224

L11. Studiul reglării temperaturii proceselor

1. Obiectul lucrării constă în studiul influenţei tipului de regulator (bi sau tripoziţional fără lege de reglare, tripoziţional cu lege de reglare - cu diverse reacţii -, regulatoare specializate, regulatoare continue, şi a legilor convenţionale implementate pe calculator) şi a parametrilor de acord asupra performanţelor sistemelor de reglare automată a temperaturii în diverse obiecte reglate. 2. Instalaţii tehnologice în care se impune reglarea temperaturii Dependenţa proprietăţilor fizice ale unor substanţe, materiale sau piese de temperatură, precum şi existenţa unor procese industriale a căror evoluţie în timp necesită realizarea unor anumite temperaturi (de exemplu: cuptoare pentru tratamente termice, cuptoare pentru topirea diverselor materiale, cazanele cu abur, diverse instalaţii frigorifice, diverse reactoare chimice sau nucleare etc.) determină o mare răspândire a sistemelor de reglare automată a temperaturii. Din punctul de vedere al scopurilor urmărite instalaţiile tehnologice în care se cere reglarea temperaturii pot fi împărţite în trei grupe mari: - instalații tehnologice în care nu are loc transport de căldură de către produsul încălzit/răcit; - instalații tehnologice în care are loc transport de căldură de către produsul încălzit/răcit; - instalații tehnologice cu surse interne sau consumatori interni de căldură. • În categoria instalațiilor tehnologice în care nu are loc transport de căldură de către produs se pot încadra diverse cuptoare industriale şi instalaţii frigorifice în care se impune, fie asigurarea unei temperaturi constante în timp, fie realizarea unei variaţii dorite a temperaturii în conformitate cu prescripţiile tehnologice respective. În asemenea instalaţii, căldura/frigul necesar regimului dorit de temperatură se obţine prin comanda corespunzătoare a unui flux de energie (agent termic) vehiculat prin intermediul unor elemente de execuţie corespunzătoare.

225

Asemenea instalații tehnologice sunt caracterizate prin aceea că se pot considera termic relativ bine izolate, perturbaţia principală fiind constituită de pierderile de căldură spre exterior sau căldura pătrunsă din exterior (instalaţii frigorifice). Reglarea temperaturii în asemenea instalații tehnologice poate fi realizată atât cu regulatoare cu acţiune discontinuă (bi şi tripoziţionale - cu sau fără legi de reglare) cât şi cu regulatoare continue, în funcţie de performanţele ce se cer realizate. Asemenea instalații tehnologice se caracterizează prin proprietatea de autoreglare. • În categoria instalațiilor tehnologice în care are loc transport de căldură de către produs se pot încadra, de asemenea, o mare varietate de schimbătoare de căldură, cuptoare tunel, de tratamente termice, de uscare, de termofixare etc., în care fluxurile de lichide, solide sau chiar gazoase vehiculate provoacă o perturbaţie permanentă importantă printr-un transport de căldură din spaţiul de lucru. Regimurile termice necesare se pot obţine fie prin arderea unor combustibili lichizi sau gazoşi fie prin utilizarea aburului sau a energiei electrice şi în asemenea instalații tehnologice regimul termic prescris poate fi asigurat prin comanda corespunzătoare a unor fluxuri de energie, vehiculate prin intermediul unor elemente de execuţie corespunzătoare, obiectele reglate res-pective fiind de esemenea cu autoreglare. Reglarea temperaturii în asemenea obiecte reglate poate fi asigurată, în funcţie de performanţele impuse, cu ajutorul regulatoarelor cu acţiune discontinuă (bi sau tripoziţionale cu sau fără lege de reglare) sau cu ajutorul regulatoarelor continue cu legi de reglare corespunzător adoptate. Uneori se pot folosi chiar regulatoare cu acţiune directă. • Din categoria instalațiilor tehnologice cu surse interne sau consumatori interni de căldură fac parte o mare varietate de procese chimice (reactoare), reactoarele nuclearo-electrice şi altele. Asemenea procese pot fi endoterme sau exoterme. În primele se manifestă în general un grad înalt de autoreglare, deci automatizarea acestora nu ridică probleme deosebite în schimb cele din a doua categorie impun luarea unor măsuri specifice, chiar de securitate, datorită unor particularităţi de desfăşurare a proceselor respective. Se mai cere subliniat un fapt foarte important, valabil pentru toate

226

situaţiile prezentate mai sus, anume caracterul indirect al reglării temperaturii, caracter mult mai pregnant decât în cazul reglării altor parametri (nivel, debit, presiune etc.). Caracterul indirect al reglării temperaturii constă în faptul că temperatura este reglată în locul în care este amplasat elementul sensibil, deşi, este posibil ca necesităţile unei reglări corecte impun chiar un anumit gradient de temperartură în spaţiul respectiv, un anumit gradient de temperatură în piesele tratate etc. În concluzie, reglarea temperaturii cere multă precauţie, deşi la prima vedere pare o problemă simplă! Există multe soluţii, valabile pentru anumite cazuri particulare, neexistând soluţii universal valabile. Unele din aceste soluţii cer o analiză atentă a locului de amplasare pentru elementul sensibil, altele reclamă introducerea unor agitatoare pentru omogenizare, altele propun folosirea mai multor elemente sensibile corespunzător amplasate etc., iar metodele moderne folosesc algoritmi de reglare evoluaţi: adaptivi, predictivi etc. 3. Reglarea bipozitională a temperaturii 3.1. Descrierea reglării bipoziţionale Este o metodă foarte utilizată de reglare a temperaturii în instalațiile tehnologice care fac parte din primele două categorii de procese. Se caracterizează prin simplitatea aparaturii şi funcţionarea economică. Reglarea bipozițională se asigură prin modificarea fluxului de energie sau de masă de la intrarea unei instalații tehnologice, în regim de funcționare "tot sau nimic" sau "mai mult sau mai puţin", în funcţie de abatere. Aceste regimuri de funcționare au fost menţionate în cadrul studiului regulatoarelor bi şi tripoziţionale de la lucrarea L6. În cadrul reglării bipoziționale fluxurile de energie sau de masă de la intrarea proceselor automatizate pot lua teoretic doar două valori. Schema bloc a reglării bipoziţionale a temperaturii corespunde cu schema de bază prezentată cu ocazia studiului regulatoarelor bi şi tripoziţionale (lucrarea L6, fig.1). În schema bloc a reglării bipoziţionale a temperaturii prezentată în figura 1, s-a pus în evidenţă caracteristica statică a regulatorului

227

bipoziţional, comportarea dinamică în general aperiodică de ordin unu sau chiar de ordin superior a instalaţiilor tehnologice în care se reglează temperatura, precum şi inerţia circuitului de măsură (de reacţie).

Fig.1. Schema bloc a reglării bipoziţionale a temperaturii Comportarea dinamică a instalaţiilor tehnologice în care se reglează temperatura, prezentată în figura 2a, poate fi echivalată prin compunerea a două comportări, o comportare cu timp mort (figura 2b) caracterizată prin timpul mort mT şi o comportare inerţială de ordinul unu (figura 2c), caracterizată prin constanta de timp T.

Fig.2. Comportarea dinamică a instalaţiilor tehnologice în care se reglează temperatura

În ceea ce priveşte circuitul de măsurare, deşi de dorit ar fi ca inerţia acestui circuit să fie minimă, acesta are în general o comportare cel puţin

228

inerţială de ordinul unu. Această comportare se datoreşte elementelor suplimentare adăugate elementului sensibil în vederea protejării mecanice şi corozive faţă de mediul exterior cum sunt de exemplu tecile protectoare ale diverselor traductoare de temperatură. Ca urmare şi circuitul de măsurare (de reacție) poate fi caracterizat cel puţin printr-o constantă de timp tT . Regulatorul bipoziţional este, în mod obişnuit, un element cu caracteristica statică de tip releu bipoziţional, care asigură trecerea mărimii de comandă de la o valoare la alta, dacă abaterea ε faţă de valoarea de referinţă r depăşeşte un anumit prag ±Δ, numit zonă de insensibilitate I. În figura 3 este prezentată caracteristica statică reală a unui regulator bipozițional.

Fig.3. Caracteristica statică bipoziţională reală În general, zona de insensibilitate a regulatoarelor bipoziţionale este ajustabilă. În ceea ce priveşte elementul de execuție EE, aceasta poate fi, de exemplu, un ventil electromagnetic în cazul unor fluxuri de energie lichide sau gazoase sau pur şi simplu un contact electric sau un sistem de contacte aparţinând unui releu sau contactor, în cazul fluxurilor de energie electrică. Uneori asemenea elemente de execuție sunt comandate prin intermediul unor regulatoare directe, numite și regulatoare cu acțiune directă. Teoretic, reglarea bipoziţională a temperaturii are loc după diagramele prezentate în figura 4. Aceste diagrame sunt întocmite în ipoteza teoretică, simplificatoare, ce constă în neglijarea timpului mort mT a instalației tehnologice şi a constantei de timp tT a circuitului de măsurare.

229

Fig. 4. Reglarea bipoziţională a temperaturii Anume, se presupune că la t=0 se prescrie brusc o mărime de referinţă rxr > . Ca urmare, 0xr r >−=ε , şi dacă se presupune că în acest caz Δε +> , atunci conform caracteristicii statice din figura 3 se aplică la intrarea instalației tehnologice IT în întregime fluxul de energie de la sursa exterioară (fie în regimul "tot sau nimic" fie în regimul "mai mult sau mai puţin"). În consecinţă parametrul reglat evoluează după curba 1 din fig.4.a. În tot acest interval de timp eroarea scade. La momentul t1, când parametrul reglat trece peste valoarea impusă (prescrisă) iY și eroarea devine zero, datorită zonei de insensibilitate I regulatorul bipozițional nu deconectează elementul de execuție EE de la sursa de energie SE și deci temperatura reglată creşte în continuare.

230

În momentul t2, când se atinge pragul inferior -Δ al zonei de insensibilitate, corespunzător valorii Yi + ΔY a parametrului reglat, are loc bascularea caracteristicii statice a regulatorului bipoziţional, deci întreruperea totală sau parţială a fluxului de energie de la intrarea IT. Din acest moment, datorită ipotezelor simplificatoare menţionate, valoarea parametrului reglat scade şi în continuare evoluează după curba 2. Regimul de oscilaţii care apare poate fi caracterizat prin timpul de deconectare td, timpul de conectare tc, durata ciclului de reglare tcr şi amplitudinea ΔY a oscilaţiilor parametrului reglat. 3.2 Chestiuni de studiat În laborator se va studia efectul reglării bipoziţionale asupra unor obiecte reale, cu timp mort, constantă de timp şi circuit de reacţie cu inerţii diferite. Drept obiecte reglate se vor folosi diferite cuptoare electrice de laborator şi o baterie de încălzire electrică. 3.3. Modul de lucru În laborator se vor realiza sisteme de reglare bipoziţioanlă a temperaturii unor obiecte reglate cu regulatoarele X 72 şi ELX 176, cu ajutorul unui panou de automatizare cu schema electrică prezentată în figura 5. Se studiază schema electrică de pe panoul frontal de automatizare din laborator (identică cu schema din figura 5), unde sunt scoase toate bornele elementelor componente necesare pentru realizarea diverselor scheme de experimentare. 3.3.1. În cazul utilizării regulatorului bipoziţional X 72 pentru reglarea temperaturii unei baterii electrice de încălzire a aerului, se va realiza sistemul cu configuraţia din figura 6, conectând între ele în mod corespunzător elementele componente. Contactul de reglare d1 al regulatorului X 72 se leagă în circuitul de alimentare al bobinei contactorului K1 (elementul de execuţie) prin intermediul unor borne scoase pe panoul frontal al standului. Tensiunea de alimentare a rezistenţei electrice a bateriei de încălzire (mărimea de execuţie) se obţine prin intermediul unei prize montate pe panoul lateral al standului.

231

Fig. 5. Panoul frontal al instalaţiei de automatizare

232

Fig.6. Reglarea bipoziţională cu regulatorul X 72 Ventilatorul bateriei de încălzire este acţionat de un motor asincron monofazat cu colector alimentat cu o tensiune redusă de la un autotransformator ATR-8 (pentru un obiect reglat), respectiv de un motor monofazat cu două viteze (pentru un alt obiect reglat). Ca traductor de temperatură se utilizează o termorezistenţă dublă 2 × Pt100 conectată la stand printr-o priză cu şapte contacte. O termorezistenţă se foloseşte ca traductor de reacţie pentru regulatorul X 72, iar cealaltă termorezistenţă ca traductor de măsură pentru adaptorul rezistenţă-curent unificat ELT 162. Pe stand este montat, ca echipament auxiliar unificat de automatizare, un înregistrator tip ELR 462. Pe diagrama înregistratorului ELR 462 se obţin curbele de variaţie în timp ale temperaturilor reglate. În acest scop se alege o viteză convenabilă de rulare a diagramei înregistratorului (20, 60 sau 120 mm/oră). Funcţionarea regulatorului bipoziţional X 72 poate fi influenţată prin modificarea poziţiei cursorului potenţiometrului S (de sensibilitate) de pe panoul frontal al regulatorului. Traductorul de temperatură Pt100 va fi utilizat în două variante: fără teacă protectoare şi cu teacă de protecţie. Se pot obţine perturbaţii în sistemul studiat modificând debitul de aer ventilat, prin modificarea turaţiei motorului de antrenare a ventilatorului sau prin modificarea poziţiei clapetei montate pe conducta de ieşire. Se studiază funcţionarea sistemului de reglare bipoziţională a temperaturii bateriei de încălzire realizat cu regulatorul X 72, pentru diferite valori ale mărimii de prescriere, sensibilităţii S şi mărimii perturbatoare xp, când traductorul de reacţie este fără teacă de protecţie şi apoi cu teacă de protecţie.

233

3.3.2. Pentru reglarea bipoziţională, cu regulatorul X 72, a temperaturii unui cuptor electric încălzit prin becuri cu radiaţii infraroşii sau a unui cuptor cu izolaţie din şamotă încălzit printr-o rezistenţă electrică se realizează aceeaşi configuraţie a sistemului de reglare din figura 6 şi se folosesc aceiaşi parametri de acord. Perturbaţiile de sarcină se realizează prin introducerea unor piese metalice în cuptor. 3.3.3. În cazul utilizării regulatorului unificat ELX 176 pentru reglarea bipoziţională a temperaturilor obiectelor reglate prezentate, se foloseşte o semiunitate a acestuia în configuraţia din figura 7. Montajul se realizează folosind bornele de conexiuni scoase pe panoul frontal al standului.

Fig.7. Reglarea bipoziţională cu regulatorul ELX 176 Se studiază funcţionarea diverselor sisteme de reglare bipoziţională a temperaturii cu regulatorul ELX 176 (cu diverse obiecte reglate) la modificarea în treaptă nesimultană a mărimii de perturbaţie şi de referinţă. 3.4. Prelucrarea şi prezentarea datelor experimental obţinute - Se determină zona de insensibilitate 2Δθ a regulatorului bipoziţional X 72 sau ELX 176 prin marcarea pe diagrama aparatului înregistrator ELR 46 a temperaturii, în obiectul reglat, în momentele basculării regulatorului;

234

- Se determină valoarea ideală a temperaturii reglate θei, din valorile (θei + Δθ) şi (θei - Δθ) marcate pe diagramă; - Se determină valoarea medie a temperaturii reglate şi se marchează pe diagrama obţinută; - Se determină durata de conectare tc, durata de deconectare td şi durata ciclului de reglare bipoziţională tcr; - Se va explica abaterea formei de variaţie a temperaturii reglate faţă de forma teoretică din figura 4.a; - Se va determina influenţa constantei de timp Tt a traductorului de temperatură, utilizat fără teacă de protecţie sau cu teacă de protecţie asupra temperaturii reglate; - Se fac comparaţii privind performanţele reglării automate bipoziţionale obţinute cu acelaşi regulator pe diverse obiecte reglate; - Se vor face aprecieri în legătură cu variaţia în timp a mărimii de execuţie. 4. Reglarea tripoziţională a temperaturii 4.1. Descrierea reglării tripoziţionale Este, de asemenea, o metodă de reglare a temperaturii frecvent utilizată, datorită simplităţii constructive şi funcţionale, dar mai ales datorită unor efecte de reglare superioare faţă de reglarea bipoziţională. Aceste efecte de reglare se datoresc tipului de regulator şi de element de execuție utilizat şi deci modalităţilor de intervenţie asupra mărimii de execuţie. În cazul reglării tripoziţionale se folosesc elemente de execuţie echipate cu organe de acţionare de tip servomotoare electrice reversibile cu viteză constantă (vezi lucrarea 4). Schema bloc a reglării tripoziţionale din figura 8 nu diferă esenţial de cea a reglării bipoziţionale (din figurile 6 şi 7). Datorită prezenţei regulatorului tripoziţional (RTP), cu caracteristica statică prezentată în figura 9 şi a elementului de execuție EE folosit, apare posibilitatea poziţionării organului de execuţie de tip robinet de reglare RR în orice poziţie, deci posibilitatea realizării unor mărimi de execuţie mx , de orice valoare, cuprinse între o valoare maximă mMx şi una minimă mmx .

235

Fig.8. Reglarea tripoziţională simplă

Fig.9. Caracteristica regulatorului tripoziţional Starea elementului de execuție EE (funcţionare sau repaus) şi respectiv valoarea mărimii de execuţie mx sunt determinate de evoluţia în timp a erorii ε, care, la rândul său depinde de evoluţia în timp a parametrului reglat (vezi figura 5 lucrarea 4). În acest fel dispar discontinuităţile din forma de variaţie a mărimii de execuţie, cu efecte pozitive evidente şi asupra performanţelor reglării temperaturii proceselor. 4.2. Chestiuni de studiat În laborator se va studia efectul reglării temperaturii, cu regulatorul tripoziţional ELX 176 şi element de execuție EE reversibil şi cu viteză de acţionare constantă, asupra unor obiecte reglate reale, cu timp mort,

236

constantă de timp şi circuit de reacţie cu inerţii diferite. Drept obiecte reglate se vor folosi diferite cuptoare electrice de laborator şi o baterie de încălzire electrică. 4.3. Modul de lucru Pe standul din laborator, prezentat în figura 5, se realizează sistemul de reglare tripoziţională a temperaturii, în configuraţia după figura 10.

Fig.10. Schema bloc a reglării tripoziţionale a temperaturii cu regulator ELX 176

Se leagă în serie cele două semiunităţi ale regulatorului ELX 176 pe partea de măsură. Elementul de execuţie utilizat este alcătuit din blocul de referinţă cu motor BRM 2, convertorul tensiune-curent ELX 120 şi convertorul curent unificat-tensiune alternativă I/U (notat pe panou cu I - ϕ). Blocul de referinţă cu motor BRM 2 funcţionează în conformitate cu figurile 3 şi 5 din lucrarea 4, respectiv paragraful 2.2 din lucrarea 9, primind comenzi corespunzătoare pe bornele H - C - L. Convertorul ELX 120 transformă semnalul de ieşire al blocului de referinţă cu motor BRM 2, tensiune c.c. între limitele (0,4 - 2)V, în semnal unificat curent continuu între limitele (2 - 10)mA. Convertorul curent unificat-tensiune alternativă (I - U) este alcătuit dintr-un dispozitiv de comandă pe grilă tranzistorizat şi un variator de curent alternativ monofazat, realizat cu două tiristoare montate antiparalel. Traductorul de temperatură, termorezistenţa Pt 100, poate fi utilizat cu teacă de protecţie şi fără teacă de protecţie.

237

Se prescriu valori pentru cele două temperaturi "limită inferioară" şi "limită superioară" la cele două semiunităţi ale regulatorului tripoziţional ELX 176. Pe diagrama înregistratorului ELR 462 se obţin curbele de variaţie în timp a temperaturii reglate (cu peniţa p1) şi de variaţie a mărimii xm' de la intrarea convertorului I/U (cu peniţa p2). Se studiază funcţionarea sistemului de reglare tripoziţională a temperaturii pentru diverse valori ale mărimilor de prescriere şi de perturbaţie. 4.4. Prelucrarea datelor experimentale - Se determină zona de insensibilitate (2Δθ) a regulatorului tripoziţional ELX 176, marcând pe diagrama înregistratorului ELR 462 valorile temperaturii în momentele basculării releelor; - Se determină valoarea ideală a temperaturii reglate (θei) din valorile (θei +Δθ) şi (θei - Δθ) marcate pe diagramă; - Se determină duratele de conectare (tc1) şi (tc2) şi duratele de deconectare (td1) şi (td2) precum şi durata ciclului de reglare tripoziţională (tcr); - Se determină infuenţa constantei de timp Tt a traductorului de temperatură utilizat fără teacă de protecţie sau cu teacă protectoare asupra temperaturii reglate; - Se vor face precizări privind performanţele reglării tripoziţionale cu acelaşi regulator funcţionând pe obiecte reglate diferite. 5. Reglarea tripoziţională cu reacţie de poziţie 5.1. Descrierea reglării tripoziţionale cu reacţie de poziţie Această modalitate de reglare a temperaturii se foloseşte în cazul unor instalaţii tehnologice mai pretenţioase, cu constante de timp şi timpi morţi mai mari, când, în vederea obţinerii unor efecte de reglare mai bune (în special eliminarea oscilaţiilor de temperatură), se asigură ca deplasările organului de execuţie să fie proporţionale cu mărimea de comandă sau cu abaterea, eventual şi cu integrala abaterii.

238

În acest scop se folosesc regulatoare specializate, cum ar fi 2RT 96, RTT-01, RTT-02 şi altele. Schema bloc a reglării temperaturii capătă în acest caz structura principială din figura 11.

Fig.11. Schema bloc a reglării tripoziţionale cu reacţie de poziţie

Pentru descrierea funcţionării unui sistem de reglare a temperaturii cu regulator tripoziţional cu reacţie de poziţie se prezintă, în figura 12, schema tehnologică detaliată a unei bucle specializate de reglare, în care sunt evidenţiate toate elementele componente.

Fig.12. Schema instalaţiei de RA a temperaturii

239

Asemenea bucle de reglare sunt utilizate pentru reglarea temperaturii unor instalaţii tehnologice ca: rame de termofixare, instalaţii de policondensare, instalaţii de uscare a diverselor materiale etc., din diverse industrii. Schema conţine elementele de bază din figura 11: procesul tehnologic (IT), elementul de execuţie EE (având un organ de acţionare OA de tip servomotor asincron bifazat reversibil şi un organ de execuţie OE de tip robinet de reglare RR şi prevăzut cu un potenţiometru de reacţie după poziţia OE) şi regulatorul tripoziţional (de ex. RTT-02). În ceea ce priveşte regulatorul tripoziţional RTT-02, acesta conţine următoarele elemente:

pP - potenţiometru de prescriere a mărimii de referinţă (valoarea dorită a temperaturii); 1 - amplificator de eroare, cu semnalul de ieşire εU , 2 - aparat indicator al abaterii de temperatură; 3 - circuit proporţional; 4 - circuit integrator, cu posibilitatea ajustării valorii timpului de integrare; 5 - circuit de reacţie după poziţia organului de execuţie, cu posibilitatea ajustării gradului de reacţie, deci a BP%; 6-circuit sumator, care furnizează la ieşire tensiunea rip UUUU −+=Σ ; 7 - circuit cu caracteristica statică de releu tripoziţional, având drept ieşiri contacte de relee; 8 - circuit de reacţie; 9 - sursa de alimentare. În legătură cu elementul de execuţie se precizează faptul că organul de acţionare OA, de tip servomotor asincron bifazat reversibil, se roteşte într-un sens sau altul după cum se închid contactele 8-7 sau 8-9, aflate în blocul 7. Pe axul de ieşire al reductorului organului de acţionare OA, deci pe axul de comandă al organului de execuţie OE, se află un traductor potenţiometric încadrat în blocul de reacţie 5 (bornele G, T, Y) (vezi figura 12, lucrarea 3). Traductorul de temperatură folosit este de tip termorezistenţă Pt 100, cu trei fire. În figura 13 se dă schema regulatorului RTT-01 iar în figura 14 se dă schema bloc corespunzătoare, care va uşura explicarea funcţionării buclei de reglare. Se constată imediat că, pe legătura directă a buclei de reglare, subansamblul încadrat cu linii întrerupte este de fapt un servomecanism neliniar, de tip releu, care realizează poziţionarea organului de execuţie în funcţie de evoluţia în timp a sumei ip UU + respectiv a erorii 2U .

240

Fig.13. Schema electrică a regulatorului RTT-01

241

Fig.14.Schema bloc a reglării tripoziţionale cu reacţie de poziţie

5.2. Chestiuni de studiat - Construcţia şi funcţionarea regulatoarelor specializate RTT şi 2RT 96, conectate cu un element de execuţie cu reacţie de poziţie, prin simularea abaterii prin intermediul unei cutii de rezistenţe decadice; - Funcţionarea buclelor de reglare a temperaturii cu regulatoarele RTT şi 2RT 96. 5.3. Modul de lucru - Se studiază schema electrică a panoului de automatizare aflat în laborator şi modul de încadrare a regulatorului RTT în această schemă prezentată în figura 15; - Se studiază schema electrică a elementului de execuţie din figura 16, pe funcţionarea BCR (bucla convenţională de reglare); - Se pregăteşte funcţionarea panoului de automatizare pe poziţia BCR, cu comutatorul b12 închis; b11 rămâne deschis; - Se studiază schema detaliată a regulatoarelor RTT şi 2RT 96; în fig.14 se prezintă schema regulatorului RTT-01, cu ieşire pe relee electromagnetice; regulatorul RTT-02 nu conţine relee electromecanice; - În locul traductorului Pt 100 se conectează o cutie de rezistenţe decadice (bornele A, B, pe placa PBEV); - Se echilibrează circuitul de măsurare cu ajutorul cutiei decadice pentru o anumită valoare a temperaturii prescrise de pe panoul frontal al regulatorului; - Tensiunea UΣ se conectează la intrarea unui înregistrator X - Y; - Se pune sub tensiune inscriptorul X - Y şi regulatorul;

242

Fig. 15. Schema electrică a panoului de automatizare

243

- Se realizează diverse abateri constante, pozitive şi negative şi se înregistrează evoluţia tensiunii UΣ; - Se vor face înregistrări şi pentru aceeaşi abatere dar diferite valori ale parametrilor ajustabili Ti şi BP%; - Se conectează regulatorul în bucla de reglare şi se urmăreşte procesul de reglare pentru diverse valori ale parametrilor de acordare Ti şi BP%, pentru variaţii în treaptă a referinţei şi perturbaţiei. 5.4. Prelucrarea datelor - Se explică funcţionarea regulatorului RTT-01, pe baza schemei bloc şi a schemei electrice din figura 14 desenând curbele de variaţie în timp ale tensiunii ΣU şi respectiv poziţiei axului organului de execuţie

)t(fU =Σ şi )t(f=ϕ în timpul procesului de reglare; - Se explică schema electrică a panoului de automatizare din fig.15; - Se explică funcţionarea elementului de execuţie din fig.16; - Se vor analiza şi comenta curbele de variaţie ale tensiunii ΣU înregistrate cu ajutorul înregistratorului X - Y; - Se prelucrează curbele experimental obţinute cu ajutorul înregistratorului ELR 462, de pe panoul de automatizare, în sensul precizării performanţelor dinamice şi staţionare; - Se fac comentarii în legătură cu influenţa parametrilor de acord asupra comportării dinamice şi staţionare a buclei de reglare studiate. 6. Reglarea temperaturii cu regulatoare unificate cu acţiune continuă 6.1. Descrierea reglării continue a temperaturii În cazul instalaţiilor tehnologice (obiecte reglate) mai pretenţioase, când se cer eliminate oscilaţiile şi se cer realizate performanţe superioare, se foloseşte reglarea cu regulatoare cu acţiune continuu cu legi de reglare P, PI sau PID. În prezent, în acest scop se folosesc regulatoarele ELC 113 şi ELC 1134 (studiate în lucrarea 7).

244

Fig. 16. Schema electrică a elementului de execuţie

245

Schema bloc a reglării, după principiul abaterii, capătă aspectul din figura 17. După cum se poate constata, în afara regulatorului unificat şi a obiectului reglat, mai sunt necesare un element de execuţie (EE), un traductor (compus din element sensibil şi adaptor) şi un aparat auxiliar pentru înregistrarea în timp a temperaturii.

Fig. 17. Schema bloc a reglării temperaturii cu regulatoarele ELC-113 sau ELC-1134

6.2. Chestiuni de studiat - Realizarea şi funcţionarea reglării temperaturii cu regulatoare cu acţiune continuu; - Studiul influenţei parametrilor de acord (BP%, Ti, Td) şi a circuitului de măsurare asupra performanţelor realizate. 6.3. Modul de lucru 6.3.1. Cu ajutorul standului din laborator, cu schema principală prezentată în figura 18, se realizează o buclă de reglare, conform figurii 17, utilizând regulatorul ELC 113 şi traductorul Pt 100 fără teacă protectoare. Ca obiecte reglate se vor utiliza succesiv: bateria de încălzire (descrisă şi studiată conform paragrafului 2.4 de la lucrarea 2), cuptorul electric cu becuri infraroşii şi cuptorul electric cu rezistenţă (descrise şi studiate conform paragrafului 2.5 de la lucrarea 2), pentru care au fost deja deduse modelele matematice sub forma funcţiilor de transfer.

246

Fig. 18. Panoul de automatizare cu regulatoare continue Drept element de execuţie se foloseşte convertorul cc/ca, care primind semnalul unificat 2 - 10 mA realizează comanda unor tiristoare montate antiparalel, deci, realizează variaţia curentului de încălzire alternativ ce trece prin elementele de încălzire respective. Înainte de închiderea buclei de reglare se vor ridica experimental caracteristicile statice ale subansamblului convertor cc/ca-obiect reglat OR, trasând dependenţa curentului de încălzire în funcţie de curentul unificat de intrare, )i(fI u~ = , pentru fiecare obiect reglat. În acest scop, la intrarea convertorului cc/ca se conectează sursa de curent unificat ELZ-101, iar datele se trec într-un tabel. Schema de reglare se va realiza astfel încât pe o peniţă a înregistratorului se conectează parametrul reglat iar pe cealaltă peniţă mărimea de comandă. În acest fel se obţin înregistrările simultane ale acestor mărimi. Se prescrie o referinţă, se pune regulatorul pe comanda manuală şi se pune instalaţia sub tensiune. Se echilibrează regulatorul şi apoi se trece pe automat. Având-se în vedere modelul matematic cunoscut al obiectului reglat OR se fixează diverse valori ale parametrilor de acord şi se studiază efectul acestora asupra performanţelor buclei de reglare a temperaturii la variaţia referinţei şi la variaţia perturbaţiei. 6.3.2. Se repetă cele de mai sus, utilizând regulatorul ELC 1134.

247

6.3.3. Se repetă toate operaţiile folosind un traductor cu teacă protectoare. 6.4. Prelucrarea datelor experimentale - Se trasează şi se comentează caracteristicile statice )i(fI u~ = obţinute; - Se determină performanţele dinamice obţinute pentru acelaşi obiect reglat dar cu diverse legi de reglare şi cu circuite de măsurare cu diverse inerţii; - Se fac comparaţii între performanţele ce se obţin cu aceleaşi legi de reglare, aceleaşi circuite de măsurare, dar cu obiecte reglate diferite. - Se fac observaţii asupra efectelor de reglare în comparaţie cu reglarea bipoziţională şi tripoziţională. 7. Implementarea unor legi de reglare convenţionale pe calculatoare 7.1. Instalaţia folosită 7.1.1. Hardware-ul realizat Instalaţia, pe care se poate studia implementarea legilor de reglare convenţionale pe calculatoare IBM-PC (pentru reglare bipoziţională şi tripoziţională şi a legilor P, PI, PID), a fost deja utilizată, în cadrul încercărilor experimentale de la punctul 5 şi prezentată în figura 15 (unde se dă panoul de automatizare pe care se pot studia bucle convenţionale de reglare, cu comutatorul b12 pe poziţia BCR) şi figura 16 (cu schema electrică desfăşurată a elementului de execuţie, cu comutatorul b12 pe poziţia BCR). În vederea utilizării acestor echipamente pentru implementarea legilor de reglare convenţionale pe calculatoare IBM-PC, instalaţia iniţială a fost completată cu comutatorul b12, care permite trecerea instalaţiei de pe funcţionare cu bucle convenţionale de reglare (BCR) pe funcţionarea in regim de conducere numerică directă cu calculator (CND) şi cu două convertoare de domeniu CD1 şi CD2 (realizate special în acest scop) şi care permit cuplarea procesului (bateria de încălzire, cuptor electric etc.) la un calculator IBM-PC.

248

Conform schemei prezentate în figura 15 procesul conţine, pe lângă bateria de încălzire BI (sau un cuptor electric), dispozitivul de comandă pe grilă (DCG) şi traductorul de temperatură Pt100 (cu două secţiuni). O secţiune a traductorului de temperatură Pt100 este conectată la un înregistrator electronic (I) aflat pe panoul frontal al panoului de automatizare prin intermediul unui adaptor de semnal ELT 160 (A). Cealaltă secţiune a traductorului de temperatură Pt100 este utilizată în cazul funcţionării instalaţiei cu bucle convenţionale de reglare a temperaturii (BCR). Între adaptorul de semnal ELT 160 (A) şi înregistratorul electronic (I) circulă semnalul unificat în gama 2...10 mA c.c., strict proporţional cu temperatura măsurată în obiectul reglat. Acest curent unificat trece printr-o rezistenţă calibrată de 1000 Ω (convertorul de domeniu CD1), conectată în serie între adaptorul de semnal ELT 160 (A) şi înregistratorul electronic (I). Convertorul de domeniu CD1 transformă semnalul unificat din gama 2...10 mA c.c. într-un semnal de tensiune în gama 2...10 V c.c., ce reprezintă semnalul ce este achiziţionat de către calculator, în vederea prelucrării şi elaborării de comenzi de execuţie. Dispozitivul de comandă pe grilă DCG necesită la intrările 3, 4 o tensiune continuă ce poate varia în limitele 0V ... -18V. Pentru semnalul de intrare de -18V tiristoarele 1Th şi 2Th , montate antiparalel, sunt blocate, şi curentul de încălzire este zero, iar pentru semnalul de intrare 0V tiristoarele 1Th şi 2Th sunt complet deschise, rezultând curentul maxim de încălzire. Achiziţia, prelucrarea şi prezentarea de date, respectiv comanda procesului, se poate realiza utilizând un calculator PC dotat cu o placă de achiziţie Lab-PC+, un cablu conector CB-50 şi software-ul LabVIEW necesar pentru rularea programului. Placa de achiziţie utilizată Lab-PC+ are, pe lângă alte facilităţi, 8 intrări analogice "single ended" pentru semnale de tensiune in gama (0 ... 10V) şi două ieşiri analogice configurate ca ieşiri unipolare (0 ... 10V). Polaritatea pozitivă a intrărilor analogice se aplică la bornele 1...8 (ACH 0 ... ACH 7), iar minusul comun se leagă la borna 9 (AIGND). Ieşirile analogice se obţin de la bornele 10 şi 12 (DAC 0 OUT, DAC 1 OUT), faţă de borna 11 (AGND).

249

În concluzie, convertorul CD1 transformă, prin intermediul unui rezistor calibrat de 1KΩ, semnalul 2 ... 10 mA, obţinut de la adaptor, în tensiune continuă cu plaja de variaţie de 2 ... 10 V. Ca urmare rezultă, pe intrarea plăcii de achiziţie, o tensiune de intrare între limitele 2 ... 10 V, ca mărime măsurată, care se va compara în calculator, după convertirea în semnal numeric, cu mărimea de referinţă. Apoi, ţinând seama de plaja de variaţie 0 ... 10 V a tensiunii obţinute de la ieşirea analogică a plăcii de achiziţie LabPC+, rezultă necesitatea ca CD2 să realizeze conversia acestui domeniu 0 ... 10V în domeniul -18V... 0V. Această conversie s-a realizat cu un circuit integrat βA741. Funcţionarea in regim de conducere numerică directă cu calculator (CND) a standului este semnalizată prin aprinderea unui LED în dreptul comutatoarelor 11b şi 12b . 7.1.2. Software-ul folosit În scopul achiziţiei, prelucrării şi prezentării de date culese din procesul termic studiat, respectiv reglarea temperaturii, se utilizează un program scris în mediul de dezvoltare LabVIEW. LabVIEW este un software, puternic şi flexibil, pentru instrumentaţie, analiză, prezentare şi conducere cu ajutorul calculatoarelor, fiind inventat de firma Naţional Instruments. Plecând de la natura secvenţială a limbajelor de programare tradiţionale, LabVIEW a rezultat ca un mediu de programare grafic (vizual), conţinând instrumente necesare pentru a rezolva toate problemele de achiziţie, prelucrare şi prezentare de date. Aplicaţiile scrise în acest mediu au fost denumite instrumente virtuale (IV) (Virtual Instruments). Prin instrument virtual se înţelege reproducerea fidelă a comportamentului unor instrumente reale cu ajutorul calculatorului, obţinându-se în plus o flexibilitate ridicată prin adăugarea de software corespunzător. Un instrument virtual IV se compune dintr-un panou frontal PF (Front Panel), care reprezintă interfaţa cu utilizatorul şi o diagramă bloc DB (Block Diagram), care reprezintă de fapt programul propriu-zis. LabVIEW este în acelaşi timp un editor, un compilator şi un sistem de operare de execuţie (run time operating system).

250

Lansarea în lucru a unei aplicaţii, creată în LabVIEW, se poate face prin alegerea instrumentului respectiv din bibliotecile LabVIEW. În mod automat, pe ecranul monitorului apare panoul frontal PF al aplicaţiei respective. Panoul frontal este creat pentru a asigura realizarea de operaţii interactive de introducere de date, fixarea unor intrări, vizualizarea unor ieşiri, selectarea de modalităţi de lucru etc., având aspectul panoului frontal al unui instrument real (osciloscop, multimetru) sau panou de automatizare cu comutatoare, butoane, înregistratoare, scheme tehnologice etc. În spatele panoului frontal PF se află diagrama bloc DB, la care se poate ajunge prin selectarea opţiunii Windows/Block Diagram, reprezentând de fapt programul aplicaţiei respective. Diagrama bloc se cere privită ca un cod sursă (sourse code) conţinând instrumente de nivel inferior ca bucle For, bucle While, funcţii aritmetice, trigonometrice, structuri de selecţie (case structure), generare de semnale, procesare de semnale, calcule statistice şi multe altele. Aceste elemente, numite şi noduri sunt "legate" (wired) între ele pentru a permite circulaţia "fluxului de date" (flow of data). Un nod se compune dintr-o reprezentare grafică (numită icoană) şi nişte terminale, cu ajutorul cărora se fac legăturile între diverse noduri şi alte subansamble ale programului. Fiecare dintre ferestre conţine bara de titlu, bara de meniu derulant (asemănător cu cel de la Windows), o paletă de butoane (Panel Palette) pentru manipularea instrumentului virtual IV, o zonă de lucru şi icoana. În figura 19 sunt prezentate cele două ferestre pentru panoul frontal PF şi diagrama bloc DB. Cele două bare de meniu derulante de pe PF şi DB sunt identice, cu deosebirea unui singur meniu: - în cazul PF există un meniu numit "controls", care permite alegerea aparaturii pentru acest panou: comutatoare cu pârghii (knobs), cu translaţie (switches), butoane diverse (butons), diagrame (charts), grafice (graphs), led-uri, indicatoare analogice şi numerice şi multe altele; - în cazul DB în locul acestui meniu apare un meniu nou, numit "functions", care permite de fapt configurarea unor programe foarte complexe prin alegerea unor structuri de prelucrare a datelor (bucla For, bucla While, structuri de caz), efectuarea de operaţii aritmetice, trigonometrice şi de comparaţie, conversii de date, operaţii cu şiruri de caractere, matrici sau tablouri de date, operaţii intrare/ieşire, tratarea timpului, a erorilor, analiză de date, statistică etc.

251

Fig. 19 Ferestre de lucru Puterea limbajului grafic de programare LabVIEW constă tocmai în bogăţia extraordinară a acestor două meniuri şi în posibilităţile de a selecta şi de a utiliza cu eficienţă maximă, după dorinţa şi necesităţile utilizatorului, elementele componente ale acestora, în vederea dezvoltării unei anumite aplicaţii, prin intermediul butoanelor din Panel Palette. Mai mult, acest limbaj de programare este accesibil chiar şi acelora care nu cunosc nici un limbaj de programare. 7.2. Chestiuni de studiat

- Manipularea instrumentului virtual IV creat în mediul LabVIEW; - O modalitate de implementare a legilor de reglare convenţionale pe

calculatoare compatibile IBM-PC; - Facilităţi de modificare a programului; - Funcţionarea unor bucle de reglare a temperaturii; - Influenţa parametrilor de acord şi a legilor de reglare folosite asupra

performanţelor reglării temperaturii.

252

7.3. Modul de lucru În laborator se realizează sistemul de reglare a temperaturii cu ajutorul instalaţiei din laborator (figura 15) la care se conectează un calculator PC, prin intermediul unui cablu conector CB-50. Semnalul de măsură în tensiune de la convertorul CD1 se aplică pe canalul 0 (ACH 0) de intrare al plăcii de aciziţie LabPC+, între bornele 9 (AIGND - minusul) şi 1 (ACH 0 - plusul), iar semnalul de ieşire analogic al plăcii de aciziţie LabPC+, tensiune în gama 0 ... 10V, se obţine de la bornele 11 (Analog Ground - minusul) şi 10 (DAC0 OUT - plusul) şi se aplică la intrarea convertorului CD2. Se studiază schemele din figura 15, pe modul de lucru conducere numerică directă cu calculator CND a comutatorului b12. Apoi se porneşte calculatorul şi din Windows se selectează mediul de dezvoltare LabVIEW. Din meniul File se selectează Open şi apoi prin intermediul casetei de dialog care apare se selectează instrumentul virtual creat în scopul lucrării "Achiziţie de date şi reglare.VI". Se studiază panoul frontal (PF) din figura 20.a şi diagrama bloc (DB) din figura 20.b. Se recunosc elementele componente şi rolul acestora. Se urmăreşte în DB modul cum s-a rezolvat achiziţia de date, prelucrarea de date şi comanda procesului. În acest scop se vor folosi facilităţile "On-line Help". Apoi se selectează pe PF placa de achiziţie, canalul de intrare citit, canalul de ieşire activat, se prescrie referinţa dorită, valoarea constantei Δ şi perioada de eşantionare. Se pune sub tensiune panoul de automatizare şi se porneşte programul prin apăsarea butonului Power de pe panoul frontal PF (figura 20.a) şi apoi a butonului Start din bara de comenzi a PF. Se urmăresc evoluţiile parametrilor: referinţa, temperatura reglată şi mărimea de comandă pe fereastra înregistratoare cu defilare (derulare). Se urmăreşte comportarea sistemului la variaţia referinţei, perturbaţiei (închiderea sau deschiderea clapetei din BI, modificarea vitezei ventilatorului) şi pentru diverse valori ale parametrilor de acord ai regulatorului.

253

a.

b.

Fig.20. Panoul frontal (a) şi diagrama bloc (b)

254

7.4. Prelucrarea şi prezentarea datelor experimentale Datele experimentale obţinute se salvează într-un fişier de date, a cărui denumire este aleasă de studenţi. Curba experimentală a temperaturii reglate, obţinută sub formă de grafic în panoul frontal al aplicaţiei, se va salva sub formă de imagine cu extensia .bmp a cărui denumire va fi aleasă de studenţi. Pe baza datelor experimentale şi a curbei temperaturii reglate se vor determina performanţele obţinute şi se trag concluzii în legătură cu influenţa parametrilor de acord asupra acestora. De asemenea, se trag concluzii în legătura cu facilităţile oferite de conducerea cu calculator a unor procese folosind medii de dezvoltare dedicate. In final, se vor face aprecieri asupra caracteristicilor principale ale diverselor metode de reglare a temperaturii studiate. 8. Reglarea temperaturii cu regulatorul unificat cu ieşire discontinuă SIPART DR20

8.1. Scopul lucrării constă în studiul experimental al influenţei

parametrilor de acord ai legilor de reglare implementate cu regulatorul SIPART DR20, asupra comportării staţionare şi dinamice ale unor bucle de reglare a temperaturii pentru diverse obiecte reglate: cuptor electric cu rezistoare, baterie de încălzire, cuptor cu becuri infraroşii etc.

8.2. Principiul de reglare şi schema adoptată. Regulatorul unificat SIPART DR20, studiat în lucrarea 7, are

mărimea de ieşire discontinuă prin intermediul contactelor a două relee. Acţionarea celor două relee se obţine prin intermediul unei

caracteristici de tip regulator tripoziţional, iar prin contactele celor două relee de ieşire se obţin trei valori ale mărimii de comandă (vezi lucrarea 6). Regulatorul unificat, tripoziţional SIPART DR20 realizează o lege de reglare PID. Pentru obţinerea unei legi de reglare PID cu un regulator tripoziţional cu ieşire discontinuă sunt necesare două condiţii (vezi figura 15, lucrarea 7):

255

1. Elementul de execuţie (EE) al sistemului de reglare trebuie să fie echipat cu un organ de acţionare (OA) de tip servomotor reversibil; 2. Regulatorul tripoziţional trebuie să furnizeze mărimea de comandă discontinuă cx sub forma unor impulsuri, a căror durată de anclanşare at şi durată de deconectare dt sunt dependente de valoarea şi semnul mărimii de eroare ε şi de valorile parametrilor legii de reglare PID: factorul de proporţionalitate pk , timpul de integrare iT şi timpul de derivare

dT . Organul de acţionare (OA) de tip servomotor reversibil va porni pe durata de anclanşare at şi se va opri pe durata de deconectare dt , funcţionând, la viteză constantă, sub forma unor paşi în trepte.

Legea de reglare PID se obţine la ieşirea elementului de execuţie (EE) prin forma mărimii de execuţie mx care este aplicată la intrarea procesului reglat (instalaţia tehnologică - IT). Dacă procesul reglat este un cuptor electric, atunci influenţa perturbaţiilor este relativ redusă, ele fiind constituite, în special, de pierderile de căldură spre exterior, prin zidăria cuptorului. Ca urmare, se poate adopta în acest caz, principiul de reglare după abatere cu referinţă constantă (sistemul este de stabilizare automată).

Schema principială a sistemului de reglare a temperaturii cuptorului electric este reprezentată în figura 21.

Fig. 21 Schema bloc a sistemului de reglare a temperaturii Regulatorul unificat SIPART are mărimea de referinţă internă şi acceptă la intrarea analogică de măsură un semnal de curent unificat în gama 4 ... 20 mA. Mărimea de reacţie (mărimea măsurată) my , sub forma de curent, se obţine de la un traductor de temperatură cu semnal unificat (T), format dintr-un element sensibil de tip termocuplu K (Cromel-Alumel), care

R EE IT

T

r +

- ym

ε xc xm y

256

măsoară temperatura în domeniul 0oC - 1000oC, şi un adaptor de semnal de tip AT 2F-16 (vezi lucrarea 3).

Elementul de execuţie (EE), în cazul instalaţiei din laborator, este compus dintr-un servomotor de curent alternativ bifazat reversibil (cu rol de organ de acţionare -OA), care face parte dintr-un bloc de referinţă cu motor – BRM (vezi lucrarea 9), un dispozitiv de comandă pe grilă (DCG) şi două tiristoare montate anti-paralel.

Prin comanda corespunzătoare a tiristoarelor montate anti-paralel se realizează modificarea valorii efective a curentului alternativ care parcurge elementele de încălzire din obiectul reglat (cuptor, bateria de încălzire etc.).

Subansamblul DCG – tiristoare montate anti-paralel, constituie un variator de tensiune/curent alternativ monofazat şi joacă rolul organului de execuţie (OE), în cadrul buclei de reglare. Ca urmare, schema bloc a sistemului de reglare a temperaturii cuptorului capătă aspectul din figura 22.

Fig. 22 Schema bloc detaliată a sistemului de reglare a temperaturii

Variatoarele de curent alternativ permit modificarea valorii medii a curentului/tensiuni de ieşire, frecvenţa tensiuni de ieşire fiind aceeaşi cu a tensiunii de alimentare. Ele pot fi realizate cu tiristoare, triacuri şi fototiristoare, deosebindu-se variatoare de curent alternativ monofazate şi trifazate. Schema principială, respectiv formele tensiunilor şi curenţilor, în cazul unui variator de curent/tensiune monofazat, sunt prezentate în figura 23.

Tensiunea de intrare, sinusoidală ( 1U ), se aplică pe bornele sarcinii (R, L – 2U ), prin intermediul a două tiristoare montate antiparalel ( 1T şi

2T ). Dispozitivul de comandă DCG, trebuie să permită modificarea unghiului de comandă α în intervalul 0 ... π.

R DCG IT

ES

r

ym

xc xm y Motor

x'c

AS

257

Fig. 23 Variator de curent alternativ monofazat

În cazul unei sarcini pur rezistive, tiristorul 1T intră în conducţie în

momentul primirii impulsului de comandă (1), momentul de timp α, şi se se blochează, în momentul trecerii curentului prin zero.

La sosirea următorului impuls de comandă (2), momentul de timp α+π, faza tensiunii de alimentare fiind inversată, intră în conducţie cel de al doilea tiristor 2T , care se blochează în momentul trecerii prin zero a curentului. Următorul impuls de comandă (1) soseşte în momentul α+2π şi provoacă intrarea în conducţie (din nou) a primului tiristor 1T şi aşa mai departe.

Prin urmare, la alimentarea sarcinii, din figura 3, printr-un variator de curent alternativ monofazat, comandat simetric (acelaşi unghi de comandă a tiristoarelor), circuitul este parcurs de impulsuri de curent pozitive şi negative, a căror formă de variaţie este identică.

Dacă la funcţionarea simetrică a variatorului de curent alternativ monofazat se modifică unghiul de comandă α a tiristoarelor, are loc modificarea valorii medii a tensiunii şi curentului şi deci, a puterii medii transmise sarcinii.

Modificarea progresivă a unghiului de comandă a variatoarelor de curent alternativ monofazat, în scopul modificării puterii medii transmise sarcinii, poartă denumirea de comandă progresivă sau cu control de fază.

DCG

U1 ~

U2

R

L

T1

T2

U1

U2 i

t

α

α+πα+2π

(1) (1) (2) t

258

Variatorul de curent alternativ monofazat, din prezenta lucrare, s-a construit cu tiristori de tipul T50 10-112, montaţi fiecare pe câte un radiator de aluminiu. Cele două radiatoare sunt fixate pe un suport comun de textolit. Dispozitivul de comandă pe grilă DCG a fost realizat cu un circuit integrat βAA 145. Circuitul βAA 145 este destinat aproape exclusiv comenzii în fază a aprinderii tiristoarelor (triacelor). Complexitatea crescândă a circuitelor de comandă a tiristoarelor a făcut ca realizarea lor monolitică să fie foarte atractivă, după cum o dovedeşte şi numărul mare de circuite integrate destinate comenzii tiristoarelor şi triacelor. Circuitul βAA 145 este folosit în aplicaţii care necesită comanda tiristoarelor şi triacelor, putând fi sincronizat direct cu reţeaua de curent alternativ (240V, 50Hz). Circuitul βAA 145 este declanşat de trecerea prin zero a semnalului de intrare conform diagramei reprezentate în figura 24.

Fig. 24 Diagramă explicativă pentru funcţionarea circuitului βAA 145

Momentul trecerii prin zero a tensiunii de sincronizare csinV este

timp de conducţie corespunzător unghiului ϕ de conducţie

t

timp de aprindere corespunzător unghiului de comandă α

t

t

tp

tp

t1 t2

t0

Vsinc

+0V

−0V

τp

259

“memorat” de circuit şi luat ca reper de timp 0t , faţă de care se generează

impulsul +0V dacă csinV variază în domeniul tensiunilor pozitive sau +

0V şi −

0V când csinV traversează nivelul de 0V variind în ambele domenii (pozitiv şi negativ) de tensiune.

Circuitul odată declanşat este neinfluenţat de variaţia ulterioară a semnalului csinV atâta vreme cât acesta nu trece din nou prin zero.

Impulsurile +0V şi −

0V sunt caracterizate de aceeaşi parametri pτ şi pt asiguraţi printr-un reglaj iniţial în cadrul condiţiilor de funcţionare.

Schema electrică pentru comanda unui variator de curent alternativ monofazat cu circuitul βAA 145 este prezentată în figura 25.

Fig. 25 Schema electrică pentru utilizarea circuitului βAA 145 la

comanda unui variator de curent alternativ monofazat Schema bloc a circuitului βAA 145 este reprezentată în figura 26.

βAA 145 16 15 14 13 11 10 9

1 2 3 13 6 7 8

47 n

470 +15V -15V

1k5

820

5k6

250k

820

+15V-15V

220

8k2

~220V 50 Hz

V8

Comanda

250k 10k7

10 14

260

Fig. 26 Schema bloc a circuitului βAA 145

Detector de nul

Generator de rampă Monostabil Bloc

logic

Etaj de ieşire

Etaj de ieşire

9

13

16

15

Comparator +

-

7

2 11

14

10

1 3 6

V+

-8

V+

V+

V+

V+

V+

8V

DZ

220V

V- V-

-8 -8

K

Com

andă

e2Pe

6Re3C

e1R

+8V

e2R

e9R e

4Re5R

e2C

e1P

2×DZ

e1C

8

261

Circuitul βAA 145 se compune dintr-un bloc de sincronizare, un detector de nul, un generator de rampă de tensiune, un comparator, un monostabil cu rol de memorie, un bloc logic şi două etaje de ieşire.

Detectorul de nul sesizează trecerile prin zero ale tensiunii de sincronizare limitând totodată semnalul pe terminalul 9 la BEV± .

La fiecare trecere prin zero detectorul generează pe terminalul 16 impulsuri cu amplitudinea de +8V.

Generatorul de rampă generează pe terminalul 7 o rampă de tensiune. Rampa de tensiune de pe terminalul 7 se aplică intern, pe intrarea neinversoare a comparatorului.

Comparatorul, alimentat între +V+ şi –8V are pe intrarea neinversoare semnalul triunghiular al generatorului de rampă iar pe intrarea inversoare (borna 8) tensiunea de comandă şi reglaj a unghiului de conducţie (între –5V şi 18V). Rampa de tensiune este descrescătoare şi deci atâta timp cât 87 VV > comparatorul nu este basculat şi monostabilul rămâne în starea de aşteptare. Această stare a început în momentul ultimei treceri prin 0 (zero) a tensiunii de sincronizare csinV . Intervalul de timp, în care deşi există semialternanţă pozitivă sau negativă a tensiunii, tiristorul nu conduce corespunde unghiului α de aprindere, complementar în raport cu semialternanţa care durează 10ms a unghiului ϕ de conducţie (frecvenţa

csinV este 50Hz). În momentul în care tensiunea 7V devine egală cu tensiunea 8V , comparatorul îşi schimbă starea şi monostabilul comută.

Monostabilul are în primul rând rolul de a fixa durata impulsului de aprindere prin constanta de timp a grupului e

3C , e2P , e

6R . Monostabilul este declanşat de bascularea comparatorului. Saltul negativ care apare pe terminalul 2 trece spre terminalul 11

comandând blocul logic de ieşire. Acesta este momentul apariţiei la ieşire a impulsului de aprindere (pe terminalul 14 sau 10). Blocul logic şi etajele de ieşire au rolul de a distribui impulsul negativ furnizat de monostabil către ieşirea 14 (corespunzător semialternanţei pozitive a semnalului de sincronizare) sau către ieşirea 10 (corespunzător semialternanţei negative). Dacă există semnal (impuls) pe una din ieşiri, pe cealaltă ieşire tensiunea este nulă. Ieşirile fiind de tip colector în gol, apariţia impulsurilor de aprindere este posibilă numai prin

262

legarea unor rezistenţe R e7 şi R e

8 la o tensiune pozitivă mai mare de +8V (de obicei aceasta este chiar tensiunea de alimentare pozitivă V+). Dispozitivul de comandă pe grilă conceput cu circuitul integrat βAA 145 a fost construit după o schemă de aplicaţie tipică, din literatura de specialitate. Datorită utilizării a două tiristoare de putere, ieşirile 10 şi 14 ale circuitului integrat βAA 145 sunt aplicate pe grila tiristoarelor prin intermediul unui circuit de amplificare şi separare galvanică, cu transformatoare de semnal. Schema electrică rezultată este dată în figura 27.

Fig. 27 Schema electrică a circuitului de amplificare şi separare galvanică

pentru tensiunile de comandă a tiristoarelor de putere Pentru modificarea unghiului de comandă α, între limitele 0 - π, la intrarea dispozitivului de comandă pe grilă DCG se cere aplicată, pentru instalaţia experimentală din laborator, o tensiune de comandă între limitele 0 – 7 Vcc. Această tensiune de comandă se obţine la ieşirea organului de acţionare cu servomotor electric (blocul de referinţă cu motor BRM menţionat mai sus). Pentru adaptarea BRM-ului la schema de reglare, s-au operat unele modificări în structura acestuia; în scopul obţinerii tensiunii de 0 - 7Vcc necesară pentru comanda DCG-ului. Rezistorul variabil R, al cărui cursor

1N4148 220

120 10n

BC171

1k5

2N1711 120

1N4002

1N4002

1N4148 220

120 10n

BC171

1k5 2N1711

120

PL5V1

1N4002 120

12

11

Comanda tiristorului 2

120

10

9

Comanda tiristorului 1

14

10

+24V

1N4002

263

este acţionat de către servomotor, a fost deconectat din puntea iniţială şi alimentat separat de la o sursă stabilizată de tensiune de 7,5V, conform schemei electrice prezentate în figura 28.

Fig. 28 Schema electrică de modificare a BRM pentru comanda DCG

La nivelul compartimentului pentru conexiuni s-au renunţat la ieşirile C3 şi C4 pe care s-a scos tensiunea culeasă de pe rezistorul R (între borna “-” şi cursor). Astfel, rezultă la ieşirea BRM-ului, pe bornele 3C şi 4C , tensiunea de comandă necesară dispozitivului de comandă pe grilă DCG. Rezistenţa variabilă R a BRM-ului este de 750Ω.

8.3. Modul de lucru în laborator

8.3.1. Realizarea buclei de reglare

În laborator, se va realiza o buclă de reglare a temperaturii, cu ajutorul unui panou de automatizare, care conţine toate modulele necesare.

In acest scop se va studia, cu atenţie, schema panoului de automatizare din laborator. În vederea realizării buclei de reglare se vor folosi următoarele aparate, din structura panoului de automatizare:

- Regulator SIPART DR 20; - Bloc de referinţă cu motor BRM; - Dispozitiv de comandă pe grilă DCG; - Blocul tiristoarelor montate antiparalel; - Traductor de temperatură, pentru domeniul 0...1000 oC, compus din:

- element sensibil ES, termocuplu Cromel – Alumel; - adaptor de semnal AS, AT2F-17, alimentat de la sursa internă a regulatorului;

- Traductor de curent alternativ, 0 – 10 A, compus din:

~220V 50Hz

R1 R2

C DZ

R C3

C4

(+)

(-)

(la DCG)

264

- adaptor de curent alternativ ATC – 15; - sursa de alimentare pentru adaptor, AT2F-22;

- Înregistrator cu două peniţe, ELR-46. Drept obiect reglat se pot folosi:

- cuptor electric cu rezistoare (din dotarea panoului de automatizare); - baterie de încălzire; - cuptor cu becuri infraroşii.

Schema de conexiuni a buclei de reglare a temperaturii, realizabilă

cu echipamentul de automatizare mai sus menţionat, este prezentată în figura 29.

În vederea realizării schemei de reglare, deci în vederea interconectării corespunzătoare a modulelor componente, comutatoarele K1 şi K2, de pe panoul de automatizare, se vor poziţiona astfel: K1 pe poziţia “Bucla reglare SIPART” (contactele regulatorului comandă direct BRM-ul), iar K2 pe poziţia “Bucla SIPART” (peniţa superioară a înregistratorului indică şi înregistrează valoarea curentului din obiectul reglat).

Dacă obiectul reglat este o baterie de încălzire, atunci, alimentarea rezistoarelor de încălzire se conectează la bornele 7 – 8, iar motorul ventilatorului la bornele 3 – 4 ale panoului de automatizare.

Când se utilizează, drept obiect reglat cuptorul cu rezistoare sau cu becuri infraroşii, atunci, deoarece nu se mai foloseşte ventilatorul, apare necesitatea şuntării bornelor 5 – 6, cu un cablu corespunzător; obiectul comandat se conectează tot la bornele 7 – 8.

Conectând bornele superioare 11 – 12, ale panoului de automatizare,

la intrarea unui înregistrator X – Y, se poate urmări modul în care regulatorul intervine în procesul de reglare.

265

Fig. 29 Schema de conexiuni a buclei de reglare a temperaturii cu regulatorul SIPART DR20

K2

e5

b3 e7

T1 T2

U Vg1 g21 2

1516

DCG

g1 g2 1 2

U V

-+ST2F-22

-+

C4

C3 U VBRM

HCL

18 9

BS BC

N LSIPART

+ + -

U VELR-46

+-

+-Cromel-Alumel

+ AT2F-17 + -

ATC-15 De la bucla

CAPAZ

++

Traductor temperatură

Comandă manuală

BRM 7 8

Bloc tiristoare antiparalel

e6

b0

NF

La obiecte reglate

1

--

266

8.3.2. Pregătirea regulatorului SIPART Structurarea (vezi lucrarea 7): Avându-se în vedere tipul şi structura regulatorului SIPART din

laborator, în scopul structurării comutatoarele S1 – S48 se poziţionează astfel:

S1 = 0; S2 = 2; S3 = 0; S4 = 1; S5 – S7 nu intră în discuţie, deci = 0; S8 = 0; S9 – S10 nu intră în discuţie, deci = 0; S11 = 1; S12 – S14 nu intră în discuţie, deci = 0; S17, S18 = 0; S19 = 1; S20, S21 = 0; S22 = 1; S23 = 0; S24 = 1; S25 = 0; S26, S27, S28 = 0, acestea se vor putea modifica în laborator; S29, S30, S31 = 0; S32, S33 = 0; S34 – SS38 nu intră în discuţie, deci = 0; S39, S40 = 10, acestea se vor putea modifica în laborator; S41 = 0; S42 – S48 nu intră în discuţie, deci = 0. Operaţia de structurare se realizează pe baza indicaţiilor din

lucrarea 7, cu posibilităţi de modificare a poziţiei comutatoarelor marcate, care exercită influenţă asupra comportării regulatorului, deci asupra comportării buclei de reglare.

Parametrizarea (vezi lucrarea 7): În vederea parametrizării regulatorului SIPART, se vor avea în

vedere procedurile studiate în cadrul efectuării lucrării 7 (vezi şi tabelul 1 de la pag. 150).

Parametrii referitori la domeniul de indicaţie (“LA” = 0, “L1 – L7” = 0, “LE” = 100, referinţă (“SA” = 0, “SE” = 100, “SH” = 0), limite (“A2” = ,”A1” = ), mărimea de comandă (“yA” = 0, “yE” = 100, “yS” = 0) şi constantele (“c1” = 0, “c2” = 0) rămân nemodificaţi.

267

În vederea studiului efectului de reglare, se vor putea modifica parametrii care caracterizează comportarea regulatorului:

Vv = “uu” –câştig acţiunea derivativă; Kp = “cP” –câştig proporţional; Tn = “tn” –timp de integrare; Tv = “tu” –timp de acţiune derivativă; TF = “tF” –constanta de timp a filtrului; Tw = “ts” –rampa referinţei; Ty = “ty” –timpul poziţionării organului de execuţie. Operaţia de parametrizare se va realiza după indicaţiile

conducătorului lucrării, cu privire la valorile parametrilor de ajustat. De asemenea, se va fixa o valoare a referinţei după indicaţiile

conducătorului lucrării. 8.3.3. Efectuarea încercărilor experimentale După efectuarea tuturor operaţiilor mai sus menţionate, se va trece la

punerea în funcţiune a buclei de reglare, pentru o structură adoptată şi pentru parametrii selectaţi.

Punerea în funcţiune a sistemului de reglare a temperaturii, conform schemei electrice prezentate în figura 29, se realizează în următoarea succesiune :

- se pune sub tensiune şi se pregăteşte înregistratorul X – Y (dacă se indică necesitatea utilizării); - comutatorul de pornire a BRM-ului, de pe panoul frontal al acestuia, se comută pe “pornit”; - se cuplează comutatorul bo; - se cuplează comutatorul b3 şi imediat după aprinderea afişajelor de pe panoul frontal al regulatorului SIPART, acesta se trece pe funcţionare “manuală” (butonul 10, Led-ul 11 luminează continuu);

- acul indicator al BRM-ului se poziţionează la 0 %, fie cu ajutorul butoanelor BS (scade) – BC (creşte), de pe panoul de automatizare, fie prin comanda manuală de pe panoul frontal al regulatorului (butoanele 5.1 şi 5.2); - se decuplează butonul b3 în vederea resetării regulatorului;

268

- se reconectează regulatorul prin b3 şi se apasă butonul 13, de pe panoul frontal al regulatorului, în vederea aplicării referinţei în treaptă.

Din acest moment se declanşează operaţia de reglare automată, respectiv de aducere a temperaturii din obiectul reglat, de la temperatura mediului la temperatura prescrisă.

În timpul procesului de reglare a temperaturii se urmăresc indicaţiile aparatelor şi a înregistratorului.

După intrarea procesului în regim stabilizat, se aplică perturbaţii pozitive şi negative, urmărind modul în care reacţionează bucla de reglare la aceste perturbaţii.

8.4. Prelucrarea datelor

- Se explică schema panoului de automatizare; -Se explică schema de conexiuni a buclei de reglare; -Se explică înregistrările obţinute cu ajutorul înregistratorului

X – Y şi cu ajutorul înregistratorului ELR 46; -Se precizează performanţele regimurilor tranzitorii şi staţionare; -Se compară performanţele sistemului experimentat, cu

performanţele obţinute în cazul aceluiaşi sistem dar cu alţi parametri de acord, pe baza unor înregistrări anterior obţinute;

-Se trag concluzii în legătura cu lucrarea efectuată. Bibliografie: 1. Oprescu I.,Vîrcolacu I.,Automatizări metalurgice. Ed. Did. şi Ped.,

Bucureşti, 1983. 2. Zamfirescu L.,Oprescu I., Automatizarea cuptoarelor industriale.

Ed.Tehnică, Bucureşti, 1971. 3. Nitu C.,Matlac I.,Feştilă Cl., Echipamente electrice şi electronice de

automatizare. Ed. Did. şi Ped., Bucureşti, 1980. 4. Olah I., Anghel M., Brevet nr.87250.