirea omului în funcţiile de comandă şi reglare a instalaţiilor tehnologice are drept consecinţă creşterea productivităţii mucii;

3. Reducerea consumurilor specifice. Este urmarea respectării riguroase a regimurilor tehnologice prescrise. În plus, sistemele de optimizare automată pot realiza conducerea procesului tehnologic în aşa fel, încât să se minimizeze consumurile specifice, în condiţiile respectării tuturor indicatorilor de calitate ai producţiei;

4. Creşterea capacităţii de producţie şi a duratei de funcţionare a instalaţiilor ;5. Posibilitatea introducerii unor procedee tehnologice noi. Unele procedee

tehnologice prezintă mari dificultăţi la conducerea manuală, datorită preciziei cerute în reglarea unor mărimi fizice. Aplicarea efectivă a acestor procedee este posibilă numai în condiţiile automatizării instalaţiei tehnologice;

6. Creşterea securităţii muncii. Prin sistemele de control, reglare şi, mai ales, de protecţie automată, posibilităţile accidentelor de muncă sunt reduse simţitor ;

7. Îmbunătăţirea condiţiilor de muncă, modificarea caracterului muncii etc.;

9

8. Îmbunătăţirea condiţiilor igienice, prin reducerea contactului direct cu produsele (în industria alimentară).

3. SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ

3.1. Schema bloc tipică a Sistemelor de Reglare Automată

Schema de structură a unui sistem de reglare automată este dată în figura 10. Semnificaţia elementelor şi mărimilor din sistem este următoarea:

Aceste notaţii sunt uzuale în automatică şi se vor utiliza sistematic în cele ce urmează.Instalaţia automatizată este instalaţia tehnologică privită ca obiect al automatizării, la care

una sau mai multe mărimi fizice, numite mărimi de ieşire, dorim să aibă o lege de variaţie dată. Mărimea de ieşire poate fi influenţată în mod necontrolat de una sau mai multe mărimi

perturbatoare şi poate fi modificată, în scopul realizării obiectivului reglării, prin mărimea de execuţie, xm. Valoarea prescrisă (dorită) a mărimii de ieşire se impune prin mărimea de intrare, xi. Ea se poate modifica printr-o acţiune φ i asupra elementului de intrare Ei, dată de un operator uman sau de un dispozitiv tehnic (de exemplu, φi poate fi unghiul de rotaţie a unui buton de fixare a referinţei). Elementul de comparaţie EC compară mărimea de mărimea cu mărimea de reacţie, dând mărimea de acţionare:

xa=xi-xr

Deoarece mărimile xi şi xr sunt proporţionale cu valoarea prescrisă, respectiv valoarea reală a mărimii de ieşire, rezultă că mărimea de acţionare este proporţională cu abaterea mărimii de ieşire de la valoarea prescrisă (eroarea de reglare). În funcţie de această mărime de acţionare, regulatorul R stabileşte o lege de comandă, în vederea aducerii mărimii de ieşire la valoarea prescrisă, adică pentru anularea erorii de reglare. Regulatorul automat R este deci dispozitivul tehnic care înlocuieşte funcţiile operatorului uman într-un proces de reglare manuală. Mărimea de comanda xc dată de regulator este, de cele mai multe ori, un semnal de putere mică. Pentru a se interveni asupra instalaţiei automatizate, prin stabilirea mărimii de execuţie xm la o valoare corespunzătoare comenzii regulatorului, este necesară o putere mai mare decât puterea semnalului de comandă. Din acest motiv, între regulator şi instalaţia automatizată se introduce elementul de execuţie EE. Acesta preia mărimea de comanda xc şi dezvoltă la ieşire o putere suficient de mare pentru a da mărimii de execuţie alura de variaţie corespunzătoare comenzii x c a regulatorului.

În consecinţă , funcţionarea sistemului de reglare automată este următoarea: dacă, datorită acţiunii mărimii perturbatoare xp, mărimea de ieşire scade faţă de valoarea prescrisă, scade în

10

mod corespunzător şi mărimea de reacţie xr, iar mărimea de acţionare xa va creşte; regulatorul va stabili o comandă xc, care, aplicată instalaţiei automatizate - prin elementul de execuţie EE - , produce modificarea mărimii de ieşire în sensul revenirii acesteia la valoarea prescrisă. O asemenea funcţionare este posibilă numai datorită faptului că sistemul este în circuit închis. Aceasta înseamnă că, pe lângă legătura directă, de la intrarea la ieşirea sistemului, există o legătură inversă, numită şi reacţie, prin care se controlează dacă obiectivul reglării este îndeplinit. Un asemenea sistem în circuit închis se mai numeşte şi buclă de reglare.

Funcţionarea şi componenţa unor sisteme de reglare automată s-au exemplificat in paragraful anterior, prin intermediul sistemelor date în figura 2.

3.2. Clasificarea SRA

Sistemele de reglare automată se pot clasifica după mai multe criterii.I.După scopul reglării, sistemele de reglare automată pot fi:

sisteme de stabilizare automată, numite şi sisteme de reglare automată propriu-zise;sisteme de reglare automată cu program;sisteme de urmărire.

Sistemele de stabilizare automată au rolul să menţină constantă, la o valoare prescrisă dată, mărimea de ieşire. Cele mai multe sisteme de reglare automată din industrie sunt de acest tip. Valoarea prescrisă se stabileşte prin intermediul mărimii de intrare x i, care, în acest caz, este constantă şi se mai numeşte mărime de referinţă. Elementul de intrare Ei, prin care se fixează mărimea de referinţă a sistemului, se numeşte dispozitiv (element) de referinţă. Sistemele de reglare automată din figura 4.6 sunt sisteme de stabilizare.

Sistemele de reglare cu program au mărimea de intrare xi variabilă în conformitate cu un program prestabilit. În consecinţă, mărimea de ieşire a sistemului va varia după programul dat, deoarece orice sistem de reglare automată realizează modificarea mărimii de ieşire în conformitate cu variaţiile date mărimii de intrare. Elementul de intrare E i care elaborează semnalul Xi, are, în acest caz, o construcţie specială şi se numeşte dispozitiv (element) de programare. În sistemul de comandă cu program dat în figura 1.11 se utilizează un dispozitiv de programare cu camă. Dacă într-un sistem de reglare automată se utilizează un dispozitiv de programare în locul elementul de referinţă, se obţine un sistem de reglare automată după program.

Sistemele de urmărire au mărimea de intrare xi variabilă după o lege oarecare, necunoscută dinainte. Sistemul automat face ca mărimea de ieşire să urmărească în permanenţă variaţiile mărimii de intrare. Din categoria sistemelor de urmărire fac parte doua tipuri de sisteme, cu numeroase aplicaţii în situaţii specifice: servomecanismele şi sisteme de reglare automată a unui raport (sau, mai pe scurt regulatoare de raport).

Servomecanismele au ca mărime de ieşire o deplasare. Deci, ele permit să se modifice poziţia unui obiect în conformitate cu variaţiile unui semnal de intrare xi de putere neglijabilă.

Elementul Ei este în acest caz un traductor de intrare, care transformă mărimea fizică φi

(de obicei, o deplasare) într-un semnal de aceeaşi natură fizică cu mărimea de reacţie.Aşa cum se va arăta în cele ce urmează, servomecanismele pot fi utilizate atât ca sisteme

automate de sine stătătoare, cât şi ca subansambluri ale altor sisteme de reglare automată, jucând în cadrul acestora rolul de elemente de execuţie.

Regulatoarele de raport menţin constant raportul a doua mărimi fizice atunci când una din mărimi are variaţii independente, oarecare. De exemplu, la un cazan sau cuptor cu încălzire cu combustibil gazos, reglarea temperaturii se realizează prin ajustarea debitului de combustibil. În timpul funcţionarii sistemului de stabilizare a temperaturi, debitul de combustibil are o variaţie oarecare, în funcţie de perturbaţiile care acţionează asupra sistemului. Pentru arderea corectă a combustibilului trebuie să existe un raport dat între debitul de aer şi debitul de combustibil. În consecinţă, se utilizează şi un regulator de raport care face ca debitul de aer să urmărească debitul de combustibil, în aşa fel încât raportul celor două debite să fie constant.

11

II.După numărul mărimilor reglate şi numărul mărimilor de execuţie, sistemele de reglare automată pot fi:

sisteme de reglare simple, în care există o singură mărime de ieşire şi o singură mărime de execuţie (sau SRA convenţionale);

sisteme de reglare multivariabile, în care există mai multe mărimi de ieşire şi de execuţie, interdependente (sau SRA multivariabile).

III.După modul de variaţie a mărimii de comandă, sistemele de reglare automată pot fi: sisteme de reglare cu acţiune continuă, în care mărimea de comandă este o

funcţie de timp continuă; sisteme de reglare discontinue, la care mărimea de comandă dată de regulator

poate avea variaţii discontinue ca nivel sau variaţii discrete în timp. Din categoria sistemelor cu acţiune discontinuă deosebim:

regulatoarele bipoziţionale şi tripoziţionale, unde mărimea de comandă nu poate avea decât două, respectiv, trei valori discrete (variaţii discontinue ca nivel);

regulatoare cu acţiune prin impulsuri, unde mărimea de comandă se transmite discret în timp, sub forma unor impulsuri dreptunghiulare (cu variaţii continue sau discontinue la nivelul impulsurilor).

Sistemele de reglare automată se mai pot clasifica: în funcţie de felul variaţiei mărimii de intrare; în funcţie de viteza de variaţie a mărimii reglate (sau viteza de răspuns); în funcţie de numărul mărimilor reglate ; după tipul acţiunii regulatorului automat; în funcţie de numărul buclelor de reglare ale schemei SRA;

◘ În funcţie de aspectul variaţiei în timp a mărimii de intrare i (deci după variaţia în timp impusă mărimii de ieşire y) se deosebesc:

- sisteme de stabilizare automată (când i = ct -de exemplu, menţinerea constantă a unui parametru-) acestea ser mai numesc SRA cu consemn constant sau cu program fix;

- sisteme de reglare automată cu program variabil (când i variază în timp după o lege prestabilită – de exemplu, în cuptoarele industriale pentru tratamente termice; acestea se mai numesc SRA cu consemn programat;

- sisteme de reglare automată de urmărire (când i variază în funcţie de un parametru din afara SRA, legea de variaţie în timp a acestui parametru nefiind cunoscută dinainte); mărimea de la ieşire y urmăreşte variaţia lui i.

◘ În funcţie de viteza de răspuns a obiectului reglării la un semnal aplicat la intrare se deosebesc:

- SRA pentru procese lente (cele mai răspândite, instalaţii sau procese tehnologice industriale, caracterizându-se printr-o anumită inerţie),

- SRA pentru procese rapide, cum sunt sistemele de reglare automată aplicate maşinilor şi acţionărilor electrice (de exemplu, reglarea turaţiei motoarelor, reglarea tensiunii generatoarelor etc.). IV. După tipul acţiunii regulatorului automat, se deosebesc:

SRA cu acţiune continuă, la care mărimea de ieşire a fiecărui element component al sistemului este o funcţie continuă de mărimea sa de intrare. Aceste SRA conţin fie regulatoare liniare, la care dependenţa μ = f(e) este liniară, fie regulatoare neliniare, la care această dependenţă este neliniară;

SRA cu acţiune discontinuă (discretă), la care mărimea de la ieşirea regulatorului RA este reprezentată de o succesiune de impulsuri de reglare, fie modulate în amplitudine sau durată (cazul regulatoarelor cu impulsuri), fie codificate (cazul regulatoarelor numerice).

12

În funcţie de numărul buclelor de reglare, se deosebesc: SRA cu o buclă de reglare (sau cu un singur regulator automat); SRA cu mai multe bucle de reglare (sau cu mai multe regulatoare automate). 3.3. Câteva exemple de construcţie a schemelor bloc

Cele mai uzuale scheme bloc a SRA sunt prezentate în exemplele ce urmează:

Exemplul I. – Schema bloc a unui cazan încălzit cu abur.

În figura 11. este prezentată schema funcţională a unui cazan încălzit cu abur, iar în figura 12 schema bloc asociată.

Exemplul II. – Schema bloc a unui sistem automat de reglare a presiunii fluidului într-o conductă.

În figura 13. este prezentată schema funcţională a circuitului de reglare a presiunii fluidului într-o conductă, utilizând un regulator tip tijă cu jet. Schema bloc a acestui SRA este prezentată în figura 14.

Exemplul III – Schema bloc a unui sistem automat de reglare a tensiunii

13

Schema funcţională de reglare automată a tensiunii este prezentată în figura 15, iar schema bloc a Sistemului de reglare automată în figura 16.

Exemplul lV - Schema bloc a sistemului de reglare automată a temperaturii unui fier de călcat

Schema funcţională a sistemului de reglare a temperaturii este redată în figura 17. Schema bloc a SRA cu schema funcţională din figura 17. este prezentată în figura 18. Resortul contact se comportă ca un comutator bipoziţional, iar reglarea este bipoziţională.

14

hg

gggggggkgg

4. ELEMENTELE SISTEMULUI DE REGLARE AUTOMATĂ

4.1. Noţiuni generale. Echipamente unificate şi specializate de automatizare

Ansamblul mecanismelor care servesc la realizarea dispozitivelor de automatizare ale sistemelor automate formează echipamentul de automatizare.

În prima etapă a dezvoltării automaticii nu exista o producţie specializată pentru echipamentul de automatizare. Pentru un utilaj tehnologic se proiectau şi se fabricau dispozitive specifice utilajului respectiv (uneori producţia echipamentului de automatizare se realiza în aceleaşi unităţi în care se fabrica utilajul). Această situaţie a dus la o diversificare constructivă exagerata a aparaturii de automatizare, creând în practică serioase dificultăţi, dintre care amintim:

- greutăţi de procurare a pieselor de schimb;- dificultăţi de specializare în întreţinerea şi repararea echipamentului de automatizare;- frânarea dezvoltării producţiei de echipament de automatizare printr-o tehnologie

proprie;- un preţ de cost ridicat pentru un aparat de automatizare de complexitate dată.

Prin dezvoltarea automatizării proceselor tehnologice s-a trecut la tipizarea aparatelor şi dispozitivelor de automatizare. Ele s-au conceput astfel, încât un tip de aparat să poată fi utilizat pentru realizarea diferitelor sisteme automate, din mai multe ramuri industriale: construcţii de maşini, metalurgie, industrie alimentară, industrie chimică etc. Producţia de echipament de automatizare s-a organizat în unităţi distincte, cu o tehnologie specifică, prin care se asigură o calitate şi o fiabilitate (siguranţă în funcţionare) corespunzătoare, precum şi un preţ de cost rezonabil. În tipizarea echipamentului s-au avut în vedere două aspecte:

15

- utilizarea unui principiu constructiv şi tehnologic "unificat" pentru realizarea aparatelor şi dispozitivelor de automatizare;

- adoptarea unui semnal unificat pentru intrările şi ieşirile aparatelor.Ansamblul aparatelor şi dispozitivelor care se realizează după un principiu constructiv

unic şi lucrează cu un semnal unificat formează un sistem unificat de elemente de automatizare. Un sistem unificat trebuie să aibă în componenţă toate aparatele şi dispozitivele necesare realizării oricărui sistem de automatizare dintr-o clasă dată, indiferent de ramura industrială la care se aplică automatizarea. Deci, într-un sistem unificat de automatizare trebuie să existe o varietate cât mai mare de traductoare, de regulatoare, elemente de execuţie, aparate de măsură şi alte dispozitive, astfel încât printr-o alegere corespunzătoare a elementelor necesare să poată fi realizate diferite bucle de reglare, în diverse ramuri industriale.

Prin unificarea semnalului se înţelege adoptarea ca semnal a aceleiaşi mărimi fizice, cu acelaşi domeniu de variaţie, indiferent de locul unde se plasează elementul de automatizare intr-un sistem automat. Utilizarea semnalului unificat permite o mare flexibilitate în alcătuirea schemelor de automatizare.

Traductoarele şi elementele de execuţie, care se montează pe utilajul tehnologic automatizat, reprezintă aparate de câmp, în sensul că ele sunt distribuite în secţiile de producţie. Transferul semnalelor de la aparatele de câmp la cele montate în tabloul de comandă şi control se face prin cabluri de legătură, în care pot apărea perturbaţii, de exemplu prin inducţie electromagnetică. Semnalul unificat utilizat cel mai frecvent în aparatele de câmp este intensitatea curentului electric, întrucât acesta este cel mai puţin afectat de perturbaţia de tipul celor menţionate. Semnalul unificat în curent poate fi cu domeniile de variaţie 2...10 mA, iar uneori limita inferioară este zero.

Semnalul unificat în tensiune, utilizat îndeosebi în aparatura de tablou, este de 0... 10V sau-10...+10 V.

În instalaţiile tehnologice cu pericol de explozie, deseori se preferă echipamente de automatizare pneumatice. Semnalul unificat pneumatic este presiunea aerului instrumental, cu domeniul de variaţie 20... 100 kPa.

În prezent, echipamentele de prelucrare a informaţiei pentru funcţii de automatizare sunt predominant numerice, având la bază microprocesoare.

Aceste echipamente, realizate în structuri concentrate sau distribuite, asigură facilităţi deosebite de reglare, monitorizare şi diagnoză a proceselor conduse.

Echipamentele unificate sunt concepute şi construite să asigure indici calitativi ridicaţi ai aparatelor şi, prin aceasta, să creeze premisele unor performanţe înalte ale sistemelor automate. În unele aplicaţii specifice, utilizarea echipamentelor unificate de automatizare nu este justificată de necesităţi privind obţinerea unor indicatori de calitate ridicaţi ai sistemelor de automatizare. În aceste situaţii, adaptarea elementelor din sistemele unificate poate conduce la creşterea inadmisibilă a costului dispozitivului de automatizare. Din acest motiv, cât şi datorită altor cauze, s-a trecut, în unele ramuri industriale, la producţia de echipament specializat de automatizare. Acesta se poate aplica la cea mai mare parte a instalaţiilor tehnologice din ramura industrială considerată.Echipamentele de automatizare specializate sunt construite ţinând cont de particularităţile instalaţiilor tehnologice şi asigură o calitate a reglării corespunzătoare specificului buclelor de reglare respective. Ele au o construcţie simplă şi permit introducerea automatizării fără investiţii prea mari.

Echipamentul de automatizare - unificat sau specializat - poate fi:- echipament de bază;- echipament auxiliar.Echipamentul de bază este format din totalitatea traductoarelor, regulatoarelor,

elementelor de execuţie, dispozitivelor de referinţă şi de programare, aparate de măsură etc., care realizează funcţiile de comandă, control şi reglare. Echipamentul auxiliar asigură condiţiile de funcţionare normală a echipamentului de bază şi este format din surse de alimentare, filtre etc.

16

După rolul funcţional al echipamentului de automatizare, în sistemele automate, deosebim: traductoare, elemente de execuţie, regulatoare, dispozitive de referinţă şi dispozitive de programare, convertoare, aparate de măsură, indicatoare, înregistratoare şi totalizatoare, alte dispozitive de prelucrare a semnalelor.

După soluţia constructivă, echipamentele de automatizare pot fi: electrice (electronice), pneumatice, hidraulice, mecanice. Cele mai utilizate sunt echipamentele electrice (electronice) şi pneumatice de automatizare.

4.2. Traductoare

4.2.1. Structura generală a unui traductor

Pentru măsurarea mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic este necesară, de cele mai multe ori, convertirea („traducerea”) acestora în mărimi de altă natură fizică, convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De asemenea, o temperatură sau o presiune sunt convertite în mărimi de natră electrică – tensiune, curent electric – proporţionale cu mărimile iniţiale, care pot fi utilizate şi prelucrate de celelalte elemente de automatizare ale SRA (comparatoare, regulatoare automate etc.).◙ Se numeşte traductor acel element al SRA care realizează convertirea unei mărimi fizice – de obicei neelectrică – în mărime de altă natură fizică – de obicei electrică – proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, într-un fel prestabilit, în scopul utilizării într-un sistem de automatizare.

Cele mai multe traductoare din sistemele unificate pentru automatizarea proceselor lente (de exemplu, traductoare din sistemul electronic, din sistemele unificate pneumatice) sunt formate din două părţi distincte: detectorul D şi adaptorul A, ca în Figura 19.

Detectorul transformă mărimea de intrare a traductorului, adică mărimea de ieşire xe a instalaţiei automatizate, într-un semnal intermediar xl.

Acest semnal este, de obicei, o deplasare sau o tensiune electrică, în funcţie de principiul de funcţionare a detectorului. Adaptorul, numit uneori şi transmiţător, transformă semnalul intermediar x l în semnalul unificat corespunzător sistemului unificat din care face parte traductorul.

Rolul adaptoarelor este de a transforma în semnal unificat mărimile de ieşire ale detectoarelor. Uneori, adaptoarele realizează şi funcţii de corectare sau de compensare a unor factori care influenţează liniaritatea caracteristicii statice sau precizia traductorului.

Elementul constructiv principal al adaptorului este un amplificator de reacţie negativă. Prezenţa reacţiei negative la acest amplificator este necesară deoarece conduce la îmbunătăţirea indicatorilor calitativi ai amplificatorului.

După natura sistemului unificat (electronic sau pneumatic), amplificatoarele utilizate sunt amplificatoare electronice sau pneumatice. Unele traductoare din sistemele unificate au o structură mai complicată, aşa cum se va arăta în paragrafele care urmează.

Mărimea de ieşire a unui traductor poate fi transmisă altor elemente de automatizare şi, în acelaşi timp, poate fi măsurată.

Această soluţie este frecvent întâlnită în sistemele de reglare automată. La realizarea unor aparate destinate numai pentru măsurarea mărimilor fizice, neelectrice şi electrice, se utilizează

17

un detector care transformă mărimea fizică dată într-o altă mărime, măsurabilă cu aparate de utilizare curentă. Se constată deci că detectoarele intervin atât în construcţia traductoarelor (unificate şi neunificate), cat şi în construcţia aparatelor de măsură a mărimilor neelectrice şi electrice.

Principalele caracteristici ale aparatelor de măsură (sensibilitatea, clasa de precizie, constanta aparatului, consumul propriu) se definesc în mod similar şi pentru traductoare. În afara acestor caracteristici, pentru traductoare se impun condiţii sporite privind siguranţa în funcţionare, stabilitatea caracteristicilor la acţiunile factorilor externi, inerţie redusă etc.

Relaţia dintre mărimea de ieşire a traductorului şi mărimea de intrare a acestuia, în regim staţionar, se numeşte caracteristică statică a traductorului. La alegerea principiului de funcţionare şi a variantei constructive a unui traductor se ţine cont de necesitatea obţinerii unei caracteristici statice liniare.

4.2.2. Caracteristicile generale ale traductoarelor

Se pot stabili următoarele caracteristici generale, valabile pentru orice traductor : natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire (curent, tensiune electrică,

rezistenţă electrică, presiune, temperatură, debit , nivel etc.); caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic dependenţa

y=f(i)dintre mărimile de ieşire, respectiv de intrare ale traductorului (fig. 20). După tipul traductorului, această variaţie poate reprezenta o funcţie liniară sau neliniară, continuă sau discontinuă (cu valori discrete); de cele mai multe ori, se utilizează o caracteristică aproximativă (liniarizată) ca în fig.20 ;

domeniul de măsurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate imax şi ymax şi de inferioare imin şi ymin (în fig. 20. s-a presupus imin = 0);

panta absolută (sau sensibilitatea) Ka reprezentând dintre variaţiile mărimilor ieşire Δy, respectiv de intrare (figura 20). K

a = .

Sensibilitate poate fi exprimată şi în valori relative(procentual):

panta medie (Km), reprezentând coeficientul unghiular (panta) dreptei care aproximează caracteristica statică reală a traductorului (fig. 20);

Km= tg α ≈ Ka

puterea consumată la intrare (de obicei, o putere mică sau foarte mică, de ordinul câtorva waţi sau miliwaţi, sau chiar mai puţin). Consumul propriu fiind, de regulă, neglijabil, înseamnă că puterea transmisă elementului următor este insuficientă pentru a determina o acţionare; de aceea, în schemele de automatizare un traductor este urmat, aproape întotdeauna, de un amplificator.

4.2.3.Tipuri de traductoare. Clasificare

În figura 21. este reprezentată, schematic, clasificarea tipurilor de traductoare pentru automatizare.

18

Clasificarea traductorilor poate fi făcută în funcţie de natura mărimii de ieşire y sau în funcţie de natura mărimii de intrare i.

Întrucât circuitele de automatizare cel mai des folosite sunt de natură electrică, mărimea de ieşire a traductoarelor este aproape exclusiv de natură electrică.

În funcţie de natura mărimii electrice de la ieşire y se deosebesc: - traductoare parametrice, la care mărimea măsurată este transformată într-un „parametru de circuit electric” (rezistenţă, inductanţă sau capacitate). Traductoarele parametrice se împart, la rândul lor, în: traductoare rezistive, traductoare inductive şi traductoare capacitive; - traductoare generatoare , la care mărimea măsurată este transformată, într-o tensiune electromotoare, a cărei valoare depinde de valoarea mărimii respective.

În funcţie de natura mărimii aplicate la intrare (i) se disting: - traductoare de mărimi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, viteză, presiune etc.);

- traductoare de mărimi electrice (curentul, frecvenţă, putere, fază etc.). Observaţie. În funcţie de modul de variaţie al mărimii de ieşire traductoarele se

clasifică în: - traductoare unificate – la care mărimea de ieşire reprezintă un semnal unificat electric (2 – 10 mA c.c. sau 4 – 20 mA c.c.), sau pneumatic (0,2 – 1 daN/cm 2); aceste traductoare se utilizează în cadrul sistemelor de reglare automată cu elemente unificate; - traductoarele neunificate, la care y poate varia fără restricţii.

4.2.4. Principii de realizare. Exemple de traductoare

În cele ce urmează vor fi prezentate câteva exemple de traductoare folosite în aplicaţiile reglării automate:

● Traductorul inductiv de presiune cu tub Bourdon. Elementul sensibil al traductorului de presiune este un

19

tub Bourdon T (fig. 22), care sub acţiunea presiunii de măsurat p tinde să se îndrepte (poziţia punctată în figură). O dată cu creşterea presiunii p aplicate, punctul a din capătul liber al tubului se îndepărtează (de exemplu, în a ´), astfel că, prin intermediul bielei B, manivela M este rotită în jurul punctului fix c cu unghiul α.

Rotirea este aplicată modulatorului magnetic din adaptorul tip ELT 370 care produce la ieşire semnalul unificat în gama de valori i = 2…. 10 mA c.c. proporţional cu presiunea măsurată p.

● Traductorul inductiv de presiune diferenţială cu burdufuri. Elementul sensibil al traductorului este format dintr-o capsulă închisă M (fig. 23, a) în care, prin peretele de separare D, se creează două compartimente C1 şi C2 alimentate cu presiunea p1 şi p2. Cele două presiuni, a căror diferenţă (Δp = p1 – p2) trebuie măsurată, acţionează asupra unor burdufuri B1 şi B2, rigidizate între ele prin tija T şi care sprijinindu-se fiecare pe peretele despărţitori acţionează ca nişte resoarte spirale la deplasarea lor (B1se comprimă, iar B2 se întinde). Cele două burdufuri fiind identice, forţa rezultată ΔE creată de cele două presiuni va fi proporţională cu diferenţa presiunilor respective. În acest fel deplasarea longitudinală d a tijei va fi proporţională cu forţa ΔF, deci presiunea diferenţială Δp.

Tija T, prevăzută cu opritorul reglabil 0, acţionează asupra manivelei rotind axul A cu unghiul α . În acest mod se transformă deplasarea d (proporţională cu Δp) într-un unghi α şi, deoarece axul A este solidar cu modulatorul magnetic din adaptorul ELT 370, se obţine un semnal în gama de valori unificate i = 2 … 10 mA c.c., la rândul sau proporţional cu diferenţa presiunilor. În figura 23, b este prezentat aspectul exterior al acestui traductor, denumit AT 30-ELT 370.

● Traductor pentru măsurarea nivelului .Principiul de funcţionare a traductor numeric pentru măsurarea nivelului de lichid într-un

rezervor este reprezentat în figura 24. Exprimarea a mărimii se face codificat, utilizarea unuia numit tip de cod fiind impusă de considerente de ordin practic: citirea sigură şi precisă a numerelor, prelucrarea numerică unitară într-un echipament de conducere numeric ş.a. Astfel, în funcţie de nivelul din rezervor, se va stabili o conducţie între perechile de electrozi (fig. 24.), ceea ce corespunde unui semnal logic 1.

Semnalele logice de la ieşire pot fi conectate într-o asemenea manieră, încât să se obţină o exprimare în codul binar (tip Gray) a nivelului măsurat. Evident, un astfel de traductor numeric se poate adapta şi la măsurarea presiunii, temperaturii, vitezelor liniare şi unghiulare ş.a.

20

4.3. Amplificatoare

4.3.1. Noţiuni generale

După cum s-a văzut, mărimile obţinute la ieşirea elementului de măsurat (traductor) au în majoritatea cazurilor valori reduse; pentru a se utiliza, este necesară mărimea lor proporţională, adică amplificarea lor.

Amplificatorul este acel element al SRA la care mărimea de intrare, de o putere (sau nivel) relativ mică, poate comanda continuu o mărime de ieşire având o putere (sau nivel) mult mai mare, folosind pentru aceasta o sursă auxiliară de energie. Amplificatorul realizează, deci, o amplificare, de obicei de putere, uneori de modul (nivel).

În figura 25. este reprezentată schema bloc a unui amplificator, în general. La intrarea amplificatorului se aplică mărimea de intrare i care are rolul de a varia „rezistenţa de trecere” a energiei (rezistenţa de tip ohmic în circuitele electrice, de tip hidraulic sau pneumatic în cele fluidice) de la sursă spre ieşirea y.

4.3.2. Tipuri de amplificatoare. Clasificare

În figura 26 se prezintă clasificarea amplificatoarelor în funcţie de natura mărimii fizice amplificate, principiul de realizare şi modul de interdependenţă intrare-ieşire.

21

După natura mărimii fizice amplificate, se deosebesc:- amplificatoare de mărimi electrice (electronice, magnetice, rotative);- amplificatoare de mărimi neelectrice (pneumatice şi hidraulice).

Sursa de energie auxiliară trebuie să concorde cu tipul şi natura mărimii amplificate (electrică, neelectrică).

După principiul de realizare şi modul de

independenţă intrare-ieşire, se deosebesc: amplificatoare fără reacţie, la care mărimea de ieşire y depinde de mărimea de intrare i numai pe baza legăturii „directe” (intrare-ieşire). Reprezentarea schematică a unui astfel de amplificator este dată în figura 27, a, iar dependenţa mărimii de ieşire de cea de intrare, cunoscută sub denumirea de caracteristică statică, în figura 27, b; caracteristica reală de amplificare ţine seama de efectul saturaţiei (fig. 27, b); - amplificatoare cu reacţie, la care mărimea de ieşire depinde atât de mărimea de intrare, cât şi de mărimea „de reacţie” r transmisă de la ieşire înapoi la intrare, printr-o legătură „inversă” (ieşire-intrare), numită „de reacţie”. În figura 28 este reprezentată schema bloc pentru un amplificator electric cu reacţie.

22

Dacă mărimea de reacţie r se adună cu cea de intrare i , mărind astfel semnalul total aplicat amplificatorului, reacţia se numeşte pozitivă (fig. 28, a), iar dacă r se scade din i – reacţia se numeşte negativă (fig. 28, b).

După numărul de etaje de amplificare şi modul lor de interconectare se deosebesc: - amplificatoare formate dintr-un singur etaj (alcătuite dintr-un singur element de amplificare – de exemplu, tub electronic, tranzistor etc.); ele prezintă un factor de amplificare limitat şi au putere de ieşire mică;

- amplificatoare formate din două sau mai multe etaje de amplificare, rezultate prin conectarea în cascadă (în serie) sau în contratimp (cu intrarea comună şi ieşirea legată în opoziţie

Problemele cele mai complexe le ridică amplificatoarele de mărimi electrice care, deşi sunt principial şi constructiv diferite între ele, posedă totuşi anumite caracteristici generale comune.

4.3.3. Caracteristici generale ale amplificatoarelor electrice

Realizarea unei dependenţe în sensul strictei proporţionalităţi între mărimile de ieşire y şi mărimea de intrare i (deci y = Ki), deci funcţionarea în regim de amplificator perfect (ideal) nu este practic posibilă. În realitate, caracteristica statică este o linie dreaptă numai pentru zona de funcţionare normală, adică până la punctul la care corespunde mărimea de intrare maximă im

şi mărimea de ieşire maximă ym (fig.27, b). Dincolo de acest punct, caracteristica prezintă fenomenul de saturaţie şi amplificatorul nu mai funcţionează corect (curba se deplasează – v. fig. 27, b).

Coeficientul unghiular Ka (coeficientul de proporţionalitate) al caracteristicii în domeniul liniar (i<im şi y<ym) este dat de relaţia:

Ka = ,

şi poartă numele de factor de amplificare, pantă sau sensibilitatea amplificatorului. Amplificatorul putând fi de curent, de tensiune, de putere etc., factorul de amplificare ia denumirea corespunzătoare (amplificare de tensiune, de putere etc.).

Caracteristica statică (fig. 27,b) nu trece prin originea axelor de coordonare, ci prezintă o ordonată de origine yo numită valoare de funcţionare în gol. Ea reprezintă fizic, valoarea mărimii de ieşire când intrarea este nulă. La amplificatoarele de radio (tip „audio”), valoarea de gol înseamnă un „semnal” sau un „zgomot” la ieşire, chiar atunci, când semnalul de la intrare este zero. Din această cauză, valoarea de gol la aceste amplificatoare se mai numeşte şi zgomotul de fond sau perturbaţia amplificatorului.

Expresia analitică a caracteristicii statice a amplificatorului este:y = Kai + yo,

unde Ka reprezintă panta, iar yo – valoarea de funcţionare în gol a amplificatorului.

23

4.3.4. Exemple de amplificatoare utilizate în scheme de automatizare

Amplificatoare electrice de curent continuu folosite în sistemul unificat „E” (IEA) fabricat în ţară. Amplificarea directă a semnalelor de curent continuu este dificilă din punct de vedere tehnic, motiv pentru care sunt utilizate amplificatoarele de curent, continuu cu „modulare-amplificare-demodulare”, numite şi „cu eşantionare” sau „cu chopper”. În aparatura sistemului unificat „E” asimilat în fabricaţie indigenă sunt folosite două

asemenea tipuri de amplificatoare de curent continuu, care diferă între ele numai prin construcţia modulatorului: electronic sau magnetic.

Amplificatoare operaţionale. Acestea sunt amplificatoare de c.c., cu cuplaj direct, cu factor de amplificare mare, care amplifică semnale într-o bandă largă de frecvenţe. În figura 29 s-a reprezentat un astfel de amplificator operaţional, folosit ca detector simplu de prag de tensiune. Referinţa de tensiune se conectează la o intrare, iar semnalul variabil la cealaltă intrare, (fig. 29). Când semnalul devine mai mare decât U rej, ieşirea Ue îşi modifică starea, basculând pozitiv sau negativ în funcţie de modul de conectare ale intrărilor între o valoare maximă (UeM) şi una minimă (Uem).

Amplificatorul electronic de c.c. folosind modulator electronic (IEA tip H22), a cărei schemă principială este arătată în figura 30, cuprinde un modulator şi un demodulator, cu „funcţionări similare, având câte două tranzistoare (T1 şi T2, respectiv T3 şi T4 ) funcţionând în regim de comutaţie (complet blocat sau complet deschis ) şi comandate „sincron” de un oscilator de frecvenţă constantă (fo = 500 Hz).

Un amplificator de curent alternativ format de trei transistoare (T5, T6, T7) asigură funcţia de amplificare a mărimii de intrare.

Amplificatorul electronic de c.c. folosind modulator magnetic (IEA tip H11).Modulatorul magnetic cuprinde două miezuri magnetice trioidale dintr-un material

feromagnetic special (pemalloy) care, printr-o schemă adecvată, asigură la ieşire impulsuri dreptunghiulare de amplititudine constată, însă de durată proporţională cu tensiunea continuă U i

aplicată. Amplificatorul de curent alternativ, oscilatorul şi demodulatorul sunt identice cu cele

24

din cazul precedent, astfel că se asigură, ca şi în primul caz, o tensiune de ieşire U e continuă, amplificată în raport cu tensiunea Ui.

4.4. Regulatoare

Într-un sistem de regulare automată, dispozitivul de automatizare poartă numele de regulator automat şi este un bloc principal în cadrul SRA.

Regulatorul (RA) este acel element de automatizare la intrarea căruia se aplică o mărime numită eroare (sau abatere) ε şi la a cărui ieşire rezultă mărimea de comandă u, care determină acţionarea elementului de execuţie (EE).

Schema bloc a unui regulator, indiferent de construcţia acestuia, este dată în figura 31. Se constată că, din punct de vedere constructiv, un regulator automat include şi elementul de comparaţie. În consecinţă, rolul regulatorului automat este de a compara mărimea de intrare xi, proporţională cu valoarea prescrisă a mărimii de ieşire, cu mărimea de reacţie xr, proporţională cu valoarea reală a mărimii de ieşire şi de a elabora o mărime de comandă xc, depinzând de mărimea de acţionare xa (xa = xi - xr), în aşa încât să existe tendinţa de eliminare a abaterilor mărimii de ieşire de la valoarea prescrisă.

După modul de variaţie a mărimii de comandă, în funcţie de mărimea de acţionare x a, principalele categorii de regulatoare sunt:

- regulatoare bipoziţionale şi tripoziţionale;- regulatoare cu acţiune continuă;- regulatoare cu acţiuni prin impulsuri.

4.4.1.Regulatoarea bipoziţionale şi tripoziţionale

La regulatoarele bipoziţionale mărimea de comandă are două valori, notate convenţional prin 1 şi 0 („tot" sau „nimic"). De cele mai multe ori, regulatorul dă comanda prin intermediul unui releu, care poate fi acţionat sau eliberat.

În figura 32, este dată spre exemplificare, scheme unui regulator de temperatură(blocul încadrat cu linie întreruptă).

La regulator se conectează o termorezistenţă Rt, reprezentând traductorul sistemului de reglare, şi un reostat de referinţă Rr, reprezentând elementul de referinţă, prin care se impune valoarea prescrisă. Foarte frecvent, atât la regulatoarele de aceste tipuri, cât şi la alte regulatoare, elementul de referinţă nu este un dispozitiv separat, ci face parte din regulator. Compararea rezistenţelor Rr şi Rt este realizată de regulator prin intermediul unei punţi Wheatstone.

Tensiunea de dezechilibru u este amplificată şi trimisă la un etaj final basculant EF, având ca sarcină un releu R. Notând cu xi şi xr mărimile Rr respectiv Rt, caracteristica statică a

25

regulatorului bipoziţional este dată în Figura 33. Dacă mărimea de reacţie creşte, pornind de la o valoare mică şi depăşeşte cu cantitatea d/2 mărimea x i, etajul final EF basculează, iar releul R acţionează comutând contactele 1 R şi 2 R. Dacă se utilizează contactul normal deschis 1 R, mărimea de comandă trece de la stare a 0 la starea 1.

Dacă în continuare xr scade, atunci când coboară cu d/2 sub valoarea x i se produce bascularea în starea iniţială a etajului final EF. Releul R eliberează, contactul 1 R se deschide, deci mărimea de comandă revine prin salt in starea 0. Se obţine o caracteristică statică de tip „histerezis” a regulatorului bipoziţional. Mărimea d, reprezentând lăţimea ciclului histerezis, se numeşte diferenţial.

Dacă se utilizează contactul 2 R al releului, caracteristica statică a regulatorului este cea din figura 33,b. Frecvent se consideră în abscisă mărimea de acţionare xa, ceea ce corespunde translatării ordonatei la xr = xi (Fig. 33. c). Uneori, pentru mărirea posibilităţilor de utilizare a regulatoarelor bipoziţionale, diferenţialul d este ajustabil.Schema dată în figura 33, reprezintă un regulator electronic bipoziţional specific reglării temperaturii. În general, un regulator bipoziţional de uz general (dintr-un sistem unificat de automatizare) conţine un amplificator cu două intrări diferenţiale şi cu etaj final basculant, având ca sarcină un releu. Amplificatorul amplifică diferenţa semnalelor aplicate la intrare (x i şi xr) şi comandă acţionarea sau eliberarea releului.

Regulatoarele bipoziţionale pot avea o construcţie mult mai simplă de cât cea prezentată. Ele se pot obţine din diferite traductoare cu ieşire discontinuă, ca de exemplu: un termometru cu contact, un bimetal care acţionează un contact electric, un traductor cu bulb manometric care acţionează un contact electric. Ultima soluţie este exemplificată în figura 34, în care 1 este bulbul manometric, conectat prin capilarul 2 la traductorul de presiune cu burduf 3. Deplasarea tijei 4 depinde de presiunea ce apasă burduful (deci de temperatura bulbului) şi de tensiunea din resortul 5. Dispozitivul de tensionare a resortului, format din butonul 6, şurubul 7 şi piuliţa 8, reprezintă dispozitivul de referinţă, prin care se impune valoarea prescrisă a temperaturii. Deplasarea axului 4 produce comutarea contactului basculant 10, prin intermediul piuliţelor 9. Ajustarea diferenţialului regulatorului se realizează prin distanţarea piuliţelor 9 pe axul filetat 4. Valoarea temperaturii la care se produce bascularea contactelor depinde de tensionarea resortului 5, deci de cursa butonului de referinţă 6.

Pe capacul regulatorului se indică cursa butonului de referinţă, etalonată în grade, precum şi distanţa dintre piuliţele 9, care determină diferenţialul regulatorului.

Regulatoarele tripoziţionale electronice au o construcţie asemănătoare cu cea a regulatoarelor bipoziţionale, cu deosebirea că există două amplificatoare cu etaje finale basculante (fig. 35). Tensiunea ua dată de elementul de comparaţie EC se aplică unor circuite formând două regulatoare bipoziţionale cu caracteristicile date. Prin utilizarea contactelor releelor R1 şi R2 într-

26

o schemă comandă, se obţine o caracteristică statică din figura 36. Se constată că mărimea de comandă are 3 valori discrete: 0, 50% şi 100%.

4.4.2. Regulatoare cu acţiune continuă

La regulatoarele cu acţiune continuă, mărimea de comandă xc are o variaţie continuă între 0 şi 100%. Principalul criteriu de clasificare a regulatoarelor cu acţiune continuă este tipul relaţiei care leagă mărimea de comandă de mărimea de acţionare. Din acest punct de vedere, regulatoarele cele mai utilizate in practică sunt:

regulatoare proporţionale (P); regulatoare proporţional-integrale (PI); regulatoare proporţional-diferenţiale (PD); regulatoare proporţional-integral-diferenţială (PID).

Regulatorul proporţional (tip P) stabileşte următoarea lege de comandă:xc=kpxa

adică mărimea de comandă este proporţională cu mărimea de acţionare. Parametrul kp se numeşte coeficient de amplificare. De obicei, în locul parametrului kp se introduce parametrul:

numit bandă de proporţionalitate a regulatorului. Dacă se utilizează parametrul B în loc de kp, relaţia de comandă devine:

Pentru aprecierea proprietăţilor şi performanţelor elementelor de automatizare şi a sistemelor de reglare automată se utilizează foarte frecvent semnale de probă, care se aplică la intrarea elementelor sau sistemelor. Variaţia mărimii de ieşire, la aplicarea semnalului de probă la intrare, se numeşte răspuns al elementului sau şi sistemului respectiv, la aplicarea semnalului de probă dat. Răspunsul regulatorului Placa semnalul treaptă este dat în figura 37.

Dacă se aplică o treaptă unitară (variaţia de la 0 la 1), mărimea de comandă este în formă de treaptă, de amplitudine kp.

Regulatorul proporţional-integral (tip PI) realizează următoarea lege de comandă:

27

în care: kp este factorul de amplificare, iar Ti este constanta de timp de integrare. Se remarcă faptul că semnalul de comandă xc conţine două componente: o componentă proporţională cu mărimea de acţionare (xcp = kpxa) şi o componentă, xpl, proporţională cu integrala mărimii de acţionare.

Dacă mărimea xa are o variaţie în treaptă unitară, componenta xcp este de forma unei trepte de amplitudine kp, iar componenta xcl este:

Deoarece pentru t > 0, xa=1, rezultă:

deci componenta xcl are o variaţie liniară în timp. Mărimea de comandă xc este suma componentelor xcp şi xcl. În consecinţă, răspunsul regulatorului PI la semnal treaptă are forma din figura 38.d.

Regulatorul proporţional-diferenţial (tip PD) realizează legea de comandă :

în care kp este coeficientul de amplificare, iar Td este constanta de timp la derivare. Mărimea de comandă xc conţine două componente: o componentă proporţională, xcp, şi o componentă derivativă, xcD, proporţională cu derivata mărimii de acţionare:

Componenta xcD este egală cu zero atunci când xa = ct. Dacă xa are o variaţie sub formă de treaptă unitară, teoretic componenta xcD ar trebui să fie un impuls de amplitudine infinită şi de durată egală cu zero. În realitate, viteza de variaţie a semnalului de intrare nu este infinită, iar regulatorul nu realizează în mod ideal funcţia de derivare. În consecinţă, componenta xcD are forma unui

impuls de amplitudine finită şi de durată mai mare ca zero. Răspunsul la semnal treaptă al regulatorului PD se obţine prin însumarea componentelor xcp şi xcl, deci va avea forma din figura 39.d.

Regulatorul proporţional - integral -diferenţial (tip PID) realizează legea de comandă:

relaţia de mai sus se poate pune sub forma:

28

xc=xcp+xcl+xcD

în care componentele xcp, xcl şi xcD au fost deja definite. Dacă mărimea xa are o variaţie în treaptă unitară, variaţiile componentelor xcp, xcl şi xcD precum şi a mărimii de comandă xc, sunt date în figura 40.

Din punct de vedere constructiv, indiferent de tipul legii de comandă realizate, regulatoarele pot fi:

- regulatoare electronice;- regulatoare pneumatice;- regulatoare hidraulice.

4.5.Elemente de referinţă şi programare

Prin intermediul elementelor de referinţă şi de programare se stabileşte mărimea de intrare a sistemului, adică mărimea de referinţă, proporţională cu valoarea prescrisă a mărimii de ieşire - în cazul sistemelor de stabilizare — sau legea de variaţie a mărimii de intrare, în conformitate cu programul dorit de variaţie a mărimii reglate, - la sistemele de reglare cu program.

Elementele de referinţă în cazul echipamentelor electrice sau electronice de automatizare sunt formate, de obicei, dintr-un potenţiometru alimentat cu o tensiune constantă. Cursa potenţiometrului poate fi etalonată în unităţi ale mărimii reglate. Tensiunea culeasă între cursor şi un capăt al înfăşurării potenţiometrului, proporţională cu cursa butonului de referinţă, este transformată în semnal unificat, prin intermediul unui circuit electronic.

Elementele de referinţă din sistemele pneumatice sunt formate dintr-un buton cu şurub, pentru ajustarea distanţei obturator - ajutaj la un amplificator pneumatic. Cursa butonului de referinţă se poate etalona în unităţi ale mărimii reglate.

La sistemele de reglare simple, cum sunt cele cu acţiune directă, cât şi la unele regulatoare bipoziţionale, elementul de referinţă este format dintr-un buton cu şurub, prin care se tensionează un resort. Un exemplu de utilizare a unui element de referinţă cu această construcţie, în cadrul unui regulator bipoziţional de temperatură, a fost dat în figura 34.

În majoritatea sistemelor de reglare cu echipamente unificate şi specializate, elementul de referinţă este inclus în regulator (formează o unitate constructivă cu regulatorul). Elemente de referinţă realizate ca unităţi constructive distincte se întâlnesc în cadrul sistemelor unificate de automatizare.

Elementele de programare din sistemele unificate electrice şi electronice au în componenţă un potenţiometru la care cursorul se deplasează după o lege prestabilită. În figura 41 este prezentată schema de principiu a elementului de programare din cadrul unui sistem unificat.

Programul propriu-zis este realizat cu ajutorul unui conductor flexibil Cf, fixat pe tamburul T.

Modul de amplasare a conductorului flexibil pe tambur corespunde legii de variaţie a semnalului intrare xi. Conductorul flexibil lipit pe tambur îndeplineşte funcţia de cursor al potenţiometrului P. Tamburul se roteşte cu viteză constantă, fiind acţionat de un micromotor sincron M, prin intermediul unui reductor de turaţie Rd. Tensiunea u culeasă între conductorul flexibil (care face contact cu tija metalică M) şi

29

borna b a potenţiometrului se va modifica după un program impus prin modul de amplasare a firului flexibil pe tambur. Apoi tensiunea u este transformată de un circuit electronic în semnal unificat (intensitatea curentului electric variind între 2 şi 10 mA).

Elementele de programare pneumatice sunt realizate cu ajutorul unei came profilate, prin care se modifică, după o lege dată, distanţa obturator – ajutaj de la un amplificator pneumatic.

4.6. Elemente de execuţieRolul elementelor de execuţie este de a amplifica în putere comanda primită de la

regulator, acţionând nemijlocit asupra instalaţiei automatizate, prin intermediul mărimii de execuţie xm. Ele se aleg în aşa fel, încât să dezvolte o putere la ieşire suficient de mare pentru a se asigura manipularea organelor de reglare conform cu comanda primită la intrare.

După natura dispozitivului care realizează forţa sau cuplul pentru deplasarea organului de reglare, deosebim:

- elemente de execuţie electrice;- elemente de execuţie pneumatice;- elemente de execuţie hidraulice.Elementele de execuţie se pot realiza în două moduri:- elemente de execuţie în circuit deschis, reprezentând dispozitive de acţionare a

organului de reglare, fără controlul poziţiei acestuia;- elemente de execuţie în circuit închis, reprezentând servomecanisme. În conformitate cu

semnalul de comanda xc primit, un servomecanism poziţionează organul de reglare, controlând în permanenţă dacă poziţia acestuia corespunde comenzii xc.

O largă clasificare este cea din tabelul de mai jos.

4.6.1. Elemente de execuţie hidraulice

Rolul organelor de reglare este de a modifica secţiunea de trecere a unui fluid printr-o conductă. Cele mai răspândite organe de reglare sunt: robinetele şi clapetele.

Robinetele de reglare sunt cele mai răspândite organe de reglare. În figura 42 este dată schema unui robinet de reglare foarte simplu. Debitul fluidului se ajustează prin modificarea secţiunii de trecere dintre ventilul 1 şi scaunul robinetului 2. Tija 3 a ventilului iese din corpul 4

30

al organului de reglare, prin presgarnitura 5.Ventilul de reglare se deplasează cu ajutorul pârghiei 6, la care se cuplează elementul de execuţie. Diametral interior D, al secţiunii, în punctul de racordare a corpului robinetului cu conducta, este standardizat şi se numeşte diametru convenţional de trecere al robinetului. De obicei, el se alege egal cu diametrul interior al conductei pe care se montează robinetul.

Robinetele de reglare de tipul celui din figura 42 au dezavantajul că datorită căderii de presiune pe ventil apare o forţă axială, care reprezintă un efect nedorit al instalaţiei automatizate asupra elementului de execuţie. Pentru diminuarea acestui efect se utilizează robinete de reglare cu două scaune si două ventile. Forţele ce se exercită asupra celor două ventile sunt de sens contrar, astfel încât rezultanta lor are influenţă neglijabilăasupra elementului de execuţie.

Clapetele de reglare se utilizează pentru modificarea debitelor de gaze şi aer, la presiuni statice mici. Clapetele se pot realiza în mai multe variante constructive: clapete circulare (fig.43.a.), clapete dreptunghiulare (fig.43.b.), clapete de tip jaluzele (fig. 43.c.).

4.6.2. Elemente de execuţie electrice

Cele mai simple elemente de execuţie electrice sunt electroventilele. Ele sunt elemente de execuţie bipoziţionale, adică pot menţine organul de reglare numai în două poziţii: închis sau deschis.

Un electroventil este format dintr-un electromagnet cu o armătură mobilă, legată de ventilul organului de reglare. Atunci când trece curent prin electromagnet, armătura mobilă este atrasă de miez şi ventilul se deplasează, deschizând sau închizând organul de reglare după cum acesta este în poziţie normală închis, respectiv deschis. Când se întrerupe curentul prin bobina electromagnetului, un resort readuce armătura, deci şi ventilul, în poziţia iniţială.

În figura 44 este prezentat un tip de electroventil utilizat frecvent în instalaţiile frigorifice şi de condiţionare a aerului. În poziţie normală resortul 1 ţine apăsat ventilul 2 pe scaunul 3. Ventilul este realizat dintr-un disc montat în partea inferioară a piesei 4 din material feromagnetic. Atunci când bobina 5 a electroventilului este parcursă de curent, piesa 4 este atrasă spre zona centrală a bobinei, deci ventilul se depărtează de scaun. Când se întrerupe curentul prin bobină, resortul 1 readuce piesa 4 şi ventilul 2 în poziţia normală. În cazul

31

robinetelor foarte mari sau al clapetelor, când cursa elementului de obturare (ventil. clapetă) este mare, cât şi în cazul poziţionării continui a organului de reglare, se utilizează elemente de execuţie cu motor electric. Cele mai răspândite motoare electrice în elementele de execuţie sunt motoarele bifazate de mică putere. Motorul electric este cuplat cu un reductor de turaţie, prin care se acţionează organul de reglare. El are montate pe arborele de ieşire ale ansamblului motor-reductor două limitatoare de cursă. Acestea sunt reglate să acţioneze în poziţiile „complet închis" şi „complet deschis" ale organului de reglare.

În figura 45 este prezentată schema unui element de execuţie bipoziţional, cu acţionarea organului de reglare prin intermediul unui motor electric bifazat. Motorul M acţionează prin intermediul reductorului Red., clapeta C. Când motorul nu funcţionează, organul de reglare este complet închis sau complet deschis, deci unul din limitatoarele de cursa LC1 sau LC2 este acţionat (adică, are contactul deschis). Comanda închiderii şi deschiderii organului de reglare se dă prin contactele Cl, respectiv C2, aceste contacte pot fi contacte de butoane sau contacte ale unor relee de comandă. Presupunem că anterior s-a acţionat contactul Cl şi s-a produs închiderea completă a organului de reglare, acţionându-se limitatorul LC1. În această situaţie, releele Rl şi R2 sunt eliberate, deci contactele lor sunt în poziţie normală, contactul LC1 este deschis, iar LC2 este închis. Dacă se acţionează din nou contactul Cl. nu se produce schimbarea stării elementului de execuţie, deoarece contactul LC1 este deschis. Dacă se acţionează contactul C2, releul R2 cuplează şi contactele sale comută. Contactul 1R2 porneşte motorul M în sensul deschiderii organului de reglare, contactul 2R2 blochează releul Rl, iar contactul 3R2 este de autoreţinere. Motorul funcţionează până când organul de reglare ajunge în poziţia „complet deschis". În această poziţie contactul limitatorului de cursă LC2 se deschide, releul R2 eliberează şi motorul M se opreşte. În noua situaţie LC1 este închis şi LC2 este deschis, deci elementul de execuţie va reacţiona numai la o comandă de închidere a contactului C1.

Elementele de execuţie pentru poziţionarea continuă a organului de reglare pot fi:- în circuit deschis;- în circuit închis (servomecanisme).

Schema unui element de execuţie cu poziţionare continuă a organului de reglare, în circuit deschis, se obţine din schema dată în figura 45. prin suprimarea contactelor

32

de automenţinere 3R1 şi 3R2. În acest caz, motorul M funcţionează, într-un sens sau altul, cât timp este menţinut închis contactul C1 sau contactul C2. Acţionarea simultană a releelor R1 şi R2 nu este posibilă datorită contactelor de interblocare 2R1 şi 2 R2.

În schemele de reglare automată cu elemente de execuţie electrice, cu poziţionare continuă a organului de reglare, cel mai frecvent se utilizează servomecanismele. În figura 46 este dată schema de principiu a unui servomecanism cu motor bifazat. Motorul bifazat M acţionează organul de reglare prin intermediul reductorului de turaţie R ed, deplasând în acelaşi timp şi cursorul potenţiometrului P. Tensiunea ur dată de potenţiometru este proporţională cu cursa organului de reglare. Tensiunea de comandă uc, transmisă de regulator, împreună cu tensiunea de reacţie ur se aplică la cele două intrări ale amplificatorului diferenţial A. Se ştie că un amplificator diferenţial amplifică diferenţa tensiunilor aplicate la cele două intrări. Tensiunile de ieşire ue1 şi ue2 sunt egale cu zero atunci când uc= ur. Dacă uc ≠ ur, ele variază în antifază: dacă ue1 > 0, atunci ue2 < 0 şi invers.

Presupunem că iniţial uc= ur. În această situaţie ue1 = ue2 = 0, releele Rl şi R2 nu sunt acţionate şi motorul nu este alimentat. Dacă tensiunea de comandă creşte, uc > ur şi rezultă ue1 > 0, ue2 < 0. Tensiunea ue1 se transmite prin dioda D1, care este polarizată direct şi acţionează releul Rl. Tensiunea ue2 polarizează în sens de blocare dioda D2 şi nu se poate transmite la bobina releului R2. Contactul 1R1 se închide şi motorul M începe să funcţioneze, rotind, o dată cu organul de reglare, cursorul potenţiometrului P în sens antiorar. Tensiunea ur începe să crească. Atunci când ea egalează tensiunea ue se obţine din nou ue1 = ue2 = 0, deci releul Rl eliberează, schema revenind în regim staţionar. Dacă tensiunea uc scade,uc ur şi rezultă ue1 0, ue2 0. Tensiunea ue2 se transmite prin dioda D2, acţionând releul R2, pe când tensiunea ue1

polarizează în sens de blocare dioda D1. Contactul 1R2 se închide şi motorul se roteşte în sens invers. Tensiunea ur scade până devine egală cu uc, când schema intră din nou în regim staţionar.

Deci, se constată că un servomecanism realizează o poziţionare a cursei organului de reglare, deplasarea obţinută la ieşire fiind proporţională cu tensiunea de comandă aplicată la intrare.

4.6.3. Elemente de execuţie pneumatice

Elementele de execuţie pneumatice sunt larg utilizate în industrie datorită unor avantaje pe care le prezintă, cum sunt; gabarit mic, simplitate în construcţie, siguranţă în funcţionare etc.

Cele mai răspândite elemente de execuţie pneumatice sunt cu membrană şi resort (fig. 47). Presiunea de comandă pc

se transmite deasupra membranei 1, deplasând tija 2. La capătul acestei tije se cuplează organul de reglare. Forţa exercitată de aerul comprimat cu presiunea pc este compensată de forţa dezvoltată de resortul 3. Datorită frecărilor uscate, cât şi datorită imperfecţiunii elementelor elastice, precizia de poziţionare a organului de reglare, cu elementul de execuţie prezentat, nu este mare. Pentru mărimea preciziei de poziţionare se utilizează elemente de execuţie în circuit închis. numite servomecanisme pneumatice sau elemente de execuţie cu mecanism de poziţionare.

33

5. REGLAREA AUTOMATĂ A PRINCIPALELOR MĂRIMI FIZICE DIN PROCESELE TEHNOLOGICE

În acest capitol se vor prezenta câteva scheme bloc ale sistemelor de reglare pentru principalele mărimi fizice ale proceselor tehnologice. Scopul urmărit este de a prezenta principiul reglării automate a acestor mărimi. Din acest motiv, în schemele bloc sunt reprezentate distinct elementele funcţionale ale sistemelor de reglare, cu toate că realizarea sistemelor se poate face atât cu echipamente unificate, cât şi cu echipamente specializate, sau uneori chiar prin sisteme de reglare cu acţiune directă, în care toate elementele de automatizare ale schemei bloc formează o unitate constructivă.

5.1. Structura standard a unui sistem de reglare automatăTehnica reglării automate este o componentă fundamentală a automatizării proceselor

tehnologice şi are ca scop realizarea reglării, cu eliminarea intervenţiei directe a operatorului uman.

Esenţa sarcinii reglării este de a aduce anumite mărimi din procesul tehnologic – temperaturi, presiuni, turaţii etc. la valori prescrise şi de a le menţine la aceste valori, prin eliminarea sau atenuarea efectului perturbaţiilor.

Cu notaţiile din figura 48, reglarea reprezintă, pe scurt, modalitatea prin care mărimea reglată Xe este produsă şi menţinută la o valoare prescrisă, pe baza valorilor măsurii Xr. Aparatele prin intermediul cărora se efectuează aceste măsurători se numesc traductoare (Tr.). Pentru a se realiza reglarea, este nevoie de mărimea de execuţie Xm, care să poată influenţa, în sensul dorit, mărimea reglată Xe. Echipamentul de automatizare care poate produce mărimea. de execuţie Xe se numeşte element de execuţie (EE).

Mărimea de execuţie Xm evoluează sub acţiunea mărimii de comandă Xc. În sistemele de reglare automată (SRA), sarcina furnizării semnalului de comandă revine regulatorului automat (R).

R prelucrează semnalul eroare, Xa, care se obţine prin diferenţa dintre mărimea de referinţă Xi şi mărimea de reacţie Xr (mărimea ce reflecta valoarea reală a mărimii reglate). Funcţionarea regulatorului pe baza erorii impune structura de sistem cu reacţie negativă (sau feed-back) a SRA: măsura Xr a mărimii reglată este captată, inversată şi adusă la intrare, unde, prin intermediul erorii, influenţează mărimea de comandă Xc, devenind din efect cauză. SRA se mai numeşte şi buclă de reglare sau circuit de reglare.

Blocurile componente ale unui SRA sunt: regulatorul automat (R), elementul de execuţie (EE), procesul tehnologic (instalaţia automatizată „IA”), traductorul (Tr.) şi generatorul de referinţă.

Semnalele vehiculate în SRA sunt:

34

Xi referinţa (mărimea de referinţă): semnalul la a cărui valoare trebuie să ajungă măsura Xr a mărimii reglate Xe;este intrarea în SRA (semnal exogen), produs de generatorul de referinţă.

Xr măsura: semnalul de ieşire al traductorului (în figura 49 este şi ieşirea SRA); valoarea sa reflectă în permanenţă valoarea curentă a mărimii reglate Xe.

Xe mărimea reglată: mărimea din proces a cărei valoare trebuie adusă şi menţinută la o valoare prezisă Xen; pe baza valorii Xen se calibrează semnalul de referinţă Xi.

Xa = Xi- Xr eroarea de reglare : semnalul sintetizat la ieşirea comparatorului, reprezentând diferenţa dintre Xi şi Xr; acţionează la intrarea R.

Xc comanda (mărimea de comandă): semnalul (în general de joasă energie) produs de RA pe baza erorii Xa, în scopul aducerii şi menţinerii mărimii Xe la valoarea prescrisă Xen; prin natura şi nivelul său energetic nu poate acţiona direct asupra procesului. ci doar prin intermediul EE, care o amplifică şi, eventual, îi schimbă natura fizică conform cu natura procesului, generând mărimea de execuţie Xm.

Xm, mărimea de execuţie: semnalul produs la ieşirea EE; prin nivelul său energetic şi natura sa fizică poate acţiona direct asupra procesului, influenţând mărimea reglată Xe.

Xp perturbaţia (mărimea perturbatoare): mărime, în general nemăsurabilă, reprezentând acţiunea nedorită a mediului extern asupra procesului (semnal exogen); efectul perturbaţiei se manifestă prin tendinţa mărimii reglate Xe de a părăsi valoarea prescrisă Xen.

Mărimile Xi, Xa, Xr, Xc, Xm, Xp, Xc au naturi fizice, în general, diferite (de exemplu, unele sunt mărimi electrice, altele pneumatice etc.), dar toate pot fi considerate, în sensul acţiunii şi al informaţie vehiculate, ca semnale; formal, ele pot fi modelate (determinist) ca funcţii reale de variabila timp.

Agentul energetic, fără de care nici o instalaţie nu poate funcţiona, nu este semnal şi este preluat de proces prin EE. O condiţie prealabilă, esenţială, a introducerii reglării automate este aceea ca procesul să fie alimentat, corespunzător, de la o sursă de energie. Orice SRA trebuie să aibă, obligatoriu, două proprietăţi:

(A) stabilitatea (internă asimptotică a buclei de reglare şi(B) reglarea, reprezentând proprietatea conform căreia eroarea Xa scade asimptotic la 0,

adică:

Xa (t=0), oricare ar fi .XpCi,unde Ci şi CXp sunt clase de semnale specificate prin tema de

proiectoare.Condiţia (B) înseamnă, intuitiv, că mărimea reglată Xe respectă cât mai fidel programul

impus de referinţa Xi, limita din condiţia (B) se poate relaxa sub forma Xa(t)Xd, unde Xd

este o valoare de prag aleasă de proiectant.Stabilitatea este o proprietate internă a buclei de reglare (adică nu depinde de semnale

din exterior) şi caracterizează comportarea SRA, când acesta părăseşte un regim staţionar. În sens intuitiv, regimul staţionar al unui sistem dinamic se caracterizează prin valori constante ale variabilelor de stare. Variabilele de stare ale SRA reunesc variabilele de stare ale părţii fixate şi ale R; evoluţia ei modelează fenomenele de acumulare (dezacumulare) din sistem şi se reflectă

35

în evoluţia erorii de reglare: în regim staţionar, Xa = 0 sau Xa diferite 0 şi Xa constantă, iar în regim dinamic Xa variază. Un SRA stabil are proprietatea de a atinge, sub acţiunea mărimii de referinţă Xi (de exemplu, la pornirea automată a instalaţiei), o vecinătate admisibilă a regimului staţionar dorit (fig.40, curbele (1)şi (2)). În plus, doar un SRA stabil se poate menţine la regimul staţionar dorit (sau într-o vecinătate admisibilă a acestuia), chiar în prezenţa perturbaţiilor, din clasa CXp. Acest al doilea aspect implică, de fapt, îndeplinirea condiţiei (B).

În concluzie, un SRA instabil este inutilizabil. Îndeplinirea condiţiei (B) nu se poate realiza decât dacă SRA satisface şi condiţia (A).

După modul cum variază referinţa, reglarea este de două tipuri:- reglare cu referinţă constantă: valoarea semnalului Xi rămâne constantă în timpul

procesului de reglare şi valoarea sa este, în acest caz, o valoare prescrisă r (în engleză set point) (fig. 50.). Prin tema de proiectare se cere ca mărimea reglată Xe să se menţină, chiar in prezenţa perturbaţiilor, într-o vecinătate admisibilă a valorii dorite Xn (când atinge valoarea Xn, măsura Xr

atinge valoarea r). Este cel mai răspândit tip de reglare automată.- urmărire: valoarea semnalului de referinţă se modifică, după o funcţie de timp dată. Se

cere ca mărimea reglată Xe să urmărească cât mai fidel referinţa specificată, chiar în prezenţa perturbaţiilor. Exemplu: radarul.

În rezolvarea unei teme de proiectare a unui SRA se parcurg următoarele etape preliminare: 1) specificarea obiectivelor principale ale introducerii reglării şi prima justificare tehnico-economică a acestora; 2) specificarea mărimilor ce trebuie reglate în proces, a valorilor dorite ale acestora şi alegerea traductoarelor adecvate măsurării lor; 3) alegerea mărimilor de execuţie, a elementelor de execuţie şi a principalelor caracteristici ale comenzii, astfel încât să se realizeze obiectivele propuse; 4) estimarea tipului de perturbaţii care pot acţiona asupra procesului.

5.2. Reglarea automată a presiuniiReglarea automată a presiunii se poate realiza în mai multe moduri, in funcţie de

specificul instalaţiei tehnologice.Reglarea presiunii în recipiente cu circulaţia se poate face prin schemele date in figura

41 şi 42. În aceste scheme, cât şi în cele ce urmează, Tr este traductorul, Rf - elementul de referinţă (în cazul sistemelor de stabilizare), R - regulatorul, iar EE - elementul de execuţie. În prima schemă, organul de reglare este montat pe conducta de intrare, iar în a doua schemă - pe conducta de evacuare. Cele mai utilizate scheme de reglare sunt cu acţiune continuă, cu regulator PI,şi sisteme de reglare bipoziţionale sau cu acţiune directă (în instalaţii la care nu se cer indicatori de performanţă ridicaţi).

36

Reglarea presiunii gazelor în conducte se realizează cu scheme de tip aval (fig43) sau de tip amonte (fig.44).

În aceste aplicaţii se utilizează foarte frecvent regulatoarele cu acţiune directă. În figura 45 şi figura 46 se prezintă două soluţii des utilizate pentru reglarea presiunii de aspiraţie a compresoarelor din instalaţiile frigorifice.

În schema din figura 45, presiunea de aspiraţie a compresorului 1 se reglează bipoziţional, prin cuplarea şi decuplarea motorului de antrenare 2. Dacă presiunea de aspiraţie scade sub valoarea de basculare în starea "0" a regulatorului bipoziţional, se comandă oprirea motorului. Dacă presiunea creşte peste valoarea de basculare în starea "1" a regulatorului bipoziţional, se comandă pornirea motorului. În schema din figura 46 reglarea presiunii de aspiraţie se face prin recircularea unei parţi din gazul comprimat. Dacă presiunea tinde să scadă sub valoarea permisă, se comandă deschiderea organului de reglare şi invers. În aceste aplicaţii se utilizează frecvent regulatoare cu acţiune directă sau regulatoare specializate cu acţiune indirectă. Presupunem că în desfăşurarea proceselor fizice, chimice şi microbiologice din reactor, presiunea p se modifică în funcţie de aportul de căldură din exterior. În aceste condiţii. într-un ciclu de funcţionare a reactorului 1 presiunea se poate modifica prin ajustarea debitului de agent termic prin mantaua 2 a reactorului.

37

5.3. Reglarea automată a debituluiSchemele de reglare automată a debitului fluidelor în conducte se aleg în funcţie de

modul de alimentare a conductelor.

Atunci când se utilizează pompe centrifuge sau când alimentarea conductelor se face prin cădere liberă sau de la un recipient sub presiune, schema utilizată este cea din figura 47.

Se remarcă faptul că organul de reglare este montat chiar pe conducta în care se reglează debitul. Organul de reglare este astfel comandat de regulator, prin intermediul elementului de execuţie, încât prin ajustarea rezistenţei hidraulice pe care o introduce în circuitul fluidului, debitul prin conductă să se păstreze la o valoare prescrisă. Cele mai utilizate sisteme de reglare automată de acest fel sunt sistemele cu acţiune continuă, cu regulator PI.

Dacă alimentarea conductei se face de la o pompă cu debit constant, utilizarea unui organ de reglare pe conductă, nu permite ajustarea debitului, în scopul obţinerii unei valori dorite a acestuia. În acest caz, ajustarea la valoarea prescrisă a debitului în conducta se poate face prin recircularea unei parţi in fluidul de la ieşirea pompei. Schema bloc a sistemului de reglare automată este dată în figura 48. Dacă traductorul sesizează o creştere a debitului faţă de valoarea prescrisă, regulatorul E comandă mărirea debitului recirculat, astfel încât debitul prin conducta pe care este montat traductorul să revină la valoarea impusă.

5.4. Reglarea automată a niveluluiSchemele cele mai utilizate pentru reglarea automată a nivelului sunt date in figura 49 şi

50. Dacă acţiunea perturbatoare este variaţia debitului de ieşire, organul de reglare se montează pe conducta de intrare. Dacă acţiunea perturbatoare este variaţia debitului de intrare, organul de reglare se montează pe conducta de ieşire. Cele mai utilizate sisteme de

38

reglare sunt cele cu acţiune continuă (regulator de tip PI sau P), precum şi sistemele de reglare bipoziţionale.

La recipientele sub presiune, variaţia nivelului se poate produce datorită variaţiilor bruşte ale presiunii. În aceste situaţii este recomandabilă utilizarea schemei de reglare automată din figura 51.

În această schemă există o buclă de reglare a debitului de evacuare, formată din traductorul de debit Tr2, regulatorul R2 şi elementul de execuţie EE. Mărimea de intrare pentru regulatorul R2 este dată de regulatorul de nivel R1, pe baza informaţiilor primite de la traductorul de nivel Tr1 şi de la elementul de referinţă Rf. Dacă presiunea p creşte brusc, debitul de evacuare tinde să crească. În consecinţă, regulatorul de debit reacţionează imediat, dând comanda de micşorare a debitului de evacuare, înainte ca nivelul

să varieze în mod substanţial. Dacă perturbaţia constă într-o creştere a debitului de intrare, regulatorul de nivel R1 impune o mărime de intrare mai mare la regulatorul de debit R2. În acest fel, bucla de reglare a debitului realizează creşterea impusă a debitului de evacuare, astfel încât nivelul să se stabilească la valoarea prescrisă.

Un asemenea sistem de reglare automată, în care o buclă principală subordonează o buclă de reglare interioară, se numeşte sistem de reglare în cascadă.

5.5. Reglarea automată a temperaturiiÎn cele mai simple instalaţii termice, schema bloc a unui sistem de reglare a temperaturii

este cea din figura 52.Temperatura t din incinta 1 este realizată

prin intermediul serpentinei 2, parcursă de agent termic (atunci când t > t0, unde t0 este temperatura mediului ambiant) sau de agent de răcire (atunci când t < t0). Dacă temperatura t are tendinţa să crească, regulatorul R comandă micşorarea secţiunii de trecere a organului de reglare - în cazul instalaţiilor de încălzire - sau mărirea secţiunii de trecere - în cazul instalaţiilor frigorifice.

Sistemele de reglare a temperaturii din instalaţiile frigorifice sunt realizate, în majoritatea cazurilor, prin intermediul echipamentelor specializate cu acţiune continuă sau cu regulator bipoziţional.

În instalaţiile termice la care timpul mort este mare este necesară utilizarea sistemelor de reglare cu regulator PID sau PI. În unele situaţii, când timpul mort este foarte mare (Tm > T), se impune utilizarea unor regulatoare speciale (cu acţiune prin impulsuri). Pentru obţinerea unor performanţe superioare la reglarea automată a temperaturii se poate adopta un sistem de reglare în cascadă (fig. 53).

Bucla de reglare automată a temperaturii, conţinând traductorul de temperatură Tr1 şi regulatorul R1, include

39

o buclă de reglare a debitului, formată din traductorul de debit T r2, regulatorul R2 şi elementul de execuţie EE. Dacă temperatura t tinde să scadă faţă de valoarea prescrisă, regulatorul de temperatură R1 impune o valoare prescrisă, mai mare la regulatorul de debit R2. Bucla de reglare interioară stabileşte debitul la noua valoare prescrisă, astfel încât temperatura t creşte, revenind la valoarea impusă. Sistemul de reglare în cascadă reacţionează foarte eficace la o perturbaţie de tipul unei variaţii a presiunii agentului termic la intrare. Dacă presiunea creşte brusc, creşte şi debitul agentului termic, existând tendinţa ca temperatura t să crească. Creşterea debitului este sesizată de traductorul Tr2 şi, în consecinţă, regulatorul R2 acţionează imediat, dând comanda de micşorare a secţiunii de trecere a organului de reglare. Debitul este adus la valoarea impusă înainte ca temperatura din incintă să aibă variaţii importante.

5.6. Reglarea automată a pH-ului

Schema bloc a unui sistem de reglare a pH-ului este dată în figura 54. Prin conducta A este adus, într-un vas de amestec, lichidul al cărui pH trebuie reglat. Prin conducta B circulă soluţia de neutralizare, care, amestecată în vas cu lichidul adus prin conducta A, trebuie să conducă la obţinerea unui pH dorit al lichidului din conducta de evacuare C. Deci, ajustarea pH-ului, în vederea obţinerii valorii prescrise, se realizează prin modificarea debitului soluţiei de neutralizare. Menţionăm că dacă soluţia din conducta A are caracter acid, soluţia de neutralizare trebuie să fie bazică şi invers. Reglarea automată a pH-ului nu este o problemă simplă, datorită unor dificultăţi specifice. Dintre acestea, cele mai importante vor fi menţionate în continuare.

1. Uneori, variaţiile pH-ului pot fi atât în domeniul acid, cât şi în domeniul bazic. În aceste situaţii trebuie utilizate două tipuri de soluţii de neutralizare, ceea ce complică realizarea instalaţiei automate.

2. Presupunând că iniţial soluţia al cărui pH se reglează are caracter acid, variaţia pH-ului soluţiei din conducta C, în funcţie de debitul Qn al agentului bazic de neutralizare.

Se constată că instalaţia automatizată are o caracteristică statică profund neliniară, ceea ce reprezintă o dificultate importantă pentru obţinerea unei precizii ridicate a sistemului de reglare.

3. Instalaţia automatizată prezintă timp mort important, datorită fenomenelor de transport şi datorită reacţiei de neutralizare.

Sistemele de reglare utilizate au, de obicei, regulatoare de tip PID, PI sau regulatoare speciale (cu acţiune prin impulsuri). Ţinând cont de dificultăţile arătate, atunci când pH-ul are variaţii în limite largi se utilizează scheme de reglare în două sau mai multe sau scheme de reglare în cascadă.

5.7. Structuri de sisteme de reglare automată

5.7.1. Reglarea temperaturii apei, cu compensarea perturbaţiei

Reglarea standard a temperaturii apei la ieşirea dintr-un cazan cu abur nu dă rezultatele dorite, datorită fluctuaţiilor

40

debitului q de apă rece. În figura 55 este prezentată o structură SRA, care are o comportare ameliorată cu perturbaţia .

Variaţiile debitului q de apă rece reprezintă principala perturbaţie a temperaturii apei calde. Măsura debitului q este conectată, prin elementul de compresare Hv la ieşirea regulatorului de temperatură.

5.7.2. Reglarea umidităţii hârtiei, cu compensarea unei mărimi auxiliare

În industria hârtiei banda de hârtie umedă este trecută, în uscător, printre valţuri încălzite cu abur. Urmăriţi o structură SRA ce asigură reglarea umidităţii hârtiei măsurate la ieşirea din uscător.

Pentru reglarea umidităţii,se foloseşte o structură SRA1 cu referinţă constantă şi compresarea temperaturi în incinta uscătorului (fig. 56).bucla principală de reglare are o dinamică lentă. Pentru a corecta această proprietate, la ieşirea regulatorului de umiditate se conectează, prin elementul de compensare Hv , măsura temperaturii , captată deasupra valului de intrare. Sub acţiunea umidităţii hârtiei, temperatura se modifică, la intrarea în uscător, în

acelaşi sens cu umiditatea măsurată la ieşire, dar mult mai rapid decât aceasta. Dacă banda de hârtie are o umiditate prea mare, atunci din incinta uscătorului se absoarbe o cantitate de căldură, temperatura în incintă scade şi debitul de abur este imediat crescut, prin comanda de la regulator.

5.7.3. Reglarea în cascadă a valorii pH-ului unui lichid, cu compensarea a două mărimi intermediare

Apa reziduală, cu impurităţi minerale, se epurează prin adăugarea unor compuşi chimici. Soluţia conţinând aceşti compuşi pentru tratarea apei se pune într-un rezervor, de unde,prin intermediul unei pompe dozatoare, se extrage într-o cantitate proporţională cu debitul q al apei reziduale. Iată o structură de SRA a valorii pH-ului apei tratate.

Mărimea reglată principală este pH-ul apei tratate; regulatorul pH este plasat în bucla extremă a structurii în cascadă. Peste ieşirea acestui regulator se suprapune, printr-un sumator de semnale, măsura debitului q al apei netratate constituindu-se, astfel, referinţa pentru bucla internă. Bucla internă este mai rapidă şi asigură compensarea variaţiilor de debit. Un astfel de sistem este prezentat în figura 57.

41

5.7.4. Reglarea în cascadă a temperaturii într-un reactor chimic

În figura 58 este redată structura unui Sistem pentru reglarea automată a temperaturii θ1 din interiorul unui reactor chimic, considerând ca mărime intermediară temperatura θ2 a mediului din jurul reactorului. Referinţa regulatorului principal RA1, notată prin θ01, este fixată din exterior, iar referinţa regulatorului din buclă internă, RA2 este ieşirea regulatorului RA1, notată cu θ02. Regulatorul RA2 acţionează, prin intermediul elementului de execuţie EE, asupra debitului de abur introdus în cămaşa reactorului.

Modificarea debitului de alimentare a reactorului sau temperatura fluidului de alimentare reprezintă perturbaţii, modelate prin semnalul v1 ce acţionează direct asupra mărimii principale θ1, iar modificarea caracteristicilor aburului reprezintă perturbaţia v2, ce acţionează, în bucla internă, asupra mărimii intermediare θ2. Bucla internă asigură compensarea rapidă a perturbaţiilor v2 şi conţine constantele de timp ale procesului, în timp ce bucla principală este mai lentă.

5.7.5. Reglarea automată a cursului unei nave maritime (un sistem de urmărire)

Urmează o structură de sistem de reglare automată a cursului unei nave maritime, supusă acţiunii perturbatoare a valurilor şi a variaţiilor direcţiei vântului.

Schema bloc a sistemului de reglare automată a cursului este redată în figura 59. Compasul are rolul de traductor (Tr.), iar motorul de antrenare a cârmei este elementul de execuţie (EE). Regulatorul este pilotul automat, care primeşte la intrare semnalul de eroare, reprezentând abaterea dintre cursul dorit şi măsura y a cursului instantaneu al navei. Semnalul de ieşire al regulatorului comandă motorul de antrenare a cârmei, în sensul compensării acţiunii perturbaţilor şi aducerii cursului instantaneu la direcţia dorită; mărimea de execuţie este unghiul α dintre axul cârmei şi axul longitudinal al navei. În absenţa perturbaţilor, eroarea de reglare şi unghiul α sunt nule. Referinţa SRA poate să varieze (SRA este un sistem de urmărire).

42

BIBLIOGRAFIE

1. SAAL C. – ACŢIONĂRI ELECTRICE ŞI AUTOMATIZĂRI –

EDITURA DIDACTICĂ ŞI PEDAGOGICĂ, BUCUREŞTI – 1980 ;

2. NĂSTASE B. – MAŞINI APARATE, ACŢIONĂRI ŞI

AUTOMATIZĂRI – EDITURA DIDACTICĂ ŞI PEDAGOGICĂ, R.A.,

- BUCUREŞTI – 1997;

3. FLORIN M. - ELEMENTE DE COMANDĂ SI CONTROL PENTRU

ACŢIONĂRI ŞI SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ – EDITURA

ECONOMICĂ PREUNIVERSITARĂ, BUCUREŞTI – 2002.

43