Elementele buclei de reglare

Sistemele de reglare automată sunt parte integrantă a vieţii secolului curent. Automatica permite proiectarea şi funcţionarea la nivel ridicat de profitabilitate, calitate, siguranţă a majorităţii aplicaţiilor moderne (de la aeronautică, la aparatura electronică de larg consum). Implementarea sistemelor de reglare automată a adus o serie de beneficii, printre care se numără îmbunătăţirea calităţii produselor, minimizarea deşeurilor, protecţia mediului, precum şi eficientizarea şi creşterea producţiei şi îmbunătăţirea marjelor de siguranţă.

Proiectarea unui sistem reglare automată necesită un efort ciclic, în care se iterează următoarele etape: modelare, proiectare, simulare, testare şi implementare. Aceste etape pot fi sintetizate prin:

1. alcătuirea caietului de sarcinia. definirea obiectivelor, de exemplu reducerea consumului energetic, creşterea volumului de producţie etc.b. definirea constrângerilor

2. analiza de procesa. identificarea mărimilor de proces, a mărimilor măsurabile şi a mărimilor controlateb. identificarea conexiunilor cu mediul / perturbaţiic. analizarea regimurilor de funcţionared. surse de energiee. mărimi de calitate, indicatori de performanţă

3. alegerea, dimensionarea şi poziţionarea optimă a elementelor de câmp: senzori şi traductoare, elemente de execuţie4. alegerea structurii de reglare automată5. proiectarea algoritmilor de control6. testarea şi validarea soluţiei în mediu simulat7. implementarea şi acordarea soluţiei de automatizare pe un suport hardware compatibil cu procesul industrial8. analiza performanţelor în mediul real9. monitorizare şi mentenanţă

Succesul proiectării şi implementării unei soluţii de automatizare depinde de o perspectivă holistică asupra unor aspecte ce cuprind atât particularităţile procesului ce urmează a fi condus, cât şi obiectivele reglării.

1/6 In knowledge we trust. Part alpha.

Alegerea traductoarelor şi elementelor de execuţie trebuie să fie în concordanţă cu cele de mai sus, ţinând cont de comunicaţia dintre module, de la protocoale de comunicaţie industriale şi până la rutarea semnalelor, uneori pe distanţe mari şi în prezenţa zgomotelor. De asemenea, o parte integrantă a proiectării sistemelor de automatizare o constituie estimarea necesarului de calcul şi dispozitivele antrenate în realizarea acestuia: SCD (Sisteme de Control Distribuit), PLC (Programmable Logic Controllers), calculatoare de proces.

Fie centralizată sau descentralizată, ierarhizată sau pe un singur nivel, arhitectura şi interfaţarea prezintă o importanţă deosebită, atât în proiectare cât şi în utilizarea ulterioară şi monitorizare. Arhitecturile de control cuprind şi algoritmii de reglare ce urmează a fi implementaţi, tratarea perturbaţiilor şi incertitudinilor de modelare, pe baza lor făcându-se şi analiza cost vs. beneficii a soluţiei prezentate.

Structura unui sistem de reglare automată (SRA) este următoarea:

În schema de mai sus se pot observa elementele de bază ale unei bucle de reglare standard, cu un singur grad de libertate. Pentru studiul sistemelor de reglare automata (SRA) se utilizează aşadar o reprezentare simbolică de tip black-box, care indică elementele componente ale acestora, precum şi legăturile funcţionale dintre acestea (mărimile/semnalele care apar la intrarea şi ieşirea elementelor). De asemenea se va ţine cont de sensul în care componentele se influenţează una pe cealaltă.

În schema din figura 1.1 nu au fost reprezentate elemente adiţionale ce apar într-o structură de reglare fizică. În primul rând, cel puţin unul sau toate elementele buclei pot fi alimentate cu energie de la surse auxiliare. De exemplu, în cazul unui sistem de reglare a presiunii, este necesară o sursă auxiliară de aer industrial.

2/6 In knowledge we trust. Part alpha.

Figura 1.1. SRA standard

Componenta SRA Simbol utilizat Semnificaţie

mărimi de intrare sau ieşire (u/y)

sensul de transmisie a semnalului este indicat de săgeată

punct de bifurcaţie ramificarea unui semnal fără modificarea acestuia în două direcţii

punct de sumare a două semnale

suma sau diferenţa semnalelor este indicată de simbolurile + sau -

element general

element de tip black-box cu reprezentarea unei intrări (săgeată înspre element) şi a unei ieşiri (săgetă dinspre element)

Procesul (P) este alcătuit din instalaţia tehnologică (IT), elemente de execuţie (EE) şi traductoare (T). Descrierea fizică a acestuia este un aspect central în rezolvarea problemelor de control. Aşadar, inginerul proiectant trebuie să fie familiar cu funcţionarea procesului, descrisă prin ecuaţii matematice şi fizice (conservarea energiei şi/sau a maselor, fluxul materialelor în sistem), ecuaţii diferenţiale, ecuaţii cu diferenţe, funcţii de transfer, modele în spaţiul stărilor etc. Procesul constituie astfel obiectul condus.

Instalaţia tehnologică (IT). Definiţie: IT reprezintă acea componentă a procesului în cadrul căreia se acţionează cu un anumit scop asupra energiei sau materiei. De exemplu, schimbul de căldură între un agent termic (abur) şi apă şi instalaţia fizică în care se realizează acesta.

Elementul de execuţie (EE). Definiţie: EE transformă o comandă u semnal unificat într-o mărime de execuţie m compatibilă cu instalaţia tehnologică, care are rolul de a acţiona asupra procesului.

Un EE are următoarele componente: element de acţionare (EA) şi organ de execuţie (OE) (figura 1.2). Elementele de execuţie se împart în trei clase generale: hidraulice, electrice şi pneumatice.

Traductorul (T). Definiţie: T transformă un tip de energie (mărime fizică yP) în alt tip de energie, cuantizabil (mărime măsurată/reglată y).

3/6 In knowledge we trust. Part alpha.

Un T are componentele: element sensibil (ES) şi adaptor de semnal (AS) (figura 1.3).

Principiile de alegere ale elemetelor de execuţie şi traductoarelor cuprind: compatibilitatea cu mediul industrial, sensibilitatea/fidelitatea, domeniul de liniaritate al caracteristicii statice, puterea specifică, costul soluţiei etc.

Problema centrală în controlul automat este identificarea unei metode optime de a acţiona asupra unui proces astfel încât comportamentul acestuia să se apropie cât mai mult de un comportament dorit. În plus, acest comportament aproximativ trebuie asigurat în condiţii de incertitudine (din reprezentarea procesului, de exemplu) şi în prezenţa perturbaţiilor necontrolabile (nedeterministe) care acţionează asupra procesului. Aşadar, prin reglare se înţelege capacitatea de a duce un proces din starea curentă într-o stare dorită. Elementul schemei standard care realizeaza acest lucru şi generează comanda u pe baza semnalului de eroare ε (ε = r - y), se numeşte regulator (R).

În automatică se utilizează scheme tehnologice pentru realizarea conceptuală a instalaţiilor automatizate. Schema este o reprezentare grafică a diverselor elemente ale unei instalaţii, cu menţionarea legăturilor de transmisie dintre ele, tipurilor semnalelor utilizate, tipurilor echipamentelor de reglare şi numărului acestora.

Principalele tipuri de scheme utilizate în automatică sunt:- scheme funcţionale: scheme tehnologice (cuprinzând elementele

instalaţiei automatizate), scheme bloc (ce descriu principiul de funcţionare), scheme de alimentare (cuprinzând alimentarea cu energie electrică a instalaţiei de automatizare) etc.

- scheme de montare (pe baza cărora se execută legăturile dintre aparatele şi echipamentele incluse în instalaţia de automatizare)

- alte planuri şi documente (specificaţii de utilizare, fişe tehnice etc.)

4/6 In knowledge we trust. Part alpha.

Figura 1.2. Element de execuţie

Figura 1.3. Traductor

Tabelele următoare prezintă principalele simboluri utilizate în schemele funcţionale tehnologice.

Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie

linie de semnal electric

compresor

linie de semnal pneumatic

ventil

apă, condens, apă de răcire

ventil de reglare

abur ventil cu acţionare pe membrană

gaze de ardere priză pentru măsurarea presiunii

aer priză pentru măsurarea temperaturii

pompă diafragmă pentru măsurarea debitului

motor, acţionare cu motor electric

măsurarea nivelului

generator alte tipuri de măsurători

5/6 In knowledge we trust. Part alpha.

Simbol Semnificaţie

regulatorX reprezintă: F debit, L nivel, P presiune, T temperatură, Y turaţie, Z poziţie, V vibraţii, U deplasare, X dilatare relativăn reprezintă numărul aparatului în buclă

traductorY reprezintă: F debit, L nivel, P presiune, T temperatura, Y turaţie, Z poziţie, V vibraţii, U deplasare, X dilatare relativăn reprezintă numărul aparatului în buclă

6/6 In knowledge we trust. Part alpha.