MODULUL 2: SCHEME FOLOSITE IN AUTOMATICA

Scheme folosite in automatic

Activitatea conceptuală a unei instalaţii automatizate sau a unor echipamente destinate automatizării se concretizează încă din faza de proiectare în scheme ce fac parte integrantă din documentaţia de execuţie a instalaţiei respective.

Prin schemă se înţelege o reprezentare grafică a diverselor elemente ale unei instalaţii cu menţionarea legăturilor de transmitere a informaţiilor dintre ele.

Principalele tipuri de scheme folosite în automatică sunt: 1. Scheme funcţionale

a) scheme tehnologice cu automatizări în care sunt reprezentate elementele instalaţiei automatizate împreună cu legăturile lor funcţionale, şi pe care sunt figurate elementele şi circuitele instalaţiei de automatizare;

b) scheme bloc care cuprind elemente ale instalaţiei de automatizare împreună cu legăturile funcţionale dintre ele, astfel încât din acestea să rezulte principiul de funcţionare al instalaţiei de automatizare;

c) scheme de alimentare care cuprind alimentarea cu energie electrică a instalaţiei de automatizare;

d) scheme desfăşurate care reprezintă legăturile dintre aparate sau dintre elementele componente ale acestora şi care permit înţelegerea şi urmărirea funcţionării efective a circuitelor electrice;

e) diagrame funcţionale (de secvenţe) care cuprind stările de funcţionare succesive ale instalaţiei, cu menţionarea eventualelor temporizări între operaţii succesive.

2. Scheme de montare

a) scheme sau tabele de conexiuni interioare pe baza cărora se execută legăturile dintre aparate precum şi legăturile dintre aparate şi şirurile de cleme din interiorul echipamentelor (tablourilor, pupitre de comandă, etc.);

b) scheme sau tabele de conexiuni exterioare pe baza cărora se execută legăturile dintre echipamentele de automatizare sau dintre echipamente şi aparatele locale (traductoare, butoane de comandă, acţionări, etc.).

3. Planurile de montare sunt acele scheme care fac parte din “Proiectul tehnic

constructiv“ al fiecărui echipament de automatizare şi servesc la execuţia acestuia (echipări de panouri, inscripţii pe etichete, etc.) sau alte detalii de

montaj pentru trasee de cabluri, amplasări de echipamente, montări de aparate locale, etc.

4. Documentele generale cuprind informaţii necesare procurării echipamentelor şi

materialelor cu care se execută instalaţia de automatizare proiectată. În această categorie intră: specificaţiile de echipamente sau aparate locale, fişele tehnice, jurnalele de cabluri şi conducte, etc.

Exemplificare cu principalele scheme funcţionale utilizate în automatica (fig.1). Semnificaţia simbolurilor folosite în schemele funcţionale tehnologice sunt date în

tabela 1.1 si tabela 1.2.

PID BCS DEGAZOR TRADUCTORDE PRESIUNE+

yεf1

EA+OR S1yr u z

PC EE

1r

a)

b)

~

~

~

~~ ~

~

~

S1

EPA 1 EPA 2

f1

u1

BCS

PTo

APA

ABUR 6 bar

DEGAZOR 6 bar

~ ~

1gPI

1

PCr

m

R NLA

eContrapanou GE 01

oooo

−

o o o

o o o o+ +T J

U1

FE102 B

U V G

o og1

AI 192

+

oo

PanouGE 01

Local

1 2 3 4 5 6 7 8o oo

oooo

o o ooo

U V2B 27

BCS

oo o ooo o o1 2S1

MRD 1

oo

oo

PD

oo o

o o o+E

r1

ELC113C

+M T1

ooo o oT2 C1 C2 U N

I P

o of1

FE1 GM

+B E

c)

Fig.1 Reglarea automată a nivelului într-un degazor de 6 bar

a) schema tehnologică cu automatizări; b) schema bloc; c) schema desfăşurată

Tabela 1.1: Simbolurile folosite în schemele funcţionale tehnologice Componente tehnologice si traseele agentilor de lucru Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie

linie de semnal electric

cazan

ejector

linie de semnal pneumatic

turbină

ventil

apă, condens, apă de răcire

schimbător de căldură M

ventil de reglare

abur

degazor

ventil cu acţionare pe membrană

gaze de ardere

condensator

ventil cu trei căi

aer

răcitor cu injecţie

clapetă de închidere

cărbune

staţie de reducere răcire

priză pentru măsurarea presiunii

ulei

pompă

priză pentru măsurarea temperaturii

zgură, cenuşă M

motor, acţionare cu motor electric (vane, pompe, ventilatoare)

diafragmă pentru măsurarea debitului

fum, gaz de evacuare M

acţionare de reglare cu motor electric (pentru buclele de reglare)

măsurarea nivelului

buncăr de cărbune G

generator

alte tipuri de măsuratori

moară

compresor

comandă de «deschidere» la creşterea parame-trului reglat

arzător

dozator

comandă de «închidere» la scăderea parame-trului reglat

Tabela 1.2: Simbolurile folosite în schemele funcţionale tehnologice ISA (Instrument Society of America) Elemente de masura si comanda Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie

3H

an

comandă de la distanţă (închis, deschis, stop)

2H

an

comandă de la distanţă (pornit / oprit, creşte /scade)

A-M

an

element de comutare automat-manual (pentru reglarea referinţei în bucla de reglare: A-referinţa culeasă din proces; M-referinţă modificată manual)

XX

aparat local XX

an

traductor, detector

XX

an

aparat montat pe panou sau pupitru în CCT – camera de comandă tehnică (contur operativ)

XX

an

aparat montat în panou local XX

an

aparat montat în dulap neoperativ

A(B)

semnal analogic (binar) transmis la calculatorul de proces

Notaţiile din interiorul simbolurilor de mai sus au următoarea semnificaţie. prima literă (primele litere) reprezintă simbolul parametrului măsurat a doua literă (ultimele litere începând cu a doua) reprezintă simbolul funcţiei aparatului cifră reprezentând numărul aparatului în buclă litere având următoarea semnificaţie : b = buton; g = aparat indicator; f = traductor; u = aparat calcul

Cele mai utilizate simboluri ale parametrilor şi funcţiilor sunt : Simboluri parametrii Simboluri funcţii (Modificate)

A - Analiza D - Derivata B - Flacara, combustibil F - Functie C - La alegerea utilizatorilor J - Vizualizare D - La alegerea utilizatorilor K - Rata de timp de schimbare E - Tensiune M - Momentan F - Debit Q - Integrare, totalizare G - La alegerea utilizatorilor S - Siguranta H - Comanda normala X - Axa X I - Curent (electric) Y - Axa Y J - Putere Z - Axa Z K - Timp L - Nivel Citire sau functia pasiva M - La alegerea utilizatorilor A - Alarma N - La alegerea utilizatorilor B - Element nefolosit O - La alegerea utilizatorilor E - Senzor P - Presiune G - Sticla, dispozitiv de vizualizare Q - Calitate I - Indicatie R - Radiatie L - Lumina, semnalizare S - Viteza, frecventa N - Neutilizat T - Temperatura O - Restrictie U - Multivariabili P - Punct de conexiune V - Vibratie R - Inregistrare W - Greutate, forta U - Functie multipla X - Neclasificat W - Bine Y - Eveniment, stare sau prezenta X - Neclasificat Z - Pozitie, dimensiune

Pentru elementul de calcul mai pot exista şi alte precizări în colţul din dreapta sus al simbolului:

.....Y

.....

- extractor radical ∫ - element integrator ∑ - sumator ][ - separator galvanic ×/÷ - element înmulţire / împărţire

Pentru funcţia de protecţie, în colţul din dreapta sus al simbolului, pot fi înscrise valorile maxime (H) şi minime (L):

.....S

.....

H, L

XX

Tabela 1.2 bis: Simbolurile folosite în schemele funcţionale tehnologice ISA (Instrument Society of America) Elemente de masura si comanda

Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie

Local Accesibil normal de catre operator

Camera de comanda centrala montat pe contrapanoul principal neaccesibil normal de catre operator

Central sau camera de control principal / montat pe panoul frontal accesibil de catre operator

Camera de comanda secundara sau locala, panou local sau camp montat pe panou local sau secundar neaccesibil operatorului

Camera de comanda secundara sau locala, panou local sau camp montat pe cutie sau panou secundar sau local neaccesibil normal de catre operator

Notaţiile din interiorul simbolurilor de mai sus au următoarea semnificaţie. prima literă (primele litere) reprezintă simbolul parametrului măsurat a doua literă (ultimele litere începând cu a doua) reprezintă simbolul funcţiei aparatului cifră reprezentând numărul aparatului în buclă litere având următoarea semnificaţie : b = buton; g = aparat indicator; f = traductor; u = aparat calcul

Cele mai utilizate simboluri ale parametrilor şi funcţiilor sunt : Simboluri parametrii Simboluri funcţii (Modificate)

A - Analiza D - Derivata B - Flacara, combustibil F - Functie C - La alegerea utilizatorilor J - Vizualizare D - La alegerea utilizatorilor K - Rata de timp de schimbare E - Tensiune M - Momentan F - Debit Q - Integrare, totalizare G - La alegerea utilizatorilor S - Siguranta H - Comanda normala X - Axa X I - Curent (electric) Y - Axa Y J - Putere Z - Axa Z K - Timp L - Nivel Citire sau functia pasiva M - La alegerea utilizatorilor A - Alarma N - La alegerea utilizatorilor B - Element nefolosit O - La alegerea utilizatorilor E - Senzor P - Presiune G - Sticla, dispozitiv de vizualizare Q - Calitate I - Indicatie R - Radiatie L - Lumina, semnalizare S - Viteza, frecventa N - Neutilizat T - Temperatura O - Restrictie U - Multivariabili P - Punct de conexiune V - Vibratie R - Inregistrare W - Greutate, forta U - Functie multipla X - Neclasificat W - Bine Y - Eveniment, stare sau prezenta X - Neclasificat Z - Pozitie, dimensiune

Pentru elementul de calcul mai pot exista şi alte precizări în colţul din dreapta sus al simbolului:

.....Y

.....

- extractor radical ∫ - element integrator ∑ - sumator ][ - separator galvanic ×/÷ - element înmulţire / împărţire

Pentru funcţia de protecţie, în colţul din dreapta sus al simbolului, pot fi înscrise valorile maxime (H) şi minime (L):

.....S

.....

H, L

XX

Tabela 1.3: Reprezentarea functiilor pentru bucle de masura

Simbol Semnificaţie Simbol Semnificaţie

Bucla masura ale carei functii se realizeaza local

Actionare electrica de inchidere cu comanda dulap local

Bucla masura ale carei functii se realizeaza prin dulap local

Vana cu electromagnet cu comanda dulap local

Bucla masura ale carei functii se realizeaza in camera de comandal

Pompa cu motor electric cu comanda dulap local

Actionare electrica de inchidere cu comanda locala

Actionare electrica de inchidere cu comanda din CCT

Vana cu electromagnet cu comanda locala

Vana cu electromagnet cu comanda din CCT

Pompa cu motor electric cu comanda locala

Semnificatia literelor codificarii sistemului AKS sunt urmatoarele:

Semnificatia primei litere pentru parametrul masurat

Semnificatia literelor pentru functiile realizate de bucla de masura

A - Analiza A - Semnalizare B - Flacara C - Reglare F - Debit N - Calcule, corectie H - Comanda manuala R - Inregistrare L - Nivel Q - Contorizare P - Presiune S - Interblocari

DP - Presiune diferentiala Z - Protectie T - Temperatura V - Vibratie Literele A, Z si S pot fi urmate de literele L (pentru

limita minim 1); H (pentru limita maxim 1); LL (pentru limita minim 2) si HH (pentru limita maxim 2)

X - Masuratori speciale Y - Turatie Z - Pozitie, dimensiune

Este interesant de a se vedea modul de trecere de la schema constructivă la schema

bloc. Exemplificare (fig. 2) La un schimbător de căldură se introduce reglarea automată a temperaturii apei la

ieşire, schema constructivă fiind dată în figura 1.7.a. Să se întocmească schema bloc, determinându-se principalele blocuri şi mărimi

caracteristice ale unui sistem de reglare automată.

6,8,9 11 125hr hε pu h

13hy

+ _

4 Da De1,2,3

SC EE P T

b)

Fig.2 Reglarea temperaturii la un schimbator de căldură a) schema tehnologică cu automatizări (constructivă); b) schema bloc

Structuri de sisteme de reglare automata

• Comandă în buclă deschisă (neautomată)

LT

Qi

Qe

H

Fig.3. Comanda „Neautomată” a nivelului (reglarea in buclă deschisă)

a)

• Reglarea bipoziţională «tot sau nimic»(ON - OFF)

LT

Qi

Qe

u

LCV

ΝΙ

Hε

Η

εH

u

t

T

Referinta

a) b) Fig.4. Reglarea «tot sau nimic» a nivelului

a) schema technologică cu automatizări b) variaţia comenzii „u” în funcţie de eroarea „εH” a regulatorului

• Reglarea continuă de tip proporţional (fig. 5) Reglarea proporţională este cel mai frecvent mod de reglare şi se poate realiza în

două variante. a) Regulator direct (nemijlocit) (figura 5.a)

LT

Qi

Qe

u

LCV

εH

t

I/P

ND

H

εS

H

LT

Qi

Qe

u

LCV

εH

t

I/P

NI

H

εS

LIC

K εS

H

a) b)

Fig.5. Reglarea de tip P în buclă închisă a nivelului:

a) reglator direct a1) schema tehnologică cu automatizări;

a2) răspunsul SRA; b) reglare indirectă sau prin regulator:

b1) schema tehnologică cu automatizări; b2) variatia lui H in functie de valorile factorului de amplificare K al

regulatorului; c) răspunsul SRA la o perturbaţie pe Qe

Qe %

t

H%

t

Qi %

t

sε

Qi

Pierdere in volum

c)

a1)

a2) b2)

b1)

b) Reglarea indirectă (prin regulator) (fig.5.b) Introducerea regulatorului automat de nivel LIC elimină dezavantajele sistemului

precedent, în sensul că reglajul se face după mărimea de referinţă. Regulatoarele pot fi cu acţionare directă (↑↑ dacă uε ↑⇒ ↑ ) sau acţionare

indirectă (reversibilă ↑↓ dacă uε ↑⇒ ↓ ).

( )iH u Q LCV NI→ → ↑↓

σ

14

σ σ′ =

116

σ σ′′ =

yr t

y

Fig.6. Amortizarea sfert de amplitudine

• Reglarea cu compensarea perturbaţiilor (fig. 7) Perturbaţiile sunt reprezentate de Qe şi Qi. În cazul ideal, variaţia debitului de ieşire Qe va conduce la modificarea debitului de

intrare Qi pentru stabilirea egalităţii între debite Qi=Qe.

Qi

Qe

FCV

I/P

NI

FIC

FT2

FT1

yr

H

( pt. ND)

Qe %

t

H%

t

Qi %

t

H%

Qi %

(b1)

(b2)

Corectie corecta

a) b) Fig.7. Reglajul cu compensarea perturbaţiilor

schema tehnologică cu automatizări ; b) semnale din proces ( b1- cazul ideal; b2- cazul real) Rolul traductorului de debit FT2 este de a asigura un semnal de corecţie a

perturbaţiei astfel încât debitul de ieşire Qe să fie corectat înainte ca procesul să fie

perturbat efectiv. În cazul real există o întârziere de la sesizarea modificării debitului Qe până la modificarea corespunzătoare a debitului Qi. Acest lucru conduce la o stabilizare a semnalului cu o eroare staţionară.

• Reglarea în cascadă (fig. 8) Reglarea în cascadă îşi propune menţinerea valorii de referinţă a parametrului reglat

şi eliminarea perturbaţiilor înainte de propagarea lor în sistem. Se propune o structură în cascadă cu două regulatoare :

− regulatorul principal (de nivel) LIC este cu acţiune inversă, deoarece la o creştere a nivelului H trebuie să-i corespundă o scădere a debitului Qi ;

− regulatorul secundar (de debit) FIC este tot cu acţiune inversă, această acţiune fiind determinată de tipul vanei de reglare.

ND (NI)

uFICyQi

LIC FIC H1(s) H2(s)yr1 uLIC=yr2

yQi yHuFIC

T mic T mare

Qi

Qe

FCV

I/P

FIC

FT

yHLT

LIC

yr2=uLIC

yr1

H

a)

b)

RAsecundar

RAprincipal

Fig.8. Reglarea automată în cascadă a nivelului (H-Qi) a) schemă tehnologică cu automatizări ; b) schema bloc

Comportarea reglării în cascadă este similară cu cea a unei reglări cu o singură buclă

de reglare, în sensul că trebuie să apară mai întâi eroarea şi apoi va fi elaborată mărimea de comandă care va încerca să restaureze mărimea măsurată la valoarea de referinţă.

( ) ( )( )2e LIC LIC r FICQ H u u y u FCV ND→ ↓→ = → ↓

• Reglare în cascadă cu compensarea perturbaţiei cu legatură înainte (fig. 9)

uLIC

yQe

H

ND (NI)

uFICyQi

Qi

Qe

FCV

I/P

FIC

FT1

yH

LTLIC

yr2

Σpolarizare

FT2

+

+

+

v(masurabil)

+yr y+

Hv

HRv

HR H

uvuR u yu

yv

b)

Fig.9. Reglarea automată în cascadă a nivelului, cu compensarea perturbaţiilor cu legătură înainte :

a) schema tehnologică cu automatizări; b) schemă bloc Legatura înainte este necesară pentru a minimiza variaţiile parametrului reglat H ca

urmare a modificării sarcinii Qe, deci a unui dezechilibru masic între Qi şi Qe. Semnalul de compensare a perturbaţiei Qi dat de traductorul de debit FT1 se

însumează cu ieşirea regulatorului de nivel LIC şi cu cea a semnalului de polarizare. Orice abatere de debit de intrare este rezolvată pe bucla de stabilizare a debitului ce include regulatorul de debit FIC.

Dacă nivelul se află la valoarea de referinţă, eroarea este zero şi regulatorul

proporţional va furniza un semnal de 50%. LIC va fi cu acţiune inversă, pentru a furniza un semnal micşorat regulatorului FIC la un nivel mare. Semnalul la traductorul FT2 al debitului de ieşire Qe, şi comanda regulatorului LIC uLIC se introduc în sumator. La valoarea de referinţa a nivelului, mărimea de comandă a LIC nu trebuie să modifice referinţa regulatorului de debit FIC. Pentru a realiza acest lucru, sumatorul va trebui să

a)

ignore semnalul de comandă de la LIC, corespunzator nivelului de 50%. Acest lucru se obţine folosind semnalul de polarizare (constant) de -50%.

Indiferent de fluctuaţiile intrării FIC va regla debitul de intrare Qi în functie de yr2. Acest sistem işi găseşte aplicabilitatea la reglarea nivelului în generatoarele de abur. • Reglarea numerică directă (DDC)(fig. 10) Reglarea numerică (fig. 10) constă în înlocuirea regulatoarelor automate de tip

analogic cu o aparatură numerică (calculatoare numerice sau microcontrolere numerice). Acest fapt permite folosirea unor algoritmi evoluaţi de conducere şi comandă a mai multor procese de către un singur echipament.

Unitatede

control

• Unitatearitmetica si

logica• Memorie

CNA

CAN0 MUX

DMUX

CALCULATOR NUMERIC

H

ND (NI)

Qi

Qe

FCV

I/PFT1

LT

FT2

Fig.10. Reglarea numerică directă

Mărimile măsurate cu traductoare analogice sunt convertite în semnale numerice

prin convertorul analog numeric (CAN). Selectarea unui canal unic pe CAN se face cu un multiplexor MUX aflat în subordinea unităţii de control. Semnalul numeric este trecut apoi printr-un dispozitiv de extrapolare, de obicei de ordinul zero, care reţine valoarea mărimii măsurate între două momente de eşantionare. După prelucrarea semnalelor conform legii de reglare, comanda la ventilul de reglare se transmite prin convertorul numeric analogic (CNA) şi prin demultiplexorul DMUX.

□ Structură cu RA amonte (înainte)

P12P2+

yr2

+yr1

P11

v

y

HR2

HR1

Fig.11. SRA cu RA amonte

□ Structuri cu mărimi ajutătoare

i) Mărime de reglare ajutătoare

R1yr

RH

P1 P2u

y

z1 z2

yH

Regulatorajutator

Fig.11. Structură de SRA cu mărime reglată ca mărime ajutătoare

ii) Mărime de execuţie ajutătoare

R1yr

RH

P1 P2

u1

y

u2ε

uH

+

Fig.12. Structură de SRA cu mărime de execuţie ca mărime ajutătoare

□ Conducere cu predicţie după referinţă

yr y

ε+ HHR

HRr

Fig.13. SRA cu predicţie după referinţă

Fig. 14. Arhitectura generala a unui DCS

Fig. 15. Solutii pentru dispunerea spatiala a circuitelor de masura, semnalizare, comanda si reglare

a unui proces utilizand o camera de comanda centrala pentru conducerea operativa

Fig. 16. Planul unei camere centrala de conducere operativa a unui proces cu sisteme informatice

Fig. 17. Campurile de vedere si de observatie a unui operator dintr-o camera de comanada centrala

stabilite conform normelor antropometrice