Reglarea Debitului cu Instalatia Festo – Mps Pa Compact Workstation

CAPITOLUL 1. Introdcere.

1.1. Alegerea și acordarea regulatoarelor.

1.2. Instația FESTO MPS-PA COMPACT WORKSTATION.

CAPITOLUL 2. Noțiuni teoretice.

2.1. Structura generală a unui sistem de conducere.

2.2 Sisteme de reglare convențională ( SRC).

2.3 Legi tipizate de reglare continuale liniare.

2.4 Indicatori de calitate și performanță

CAPITOLUL 3. Descrierea și funcționarea platformei FESTO și a pachetului software FLUID Lab-PA

3.1. Descrierea generală a instalației.

3.1.1 Analiza componentelor instalației

3.1.2. Analiza sistemelor de reglare.

3.1.2.1. Sistem de reglare al temperaturii.

3.1.2.2. Sistem de reglare al debitului.

3.1.3. Configurarea circuitelor în funcție de Elementul de Execuție :

3.1.4. Conexiunea cablurilor la Compact Workstation-PLC/controller

3.2 Descrierea pachetului software FLUID LAB – PA

3.2.1. Hardware

3.2.2. Funcțiile software-ului Fluid Lab- PA.

3.2.3. I/O Digitale și Analogice

3.2.4. Principalele funcții ale soft – ului Fluid Lab – Pa.

3.2.4.1 Măsurare și control.

3.2.4.2. Reglarea în buclă închisă.

CAPITOLUL 4. Metode de identificare a sistemului

4.1. Metode de a determina experimental parametri funcției de transfer

4.2. Metode de acordare a regulatoarelor tipizate

CAPITOLUL 5. Studiu de caz : Reglarea debitului cu instalația Festo – MPS-PA Compact Workstation

5.1 Acordarea regulatoarelor folosind metoda Ziegler – Nichols

5.1.1. Reglarea debitului folosind pompa P101 ca element de execuție

5.1.2. Reglarea debitului folosind valva proporțională V106 ca element de execuție.

5.2 Acordarea regulatoarelor folosind metoda Chien-Hrones-Reswick.

5.2.1. Reglarea debitului folosind pompa P101 ca element de execuție.

5.2.2. Reglarea debitului folosind valva proporțională V 106 ca element de execuție.

CAPITOLUL 6. Studiu de caz : Reglarea temperaturii cu instalația Festo – MPS-PA Compact Workstation

6.1 Acordarea regulatoarelor

6.1.1. După criteriul Ziegler-Nichols

6.1.2. După metoda Oppelt

6.1.3. După criteriul Chien-Hrones-Reswick.

6.2. Reglarea temperaturii în buclă închisă

BIBLIOGRAFIE

ANEXA 1. Simbolizarea sistemelor de reglare automată

ANEXA 2. Date tehnice

CAPITOLUL 1. Introdcere.

1.1. Alegerea și acordarea regulatoarelor.

Problema reglării presupune alegerea tipului legii de reglare și a parametrilor acesteia pentru îndeplinirea anumitor performanțe în circuit închis. Elementele care caracterizează un regulator și pe baza cărora se pot compara între ele diferitele tipuri de regulatoare, în scopul alegerii celui mai adecvat tip, sunt următoarele:

natura fizică a mărimii de intrare și ieșire;

mediul în care vor lucra regulatoarele;

posibilitățile de integrare în sistemele numerice complexe de conducere;

parametri legii de reglare: constanta de timp de integrare , constante de timp de derivare , banda de proporționalitate BP(eventual factorul de amplificare );

viteza de răspuns a procesului automatizat;

gradul de complexitate al procesului și performanțele ce se impun mărimii reglate.

În general, pentru majoritatea proceselor, legile de reglare P, PI, PD sau PID sunt satisfăcătoare, dar există procese la care se impun, datorită strategiilor complexe de conducere, regulatoare cu structuri speciale, cum ar fi cele de tip extremal, adaptiv etc. Astfel de structuri se realizează, însă, de cele mai multe ori, cu structuri numerice;

Pentru proiectarea regulatoarelor automate specializate, calculul funcției de transfer este analitic. În plus se urmărește și o proiectare constructivă (de dimensionare și de alegere a valorilor specifice blocurilor componente). În cadrul proiectării trebuie verificate și condiții suplimentare privind stabilitatea, controlabilitatea și observabilitatea sistemului sau sensibilitatea acestuia.

Proiectarea regulatorului automat se face atât pe baza datelor inițiale, furnizate de caracteristicile elementului de execuție și ale instalației tehnologice, ce alcătuiesc partea fixă dintr-un sistem de reglare automată, cât și pe baza performanțelor de regim staționar și tranzitoriu ce se urmăresc a fi realizate în cadrul sistemului.

Referitor la regimul staționar, se impune valoarea erorii staționare ,pentru un anumit tip de mărime de intrare (treaptă, rampă) și/sau de perturbații.

Pentru regimul tranzitoriu, se impun, prin datele inițiale de proiectare, valorile maxime pentru: suprareglajul la intrare și la perturbație , durata regimului tranzitoriu , în special la procesele rapide, gradul de amortizare pentru răspunsul la intrare treapta și/sau la perturbație v, timpul de creștere , ș.a.

Parametri regulatorului automat (RA) se pot afla în intervale de valori mult mai largi decât cele necesare pentru reglarea procesului respective. Acordarea consta in ajustarea parametrilor regulatorului ,, pentru o comportare adecvata a sistemului.

În practică, de multe ori, aceste caracteristici sunt ridicate experimental. În acest scop se consideră elementul de execuție, instalația tehnologică și traductorul de reacție ca formând partea fixă (PF) a SRA și i se aplică un semnal de intrare de tip treaptă, urmarind evoluția în timp a mărimii de ieșire. Prin această metodă de identificare experimentală se apreciază parametrii de bază ai părții fixe: factorul de amplificare , constanta de timp și timpul mort .

Figura 1. Schema bloc a sistemului de reglare automata [8***]

Pentru obținerea parametrilor și τ se procedează astfel :

se duce în punctul de inflexiune I tangenta la y(t) si se obtin punctele A și B.

din punctul B se duce o perpendiculară pe axa absciselor, rezultând punctul C.

Timpul mort τ este dat de mărimea segmentului OA iar constanta de timp a părții fixe este dată de mărime segmentului AC.

În ceea ce privește răspunsul indicial (răspunsul la intrare treaptă unitară), interpretarea acestuia cu scopul determinării funcției de transfer se face fie utilizând atlase cu răspunsuri tipice normalizate, pentru sisteme tip cum este exemplul raspunsului indicial din figura de mai sus. Dacă mărimea de intrare are o variație , iar mărimea de ieșire s-a stabilizat cu o abatere față de vechiul regim staționar, atunci procesul va avea o funcție de transfer:

(1)

cu factorul de amplificare, cu constanta de timp egală cu valoarea subtangentei dusă în punctul de inflexiune și timpul mort (sau timpul de întârziere al răspunsului).

1.2. Instația FESTO MPS-PA COMPACT WORKSTATION.

Instalația FESTO MPSA-PA COMPACT WORKSTATION a fost produsă și desvoltată în scopul formării profesionale și a instruiri în domeniul automatizării și comunicației.

Pentru domeniul automaticii sistemul de instruire ,Festo Didactic, pune la dispozitie un număr considerabil de aplicții diferite care satisfac o serie de cerinte de formare profesională.

Instalația Festo MPS-PA Compact Workstation pune la dispozitie o configurație hardware și un software adaptat pentru instalație. Configurația hardwaere a instalatiei este formată dintr+o serie de componente industriale didactice potrivite pentru instruire și formare profesională.

Cu instalația Festo MPS-PA Compact Workstation se pot regla urmatoarele mărini fizice :

Nivel.

Debit.

Temperatureă.

Presiune.

Instalația Festo MPS-PA Compact Workstation pune la dispoziție software+ul Fluid Lab-Pa cu următoarele moduri de lucru :

EasyPort (on-line) – în care se stabilește legătura dintre calculator și instalație prin intermediul unei comunicații seriale RS232.

Simulare (off-line) – în care nu se stabilesc comunicații cu instalația.

Interfața Easy Port are trei funcții :

Reglare în buclă închisă.

Reglare între două puncte în buclă închisă.

Măsurare și control – verifică starea de funcționare a senzorilor.

CAPITOLUL 2. Noțiuni teoretice.

2.1. Structura generală a unui sistem de conducere.

În orice sistem de conducere automată sunt patru elemente de bază interconectate , ele sunt :

Obiectul conducător (Dispozitiv de conducere )

Sistem de transmitere si aplicare a comenzilor (Element de Exectție)

Obiectul condus (Instalația automată);

Sistem informatic de culegere și transmitere a informațiilor privind obiectul condus (Traductorul)

Obiectul conducător (dispozitivul de conducere ) elaborează decizii pe baza informațiilor obținute despre starea obiectului condus prin intermediul marimilor măsurate, aceste decizi se aplică obiectului condus prin intermediul elementului de execuție.

Structura de mai sus este o structură de conducere ( în circuit închis ) deoarece deciziile aplicate la un moment dat sunt dependente și de efectul deciziilor anterioare. Dacă lipsește legătura de reacție sistemul este în circuit deschis și se numește sistem de comandă ( comanda automată ). O astfel de structură se întâlnește în foarte multe domenii de activitate, cum ar fi : tehnic, militar, social,biologic etc., mai departe o să ne referim doar la domeniul tehnic.

Sistemul de conducere din structura de mai sus poate fi numit și sistem de conducere automată deoarece poate elebora decizii pe baza mijloacelor proprii de informare. Un caz particular de conducere automată il constituie Sistemele de Reglare Automată (SRA).

Un sistem de reglare automată este un sistem de conducere automată unde scopul conducerii este exprimat prin anularea diferentei dintre mărimea condusă ( reglată ) și mărimea impusă, această diferență se mai numește și abatere sau eroarea sistemului. La cele mai multe sisteme de reglare automată mărimea care trebuie reglată este chiar mărimea măsurată.

Pentru a calcula un sistem de reglare automată avem nevoie de informații despre cele patru elemente de bază de mai sus, cum ar fi : comportare ( intrare-ieșire sau intrare-stare-ieșire ), structură, tehnologie de realizare, condiții de funcționare precum și informații referitoare la sistemul în ansamblu, cum ar fi : criterii de calitate și performanțe, restricții, programe de realizat etc.

Într-un Sistem de Reglare Automată procesul de anulare al erorii se efecutează folosind două principii :

Principiul acțiuni prin discordanță (PAD)

Principiul compensației (PC)

Principiul acțiuni prin discordanță (PAD) presupune ca acțiunea de reglare să apară numai după ce abaterea sistemului s-a modificat datorită variației mărimii impuse sau a variaței mărimii de ieșire provocată de variația unei perturbații.

Pe scurt, sistemul se abate de la program ( ”greșește” ) și apoi se corectează. Procesul de corecție se realizează prin circuitul de reacție inversă. Avantajul la acest principiu este ca poate sa compenseze efectul oricăror perturbații.

Principiul Compensației (PC) presupune ca una sau mai multe mărimi perturbatoare să fie măsurate și elementului de execuție i se aplica niște comenzi prin care se compensează efectul mărimilor perturbatoare asuprea sistemului. Avantajul este că ,în cazul ideal, compensează perfect anumite perturbații fără ca mărimea de ieșire să se abată de la programul impus. Dezavantajul este ca compensează anumite perturbații, nu a oricăror perturbații.

Sistemul de reglare care îmbină cele două principii se numește sistem de reglare combinată. [Mar07]

2.2 Sisteme de reglare convențională ( SRC).

Sistem de reglare convențională ( SRC ) se numește un sistem de reglare automată care are o singură intrare, o singură iesire si la care informația despre realizarea programului de reglare este exprimată numai prin eroare ( abatere ). În figura de mai sus este reprezentată structura generală a unui sistem de reglare conventională.

Un sistem de reglare automată are urmatoarele componente :

Instalatia tehnologică (IT), este obiectul supus sutomatizării în care mărimea de ieșire este mărimea care trebuie reglată iar mărimea de excuție este una dintre mărimile de intrare aleasă ca mărime de comandă a ieșirii. Restul mărimilor de intrare, care nu pot fi controlate în această structură capătă statutul de perturbații.

Mărimea de execuție se alege pe baza urmatoarelor criterii :

Să avem posibilitatea să modificăm iesirea in domensistemul în ansamblu, cum ar fi : criterii de calitate și performanțe, restricții, programe de realizat etc.

Într-un Sistem de Reglare Automată procesul de anulare al erorii se efecutează folosind două principii :

Principiul acțiuni prin discordanță (PAD)

Principiul compensației (PC)

Principiul acțiuni prin discordanță (PAD) presupune ca acțiunea de reglare să apară numai după ce abaterea sistemului s-a modificat datorită variației mărimii impuse sau a variaței mărimii de ieșire provocată de variația unei perturbații.

Pe scurt, sistemul se abate de la program ( ”greșește” ) și apoi se corectează. Procesul de corecție se realizează prin circuitul de reacție inversă. Avantajul la acest principiu este ca poate sa compenseze efectul oricăror perturbații.

Principiul Compensației (PC) presupune ca una sau mai multe mărimi perturbatoare să fie măsurate și elementului de execuție i se aplica niște comenzi prin care se compensează efectul mărimilor perturbatoare asuprea sistemului. Avantajul este că ,în cazul ideal, compensează perfect anumite perturbații fără ca mărimea de ieșire să se abată de la programul impus. Dezavantajul este ca compensează anumite perturbații, nu a oricăror perturbații.

Sistemul de reglare care îmbină cele două principii se numește sistem de reglare combinată. [Mar07]

2.2 Sisteme de reglare convențională ( SRC).

Sistem de reglare convențională ( SRC ) se numește un sistem de reglare automată care are o singură intrare, o singură iesire si la care informația despre realizarea programului de reglare este exprimată numai prin eroare ( abatere ). În figura de mai sus este reprezentată structura generală a unui sistem de reglare conventională.

Un sistem de reglare automată are urmatoarele componente :

Instalatia tehnologică (IT), este obiectul supus sutomatizării în care mărimea de ieșire este mărimea care trebuie reglată iar mărimea de excuție este una dintre mărimile de intrare aleasă ca mărime de comandă a ieșirii. Restul mărimilor de intrare, care nu pot fi controlate în această structură capătă statutul de perturbații.

Mărimea de execuție se alege pe baza urmatoarelor criterii :

Să avem posibilitatea să modificăm iesirea in domeniul cerut când perturbațiile acționează în limite cunoscute.

Să putem modifica instalația tehnologică printr-un element de execuțieconvenabil.

Să respectăm niște considerente tehnologice.

Dependența intrare-ieșire prin modelul liniar este dată de relația :

unde: , (3)

este funcția de transfer a instalatiei tehnologice în raport cu mărimea de comandă, iar :

, (4)

este funcția de transfer a instalației tehnologice in raport cu perturbația.

Elemenul de execuție (EE), este elemental care realizează legătura între regulator si instalația tehnologică. Are ca mărime de intrare care pentru regulator este mărime de ieșire si este notată , iar mărimea de ieșire a elementului de execuție este care este identică cu mărimea de intrare pentru instalația tehnologică.

Majoritatea elementelor de execuție sunt realizate prin conexiunea serie a două obiecte :

Elementul de comandă, care de obicei realizează amplificarea în putere.

Organul de reglare, care cuprinde ansamblul de elemente care realizează modificarea mărimi de intrare din instalația tehnologică.

În cazul liniar avem urmatoarea relație :

(s) = (s)*(s) (5)

unde (s) este funcția de transfer.

Traductorul (Tr). Este elementul din sistem ce convertește mărimea fizică reglată într-o mărime r, care este denumită mărime de reacție și care are aceeași natură cu mărimile din blocul regulator.

În cazul liniar avem următoarea relație :

R(s)=(s)*(s) (6)

unde (s) este funcția de transfer.

Regulatorul (R) : este o componentă a sistemului de reglare automată care prelucrează eroarea ɛ și realizează mărimea de comandă în conformitate cu o lege de reglare prestabilită pentru a indeplini sarcina fundamental a reglării : anularea erorii sistemului. În cazul ideal această sarcină presupune reproducerea fidelă a mărimii impuse si rejecția totală a tuturor perturbațiilor.

De cele mai multe ori, ca aparat, blocul regulator are în componența sa si un element de comparație.

Dispozitivul de prescriere (DP) : acest bloc realizează mărimea impusă v compatibilă cu mărimea de reacție r. Dispozitivul de prescriere poate fi realizat într-un dispozitiv separat sau poate să fie inclus în blocul regulator. Elementele cu structura din Fig. 3.2.1. constituie o așa numită buclă de reglare . În practică, o buclă de reglare este prevazută și cu o serie de elemente auxiliare: aparate indicatoare sau înregistratoare, elemente de comandă de la distanță, elemente de cuplare la un calculator de proces. Trebuie remarcat faptul că structura SRA de mai sus și problemele de analiză și sinteză care vor fi dezvoltate ulterior sunt aceleași indiferent de tehnologia de realizare a echipamentelor de automatizare (electronice, pneumatice, numerice prin calculator de proces). [Mar07].

2.3 Legi tipizate de reglare continuale liniare.

În practica industrială a reglării automate s-au impus așa numitele legi de reglare de tip PID (proporțional-integrator-derivator) sau elemente de tip PID, care satisfac în majoritatea situațiilor cerințele tehnice impuse sistemelor de reglare convențională. Se pot utiliza diversele combinații ale celor trei componente: P = proporțional; I = integrator; PI = proporțional-integrator; D = derivator, ideal și real, PD = proporțional-derivator ideal și real, PID = Proporțional-integrator-derivator, ideal și real în diferite variante.

Nu se poate stabili precis efectul fiecărei componente a unei legi de tip PID asupra calității unui SRA, deoarece acestea depind de structura sistemului, de dinamica instalației automatizate.

Totuși se pot face următoarele precizări:

Componenta proporțională, (exprimată prin factorul de proporționalitate ), determină o comandă proporțională cu eroarea sistemului. Cu cât factorul de proporționalitate este mai mare cu atât precizia sistemului în regim staționar este mai bună dar se reduce rezerva de stabilitate putând conduce în anumite cazuri la pierderea stabilității sistemului.

Componenta integrală, exprimată prin constanta de timp de integrare sau constanta de integrare echivalentă, determină o comandă proporțională cu integrala erorii sistemului din care cauză, un regim staționar este posibil numai dacă această eroare este nulă. Existența unei componente I într-o lege de reglare este un indiciu clar că precizia sistemului în regim staționar (dacă se poate obține un astfel de regim) este infinită. În regim staționar, de cele mai multe ori componenta I determină creșterea oscilabilității răspunsului adică reducerea rezervei de stabilitate.

Componenta derivativă, exprimată prin constanta de timp de derivare determină o comandă proporțională cu derivata erorii sistemului. Din această cauză, componenta D realizează o anticipare a evoluției erorii permițând realizarea unor corecții care reduc oscilabilitatea răspunsului. Nu are niciun efect în regim staționar.

Element Proporțional (Lege de tip P)

Un element de tip P, propriu-zis, este un element nedinamic, caracterizat prin funcția de transfer:

(7)

unde: – factorul de proporționalitate, ,

Element Integrator (Lege de tip I)

Funcția de transfer este:

(8)

unde: – factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de integrare, [] = sec.

Element Proporțional Integrator (Lege de tip PI)

Funcția de transfer este:

(9)

unde: – factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de integrare, [] = sec.

Element Derivator Ideal (Lege de tip D-ideal)

Este un element anticipativ, fizic nerealizabil. Constituie o idealizare a comportării derivative. Operează asupra funcțiilor derivabile sau răspunul este definit numai în momentele t pentru care intrarea u(t) este derivabilă.

Funcția de transfer este:

(10)

unde: – constanta de timp de derivare, []= sec.

Element Proporțional Derivator Ideal (Lege de tip PD-ideal)

Este de asemenea un element anticipativ, fizic nerealizabil.

Funcția de transfer:

(11)

unde: – factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de derivare, []= sec.

Element Derivator Real (Lege de tip D-real)

Funcția de transfer:

(12)

unde: – constanta de timp parazită, [] = sec.

– factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de derivare, []= sec.

Element Proporțional Derivator Real (Lege de tip PD-real)

Funcția de transfer:

(13)

Element Proporțional Integrator Derivator ideal (Lege de tip PID-ideal)

Funcția de transfer:

(14)

unde: – constanta de timp de integrare, [] = sec.

– factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de derivare, [] = sec.

Funcția de transfer este fizic nerealizabilă, reprezintă o idealizare.

Element Proporțional Integrator Derivator real (Lege de tip PID-real)

Conexiune paralel între un element I și un element PD real:

(15)

Conexiune paralel dintre un element PI și un element D-real:

(16)

unde: – constanta de timp parazită, [] = sec.

– factorul de proporționalitate, ,

– constanta de timp de derivare, [] = sec.

– constanta de timp de integrare, [] = sec.

[Mar04]

2.4 Indicatori de calitate și performanță

Prin indicatori de calitate (IC) al unui sistem se înțelege o măsură a calității evoluției acestui sistem. De obicei, indicatorii de calitate se exprimă în valori numerice. De exemplu, eroarea staționară de poziție a unui sitem de reglare a temperaturii este un număr ce exprimă diferența dintre valoarea dorită a temperaturii și cea realizată de sistem, în regim staționar provocat de variația treaptă a mărimii de referință.

Exemplu de câțiva indicatori de calitate și performanță a sistemelor automate :

Suprareglajul σ.

Timpul de creștere .

Durata regimului tranzitoriu .

Suprareglajul σ.

Suprareglajul σ reprezintă depășirea maximă de către mărimea de ieșire a valorii sale staționare care apare în urma regimului tranzitoriu provocat de variația treaptă a mărimii impuse.

Suprareglajul exprimă precizia sistemului de reglare în regim tranzitoriu provocat de mărimea impusă, fiind considerat și o măsură a rezervei de stabilitate a sistemului.

Se definește prin relația :

,

Cu alte cuvinte, dacă variația mărimii de ieșire este pozitivă, adică : (), determinată de > 0, atunci în calculul suprareglajului se consideră deviațiile extreme pozitive .

Suprareglajul se poate determina și din extremul absolut al regimului tranzitoriu respectiv, folosind valoarea maximă dacă și valoarea minimă dacă .

dacă y()>0, unde =

dacă y()<0, unde =

Suprareglajul reprezintă deviația maximă a mărimii de ieșire, către valoarea staționară anterioară, față de valoarea sa staționară carea apare în urma regimului tranzitoriu provocat de variația treaptă a mărimii impuse.

,

Pentru a evidenția caracteristici de sistem se definesc :

Suprareglaj relativ : , –

Suprareglajul procentual :

Suprareglajul normalizat :

Timpul de crestere.

Timpul de creștere reprezintă intervalul de timp în care mărimea de ieșire se modifică de la valoarea 0….0,5y(∞) până la valoarea 0….95 y(∞), în regimul tranzitoriu provocat de variația treaptă a mărimii impuse. Performanța se definește prin condiția : .

Durata regimului tranzitoriu.

Durata regimului tranzitoriu reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării semnalului treaptă la mărimea impusă și momentul în care răspunsul sistemului intră intr-o vecinătate D x y(∞), (D = 0,02 sau D= 0,05), a valorii sale staționare fără să mai depășească această vecinătate. Performanța se impune prin condiția .

[Mar04]

CAPITOLUL 3. Descrierea și funcționarea platformei FESTO și a pachetului software FLUID Lab-PA

3.1. Descrierea generală a instalației.

Instalația Festo – MPS-PA Compact Workstation este alcătuită din patru bucle de reglare în circuit închis, senzorii digitali/analogici si elemente de execuție. Cu ajutorul unui PLC sau a unui controller este posibilă utilizarea individuală sau în cascadă a buclelor de reglare, astfel :

Sistem de control al debitului.

Sistem de control al temperaturii.

Sistem de control al nivelului.

Sistem de control al presiunii.

În schema de automatizare de mai sus următoarele șiruri de litere au o importanță deosebită :

LIC: L – nivel, I – indicare, C – control.

TIC: T – temperatură, I – indicare, C – control.

PIC: P – presiune, I – indicare, C – control;

FIC: F – debit, I – indicare, C – control;

Este posibil să lucrați cu următoarele funcții în buclă închisă :

Reglarea debitului în buclă închisă cu pompa ca element de execuție.

Reglarea debitului în buclă închisă cu valva proporțională ca element de execuție.

Reglarea temperaturii în buclă închisa cu un element de încălzire ca element de execuție.

Reglarea nivelului în buclă închisă cu pompa ca element de execuție.

Reglarea presiunii în buclă închisă cu pompa ca element de execuție.

Reglarea presiunii în buclă închisă cu valva proporțională ca element de execuție.

Componentele principale ale instalației Festo – MPS-PA Compact Workstation sunt :

Senzor ultrasonic analogic – 102.1;

Senzor de debit, cu domeniul de măsurare în frecvență – 101.1;

Senzor de presiune, piezoresistiv – 103;

Indicator de presiune 0…1 bar – 103;

Senzor de temperatură PT100 – 104;

Doua comutatoare capacitive de proximitate pentru a comuta când nivelul de fluid din rezervor atinge valorile minime sau maxime în rezervorul inferior (B101) – 101.1 și 101.3;

Înrerupător flotant pentru pragul minim al nivelului apei în rezervorul superior;

Întrerupător flotant pentru alarma de depașire în rezervorul inferior (B102) – 102.2;

Pompă centrifugă – P101;

Regulator pentru pompă;

Valvă proporțională cu reglare electronic – V106;

Element de încălzire cu releu de reglare integrat – E104;

Robinet de proces cu bilă, format din unitate pneumatică rotativă (SYPAR) – V102;

Terminale I/O (Intrare/Ieșire);

Terminal pentru semnale analogice;

Convertor: curent – tensiune, frecvență – tensiune, PT100 – tensiune;

PLC sau regulator în circuit închis;

Panou de control;

Sistem de conducte (include și 4 conducte transparente);

Vas de presiune – B103;

Rezervoare de apă – B101 și B102;

Robinet manual;

Robinet manual cu bilă pentru scurgere;

3.1.1 Analiza componentelor instalației

Rezervor.

Dimensiunile interne ale rezervorului sunt:

înălțime: h = 300 mm;

lățime: w = 190 mm;

adâncime: d = 175 mm.

Volumul de apă pentru un nivel de 300 mm:

()

Dacă h = 100 mm, volumul de apă din rezervor este V = 3,325 l. Se obține următoarea relație de legătură dintre nivelul de apă din rezervor și volum:

.

Pompă centrifugă.

Pompa centrifugă P101 (1) este folosită în controlul tuturor sistemelor. Aceasta livrează apa din rezervorul B101 prin intermediul sistemului de conducte. Pompa nu trebuie să funcționeze în gol (fără lichid).

Pompa este controlată prin intermediul regulatorului A4 și releului K1. Cu o ieșire digitală (O2 din XMA1) este posibil să se schimbe din acționarea în modul digital, în modul analogic, cu tensiune de la 0 la 10V. La acționarea pompei în modul digital (O2=0), aceasta este ponită/oprită cu un semnal adițional (O3 din XMA1). La acționarea pompei în modul analogic (O2=1), tensiunea de la canalul analogic de ieșire 0 (UA1 din X2) (0….10V) determină viteza pompei.

Curentul nominal.

Din foia de catalog se obțin: V = 24V, P = 26 W.

Curentul nominal se calculează astfel:

Determinare debit pompă.

Pentru a determina debitul furnizat de pompă, apa este pompată din rezervorul inferior în rezervorul superior până când nivelul atinge 150 mm pe scală. Acest lucru permite determinarea debitului mediu în unitatea de timp (debit volumetric).

În urma experimentului se obțin datele următoare:

timpul de pompare: ;

nivelul din rezervorul superior: ;

Calculul debitului volumetric :

(17)

Debitul volumetric reprezintă volumul de apă ce traversează secțiunea transversală a conductei în unitatea de timp.

Valva proporțională.

Valva proporțională V106 (1) este o valvă acționată direct pentru reglarea debitului de apă. Poate fi folosită ca element de execuție în circuit cu buclă închisă sau deschisă. Pistonul valvei, sub acțiunea curentului bobinei, eliberează debitul prin valvă. Pistonul valvei închide și deschide valva, în funcție de curentul bobinei și lasă un anumit debit de apă să treacă prin aceasta.

Acționarea valvei proporționale este activată de ieșirea binară (O4 din XMA1). Un semnal analogic provenit de la canalul 1 (UA2 din X2) convertește semnalul de intrare provenit de la valvă într-un semnal analogic cuprins între 0 și 10 V.

Semnalul analogic este transformat într-un semnal modulat în durata impulsului printr-un PWM iar deschiderea valvei este ajustabilă. Frecvența PWM-ului poate fi adaptată pentru diferite tipuri de valve.

3.1.2. Analiza sistemelor de reglare.

3.1.2.1. Sistem de reglare al temperaturii.

Sistemul de reglare al temperaturii este un sistem de reglare monovariabil (cu o singură intrare și o singură ieșire ). Remperatura este un process lent, asta înseamna că în acest sistem de reglare există constante de timp foarte mari.

Principiu de funcționare:

Apa din rezervorul B101 este încălzită cu ajutorul elementului de încălzire E104 (3) și apoi apa este circulată cu ajutorul pompei P101 (1), prin sistemul de conducte care realizează circuitul pentru reglarea temperaturii. Temperatura apei din rezervorul B101 este măsurată cu ajutorul senzorului B104 (2), în punctul de măsurare TIC104. Temperatura din rezervor trebuie menținută la o anumită valoare chiar dacă apar perturbați.

Instrucțiuni de siguranță:

Nu folosiți sistemul de reglare al temperaturii dacă elementul de încălzire nu este scufundat complet în lichid.

Temeperatura maximă nu trebuie să depășească 65˚C.

Reglarea temperaturii apei din rezervorul B101 este realizată prin perioada de comutare a elementului de încălzire E104, care are rol de element de execuție. Pentru a realiza reglarea temperaturii în buclă închisă se poate folosi un element bipozițional (ON/OFF) care va comanda elementul de încălzire. Pentru perturbații se poate folosi apă rece sau chiar apă din rezervorul superior.

Rezistența senzorului de temperatură este conectată la convertorul A3. Acesta convertește rezistența într-un semnal standard de tensiune în intervalul 0…..10V. Semnalul standard de tensiune este conectat la terminalul analogic X2 (UE4). Elementul de încălzire este controlat de un releu intern. Printr-o ieșire digitală (O1 la XMA 1) releul poate fi pornit sau oprit.

3.1.2.2. Sistem de reglare al debitului.

Sistemul de reglare al debitului este un sistem cu structura de reglare convențională.. Acestst sistem de reglare nu are constante mari de timp. Bucla de reglare în combinație cu pompa crează un sistem de reglare care se controlează ușor.

Principiu de funcționare :

Pompa (P101) transportă apă din rezervorul inferior în rezervorul superior printr-un sistem de conducte. Debitul este măsurat de senzorul pentru debit B102 (2) sub forma unei valori efective.

Există două moduri prin care se poate controla debitul:

Sistemul de reglare al debitului când avem ca element de execuție pompa P101. Mărimea de comandă este tensiunea pompei, care stabilește viteza de rotație.

Sistemul de reglare al debitului când avem ca element de execuție valve proportional V106. Mărimea de comandă este tensiunea bobinei care setează deschiderea pistonului valvei proporționale. Pompa P101 rulează cu o viteză de rotație constantă

Pentru perturbați se deschide/închide robinetul manual V104.

Un semnal stabil dreptunghiular al senzorului de debit, este conectat la o intrare de tip binară I/O a terminalului XMA1. Nivelul semnalului este în funcție de tensiunea de alimentare 8….24V. Semnalul de puls poate fi procesat cu un PLC care are un numărător integrat. Semnalul este conectat la un convertor A2 care convertește semnalul intr-un semnal standard in intervalul 0…10V. Semnalul standard de tensiune este conectat la terminalul analogic X2 (UE2)

3.1.3. Configurarea circuitelor în funcție de Elementul de Execuție :

Tabelul 1. Configurarea circuitelor pe instalație în funcție de elementele de execuție și de valve [1***]

3.1.4. Conexiunea cablurilor la Compact Workstation-PLC/controller

Realizarea conexiunilor – PLC/controller :

PLC/regulator – instalație: se conectează mufa XMA (1/A) a PLC/ regulatorului la soclul XMA2 a terminalului I/O (Intrare-Ieșire) (2) a instalației cu un cablu SysLink (3).

PLC/regulator – consola: se conectează mufa XMG (1/B) a PLC/regulatorului la soclul X1 (4) a consolei, cu cablul SysLink(5).

PLC/regulator – instalație: se conectează mufa (1/C) a PLC/regulatorului cu mufa X2 a terminalului analog (6) al instalației cu un cablu analog(7).

PLC/regulator – unitatea de alimentare: se conectează mufe siguranță de culori diferite (roșu și albastru) a PLC/regulatorului și unitatea de alimentare cu cabluri de siguranță (rosu= + / albastru= – ).

PC/regulator – PLC: se conectează calculatorul la PLC prin cablul de programare.

3.2 Descrierea pachetului software FLUID LAB – PA

Programul Fluid Lab-PA, cu ajutorul porturilor digitale sau analogice ale interfeței EasyPort, oferă un mediu pentru a măsura și analiza semnalele achiziționate de la 8 intrari digitale și 4 intrari analogice și reglare în buclă închisă.

Acest software conține trei medii de lucru, după cum se observă și în figura de mai sus :

Măsurare și control.

Reglarea în buclă deschisă între două puncte.

Reglarea în buclă închisă.

Se poate lucra cu următoarele funcții în buclă închisă :

Reglarea debitului în buclă închisă cu pompa ca element de execuție;

Reglarea debitului în buclă închisă cu valva proporțională ca element de execuție;

Reglarea temperaturii în buclă închisa cu un element de încălzire ca element de execuție;

Reglarea nivelului în buclă închisă cu pompa ca element de execuție;

Reglarea presiunii în buclă închisă cu pompa ca element de execuție;

Reglarea presiunii în buclă închisă cu valva proporțională ca element de execuție;

Softul Fluid Lab-PA are nevoie de mai multe drivere secundare pentru a lucra cu success (a se vedea descrierea de mai jos pentru mai multe detalii). Componentele de bază ale pachetului software Fluid Lab-PA sunt:

Fluid Lab-PA Program Files

driverul EzOCX

mediul Labview Runtime (versiunea 7.1)

Tabelul 2. Lista completă a componentelor pachetului Fluid Lab-PA [2***]

Driverul EZOCX și motorul Labview Runtime 7.1

Driverul EzOCX este folosit pentru a face legătura între soft-ul Fluid Lab-PA și interfața digital/analogică EasyPort prin intermediul unei conexiuni seriale RS232. În timpul instalării sunteți întrebat dacă doriți să instalați sau nu driverul EzOCX. Dacă alegeți să nu instalați acest driver veți putea rula procesul de instalare a EzOCX, manual prin deschiderea Setup.exe din sub-folderul EzOCX. Softul Fluid Lab-PA este dezvoltat sub LabView, de National Instruments, de aceea folosește un mediu virtual pentru a putea fi executat de sistemul dumneavoastră. [2***]

3.2.1. Hardware

Cerințe hardware :

PC(minim: Pentium 200MHz, 32MB RAM, 600×800 rezoluție) cu interfața serială(COM1-4);

Sursa de alimentare de 24V pentru EasyPort DA;

Interfața EasyPort;

Terminal analogic;

Terminal digital ;

Conexiuni hardware necesare :

Terminale analogice și digitale pentru EasyPort;

Terminale intrare/ieșire pentru Syslink;

Terminal analogic;

Cablu serial RS232;

Cablu SysLink;

Cablu analogic, 15 fire.

Conexiuni prin cablu :

Conexiunile prin cablu sunt descrise ca fiind un exemplu pentru un Compact-Workstation cu porturi digitale și analogice. [2***]

Terminalele analogice și digitale ale EasyPort – instalație: conectează portul 1 (intrări/ieșiri digitale) al terminalului EasyPort cu soclul XMA2 (2) al stației de lucru Compact-Workstation prin intermediul unui cablu SysLink (5).

Terminalele analogice și digitale ale EasyPort – instalație: conectează portul 2 (intrări/ieșiri analogice) al terminalului EasyPort cu soclul X2 al instalației de lucru Compact-Workstation prin intermediul unui cablu analogic (6).

Terminalele analogice și digitale ale EasyPort – PC: conectează portul serial RS232 al interfeței EasyPort cu o conexiune serială a PC-ului folosind un cablu RS232 (4).

Terminalele analogice și digitale ale EasyPort – sursa de alimentare: conectează terminalele analogice/digitale ale EasyPort la o tensiune de alimentare de 24VDC.

3.2.2. Funcțiile software-ului Fluid Lab- PA.

Fereastra de start up:

După ce software-ul este lansat, va apărea următoarea fereastră :

Această fereastră este elementul central al software-ului. De aici aveți acces la toate funcțiile programului. Funcțiile sunt descries în următorul tabel :

Tabelul 3. Descrierea funcționalităților din mediul Fluid Lab-PA [2***]

Configurarea softului Fluid Lab-PA

Configurarea soft-ului Fluid Lab-PA pentru instalația Festo Compact Workstation se face prin apăsarea butonului Setup din fereastra de pornire. După această acțiune va apărea interfața următoare:

Selectarea portului de comunicare COM:

Selectați portul (COM) la care este conectat EasyPort, făcând click pe butonul “COM?”

Ieșiți din fereastra de configurare și reveniți la fereastra principală.

Reporniți fereastra setup din nou.

Noua setare COM va fi aplicată și activă acum.

Verificați si calibrați senzorii instalației si verificați funcționarea elementelor de executie.

Tabelul 4. Descrierea interfeței de configurare a soft-ului Fluid Lab-PA [2***]

Mediul de simulare

Puteți configura acest soft, încât să nu lucrați cu instalația de lucru Festo Compact Workstation, ci într-un mod de simulare. Pentru a face acest lucru comutați pe butonul (8) de la "EASYPORT" la "SIMULATION" și apoi închideți fereastra de configurare. În fereastra principală de pornire a Fluid Lab-PA click pe butonul "SAVE". Salvați noile setări într-un fișier. Închideți software-ul și reporniți.

La pornirea Fluid Lab-PA întotdeauna fisierul "default.txt" din sub-folderul "Voreinstellungen" este încărcat. Dacă doriți să aveți modul de simulare selectat de fiecare dată când pornește Fluid Lab-PA ar trebui să salvați setările de simulare în acest fișier. Altfel, trebuie să încărcați configurația preferată de fiecare dată când începeți o nouă sesiune Fluid Lab-PA. [2***]

3.2.3. I/O Digitale și Analogice

În tabelele care urmează este reprezentat modul standard în care softul Fluid Lab-PA este configurat.

Tabelul 5. Intrări digitale [2***]

Tabelul 6. Ieșiri digitale [2***]

Tabelul 7. Intrări analogice [2***]

Tabelul 8. Ieșiri analogice [2***]

3.2.4. Principalele funcții ale soft – ului Fluid Lab – Pa.

Măsurare și control.

Funcția “Measuring and Control” este folosită pentru analiza sistemului și pentru controlul fiecarui element de executie.

Această funcție este disponibilă doar atunci când este folosită în combinație cu EasyPort. În modul simulare această funcție este dezactivată.

Tabelul 9. Descrierea mediului “Measuring and Control”

3.2.4.2. Reglarea în buclă închisă.

Folosind funcția “Closed-loop Control – continuous” putem realiza o reglare continuă în buclă închisă.

Folosind interfata EasyPort digital/analogic avem următoarele funcțiuni:

Setarea graficului;

Setările semnalelor de intrare și ieșire de care aveți nevoie;

Alegeți regulatorul pentru implementarea parametrilor săi;

Porniți reglarea în buclă închisă apăsând butonul "Start";

Opriți reglarea în buclă închisă apăsând butonul "Stop";

Documentație.

Folosind mediul de simulare:

Setarea graficului;

Setările semnalelor de intrare și ieșire de care aveți nevoie;

Alegeți regulatorul pentru implementarea parametrilor săi;

Porniți reglarea în buclă închisă apăsând butonul "Start";

Opriți reglarea în buclă închisă apăsând butonul "Stop";

Documentație.

Dezactivarea mediului de simulare;

Activarea mediului de simulare;

Alegeți marimea fizică de simulat (nivelul, debitul și temperatura sistemului sunt disponibile);

Încarcă și arată o imagine a design-ului hardware (poate fi opțională);

Șterge și reinițializează graficul.

CAPITOLUL 4. Metode de identificare a sistemului

Un sistem poate fi definit ca o colecție de unul sau mai multe obiecte interconectate. Un obiect este o entitate fizică cu caracteristici sau atribute specifice.. Atributele unui obiect sunt descrise prin intermediul "parametrilor" și "variabilelor". Parametrii sunt atribute intrinseci ale obiectelor în timp ce variabilele sunt atribute necesare pentru a descrie interacțiunea între obiecte.

Parametrii și variabilele sunt elemente utilizate în diverse teorii necesare pentru a explica starea și evoluția unui sistem. În cazul nostru vor trebui calculați parametrii funcției de transfer pentru o reglare cât mai eficientă. Aceștia se vor calcula prin metode aplicate pe semnalele achiziționate pe baza răspunsului la intrare treaptă a sistemului.

4.1. Metode de a determina experimental parametri funcției de transfer

Vom prezenta metodele de determinare experimentală a parametrilor funcției de transfer de ordinul unu cu autoechilibrare, pe baza răspunsului la intrare treaptă.

Funcția de transfer, considerând și timp mort, este:

(18)

Determinarea factorului de amplificare K

Se măsoară valorile ∆u și corespunzătoare segmentelor din grafic.

Calculăm factorul K:

, (19)

Determinarea constantei de timp T prin metoda tangentei

În punctual inițial B se duce o tangent la raspuns care intersectează ordonata finală in C. Proiecția DE a segmentului BC, pe axa timpului este egala cu T.

Tangenta se poate duce în orice punct F al raspunsului pana la intersecția G a ordonatei finale y(∞). Aceasta subîntinde pe axa timpului un segment PQ egal cu T, oricare ar fi punctual F. Dacă sistemul este de oridinul întai atunci toate segmentele PQ au o aceeași lungime.

Determinarea constantei de timp T prin metoda ordonatei

Constanta T este egala cu intervalul de timp dintre momentul inițial (când raspunsul are valoarea ) și momentul în care ieșirea atinge valoarea:

(20)

Determinarea constantei de timp T prin metoda ariei

Se calculează aria:

(21)

Se calculează:

(22)

Observații comparative

Metoda tangentei este rapidă, însă erorile de trasare a tangentei, în special când obiectul are în realitate ordinal mai mare decat unu, afectează direct rezultatul.

Metoda ordonatei, de asemenea rapidă, este dependent de perturbațiile aditive sau erorile de măsurare care afectează direct rezultatul.

Metoda ariei, deși solicită un efort de determinare mai mare, realizează echivalarea cu un obiect de ordinal unu având în vedere întreaga evoluție a raspunsului, astfel erorile ce apar la primele două metode, aici se compensează prin mediere. [Mar07]

4.2. Metode de acordare a regulatoarelor tipizate

În acest capitol se vor prezenta o serie de metode și relații pentru determinarea valorilor optime ale parametrilor regulatoarelor tipizate, considerând parțile fixe ale sistemului cu sau fară timp mort, de ordinul 1 sau 2 și câteva cazuri particulare de ordin mai mare

Acordarea regulatoarelor după metoda Oppelt [Mar07]

Se consideră funcția de transfer a părții fixe de ordinul unu cu timp mort,

(23)

Tabelul 10. Acordarea regulatoarelor după metoda Oppelt [Mar07]

Acordarea regulatoarelor după metoda Chien-Hrones-Reswick [Mar07]

Se consideră funcția de transfer a părții fixe de ordinal unu cu timp mort,

(24)

Relații de acordare recomandate din Tabelul 4.2.2, permit realizarea unui raspuns optim la variația mărimii impuse. Sunt indicate pentru sistemele de urmărire.

Tabelul 11. Acordarea regulatoarelor după metoda Chien-Hrones-Reswick

Acordarea regulatoarelor după metoda Cohen si Coon [Mar07]

Metoda Cohen și Coon asigură o comportare bună la variația treaptă a unei perturbații deplasată la ieșirea sistemului. Se obține un răspuns oscilant cu amortizarea ¼, cu abaterea maxima de valoare minima și se minimizează integral valorii absolută a erorii.

Se consideră funcția de transfer a părții fixe de ordinal unu cu timp mort,

(25)

Relațiile de acordare conform metodei Cohen si Coon, sunt prezentate în Tabelul 4.2.3.

Tabelul 12. Acordarea regulatoarelor după metoda Cohen si Coon [Mar07]

Acordarea regulatoarelor după metoda Ziegler-Nichols

Acordarea se realizează cu scopul îndeplinirii criteriului de performanță “amortizare la sfert de amplitudine”. Acest criteriu impune pentru sistemul automat o formă a raspunsului indicial caracterizată de un raport 1/4 între două maxime succesive (factor de amortizare 0.25). Amortizarea la sfert de amplitudine este un indice global de calitate a regimului tranzitoriu determinând pentru sistemul automat o rezervă de stabilitate suficient de bună, fară a asigura obținerea suprareglarii, respectiv timpului de răspuns impuse tehnologic. În aceste condiții criteriile de acordare Ziegler-Nichols trebuie privite ca realizând o acordare preliminara a regulatorului, iar în vederea obținerii performanțelor specificate urmând să se facă necesarele corecții ale parametrilor de acord.

Criteriul Ziegler-Nichols bazat pe răspunsul la semnal treaptă [4***]

Una din metodele Ziegler-Nichols de acordare a regulatoarelor PID este bazată pe observarea răspunsului la un semnal treaptă de amplitudine Δu a parții fixe și aproximarea pe perioada regimului tranzitoriu cu raspunsul unui element integrator cu timp mort. Astfel procesul este caracterizat de doi parametrii prin funcția de transfer:

(26)

Acesti parametri pot fi usor determinați grafic de pe reprezentarea răspunsului la semnal treaptă ca în Figura 2. Astfel, se trasează tangenta în punctul de inflexiune (de pantă maximă) al raspunsului, iar punctele de intersecție ale acesteia cu cele două axe determină valorile parametrilor a și L. Valorile parametrilor de acordare ai regulatorului PID se determină direct in funcție de parametrii a si L din Tabelul urmator.

Tabelul 13. Acordarea regulatoarelor după metoda a) Ziegler-Nichols [4***]

Criteriul Ziegler-Nichols bazat pe răspunsul la frecvență [10***]

O a doua metodă Ziegler-Nicholas propune calcularea parametrilor de acordare a regulatoarelor tipizate pe baza caracteristici dinamice a procesului (folosind răspunsul la frecvență) și a determinării caracteristicilor sistemului de reglare, aflat la limita de stabilitate.

Pentru obtinerea caracteristicilor sistemului automat aflat la limita de stabilitate se configurează mai întâi regulatorul proporțional (P) cu factorul de amplificare = 1 ( BP = 100) . Se crește treptat factorul de amplificare (se micșorează banda de proporționalitate) până în momentul în care apar oscilații ale mărimii măsurate măsurate. Când acestea ajung la o amplitudine constant se retine perioada oscilațiilor și factorul de amplificare al regulatorului (sau banda de proporționalitate care a condus sistemul automat la limita de stabilitate. Cu cei doi parametrii se pot calcula parametrii regulatorului de tip PID conform tabelului.

Tabelul 14. Acordarea regulatoarelor după metoda b) Ziegler-Nichols [10***]

CAPITOLUL 5. Studiu de caz : Reglarea debitului cu instalația Festo – MPS-PA Compact Workstation

5.1 Acordarea regulatoarelor folosind metoda Ziegler – Nichols

Determinăm experimental pe și (pe graficul din figura 23). Se mărește factorul de proporționalitate până apar oscilații întreținute, și avem  = ∞ și = 0.

Valoarea lui din grafic este valoarea lui , ce înseamnă o banda de proporționalitate , iar perioada oscilațiilor este .

5.1.1. Reglarea debitului folosind pompa P101 ca element de execuție.

În figura de mai jos putem observa valoarea lui pentru care apar oscilații întreținute :

= 8

Perioada oscilațiilor este :

= 1 sec

Alegerea parametrilor pentru o lege de reglare de tip PI (proporțional – integrator).

Facem urmatoarele calcule pentru o lege de reglare de tip PI :

= 0,45 = 0,45 8 = 3,6 (27)

(28)
unde : = Factor de proporționalitate.

= Constantă de timp de integrare.

Folosim valorile calculate mai sus și obținem graficul următor (Figura 24) :

Putem observa ca sistemul are performanțe foarte bune.

Alegerea parametrilor pentru o lege de reglare de tip PID (proporțional– integrator – derivativ).

Facem urmatoarele calcule pentru o lege de reglare de tip PID :

= 0,6 = 0,6 8 = 4,8 (29)

(30)

(31)

unde :

= Factor de proporționalitate.

= Constantă de timp de integrare.

= Constantă de timp de derivare.

Folosim valorile calculate la (29), (30), (31) și obținem graficul următor (Figura 24) :

5.1.2. Reglarea debitului folosind valva proporțională V106 ca element de execuție.

Mai jos putem observa valorile pentru și determinate după analiza graficului din figura 25.

= 24 și = 0,65 [sec]

Calculul parametrilor pentru o lege de reglare de tip PI .

= 0,45 = 0,45 24 = 10,8 (32)

(33)

unde : = Factor de proporționalitate.

= Constantă de timp de integrare.

Pe baza valorilor obținute mai sus ne rezultă graficul următor (Figura 27) :

Alegerea parametrilor pentru o lege de reglare de tip PID (proporțional– integrator – derivator).

Facem urmatoarele calcule pentru o lege de reglare de tip PID :

= 0,6 = 0,6 24 = 14,4 (34)

(35)

(36)

unde :

= Factor de proporționalitate.

= Constantă de timp de integrare.

= Constantă de timp de derivare.

Folosim valorile calculate la (34), (35), (36) și obținem graficul următor (Figura 28) :

Sistemul de reglare (figura 28) cu valva proporțională pentru o lege de reglare de tip PID nu reușește să mențină valoarea de referință.

5.2 Acordarea regulatoarelor folosind metoda Chien-Hrones-Reswick.

5.2.1. Reglarea debitului folosind pompa P101 ca element de execuție.

Folosim metoda tangentei pe graficul din Figura 29 și obținem următoarele valori :

(37)

(38)

(39)

(40)

Calculul parametrilor :

Lege de reglare de tip P .

(41)

Lege de reglare de tip PI (Proporțional – Integrator).

(42)

(43)

Lege de reglare de tip PID (Proporțional – Integrator – Derivativ)

(44)

(45)

(46)

5.2.2. Reglarea debitului folosind valva proporțională V 106 ca element de execuție.

Folosim metoda tangentei pe graficul din Figura 31 și obținem următoarele valori :

(37)

(47)

(48)

(49)

Calculul parametrilor :

Lege de reglare de tip P .

(50)

Lege de reglare de tip PI (Proporțional – Integrator).

(51)

(52)

Lege de reglare de tip PID (Proporțional – Integrator – Derivativ)

(53)

(54)

(55)

CAPITOLUL 6. Studiu de caz : Reglarea temperaturii cu instalația Festo – MPS-PA Compact Workstation

Pentru a avea un răspuns mai rapid, pentru temperatură, vom aplica următoarea metodă:

Configurăm circuitul instalației pentru reglarea nivelului.

Începem procesul pentru reglarea nivelului. Așteptăm până când apa din rezervorul B101 scade pînă în intervalul cuprins între 110-130mm (citiți pe gradațiile de pe rezervor) nu mai puțin pentru că elemental de încălzire trebuie scufundat complet în apă. În rezervorul B101 se va efectua și încălzirea cu ajutorul elementului de încălzire E104.

În momentul în care apa în rezervorul B101 a ajuns la nivelul precizat, se va opri procesul si se vor închide rapid valvele manuale pentru reglarea de nivel.

Configurăm circuitul pemtru măsurarea temperaturii.

Începem din nou procesul, dar de data aceasta pentru răspunsul la intrare treaptă al sistemului pentru măsurarea temperaturii apei din rezervorul B101.

Din analiza graficului de mai sus (Figura 32) obținem :

(56)

(57)

(58)

(59)

Acordarea regulatoarelor

6.1.1. După criteriul Ziegler-Nichols

a = 20 – 16,5 = 3,5 [˚C] (60)

L = 70 – 38 = 32 [sec] (61)

(62)

(63)

Calculul parametrilor pentru o lege de reglare P :

(64)

Calculul parametrilor pentru o lege de reglare PI :

(65)

(66)

Calculul parametrilor pentru o lege de reglare PID :

(67)

(68)

(69)

6.1.2. După metoda Oppelt

Pentru instalația tehnologică cu funcția de transfer :

se vor obține urmatorii parametri de acordare a regulatoarelor:

Pentru o lege de reglare de tip P :

(70)

Pentru o lege de reglare de tip PI:

(71)

(72)

Pentru o lege de reglare de tip PID :

(73)

(74)

(75)

6.1.3. După criteriul Chien-Hrones-Reswick.

Pentru instalația tehnologică cu funcția de transfer :

se vor obține urmatorii parametri de acordare a regulatoarelor:

Cazul 1. Pentru obținerea unui regim aperiodic cu durata minima:

Pentru o lege de reglare de tip P :

(76)

Pentru o lege de reglare de tip PI :

(77)

(78)

Pentru o lege de reglare de tip PID :

(79)

(80)

(81)

Cazul 2. Pentru obținerea unui suprareglaj cu durată minimă a regimului tranzitoriu:

Pentru o lege de reglare de tip P :

(82)

Pentru o lege de reglare de tip PI :

(83)

(84)

Pentru o lege de reglare de tip PID :

(85)

(86)

(87)

6.2. Reglarea temperaturii în buclă închisă

Pentru reglarea temperaturii în buclă închisă vom aplica aceeași metodă ca la răspunsul la intrare treaptă, vom aplica aceeași metodă pentru o încălzire mai rapidă a apei din rezervorul B101. aceași metodă practică și eficientă pentru siguranță și încălzirea mai rapidă a apei din rezervorul B101. Nivelul în rezervorul B101, în cazul de față a fost ajustat la 130 [mm] (după măsuratorile inscripționate pe rezervor), iar circuitul efectuat pentru a circula apa în rezervor, valva V103 și V109 deschisă. Pompa efectuează circularea apei din rezervorul B101, pompând apa din partea inferioară a rezervorului spre partea superioară.

Pentru urmărirea graficului trebuie menționat:

Culoarea verde – reprezintă mărimea de comandă pentru elementul de încălzire E104;

Culoarea neagră – reprezintă referința/marimea impusă la care trebuie menținută temperatura apei în rezervorul B101;

Culoarea roșie – reprezintă ieșirea sistemului (temperatura măsurată în rezervorul B101);

Analizând graficul din punct de vedere al indicatorilor de calitate și performanțe avem:

Suprareglaj σ = 0%; () [9***]

Durata regimului tranzitoriu Tr= 275[sec]; (∆∙|y(∞)| unde ∆=0.02 sau ∆=0.05) [Mar04]

Timpul de creștere Tc= 215[sec] (intervalul de timp în care mărimea de ieșire se modifică de la 0.05y(∞) până la 0.95(∞)) [Mar04]

Eroare staționară de poziție = 0 [°C];

BIBLIOGRAFIE

[Mar07] Marin C., Popescu D., Teoria sistemelor și reglare automată, Editura SITECH, Craiova, 2007

[Mar98] Marin C., Petre E., Popescu D., Ionete C., Selișteanu D., Sisteme de reglare automată, Lucrări practice II, Editura SITECH, Craiova, 1998

[Mar04] Marin C., Ingineria reglării automate – Elemente de analiză și sinteză, Editura SITECH, Craiova, 2004

[Mar05] Marin C., Structuri și legi de reglare automată, ediția a II-a, Editura SITECH, Craiova, 2005

[Vîn07] Vînătoru M., Iancu E., Maican C., Cănureci G., Conducerea automată a proceselor industriale – Îndrumar de proiectare și laborator, Editura UNIVERSITARIA Craiova, 2007

[Dwy06] O’Dwyer A., Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, ediția a II-a, Editura Imperial College Press, Dublin, 2006

[1***] ***** Manual_PCS_Compact_Workstation_EN_V2

[2***] ***** Fluid_Lab-PA_Compact_Workstation_2_0_Manual_EN

[3***] ***** EMCS_Technology_Solutions_V2

[4***] ***** http://old.ace.tuiasi.ro/ro/academice/curricula/programe/ingineri/aut/IRA_L2.pdf

[5***] ***** http://old.ace.tuiasi.ro/ro/academice/curricula/programe/ingineri/aut/IRA_L3.pdf

[6***] ***** http://www.ac.tuiasi.ro/~caruntuc/IRA/L2_1_Criterii_experimentale_de_acordare.pdf

[7***] ***** http://amotion.pub.ro/cercetare/laboratoare/ra/download/RA_lab_12A.pdf

[8***] ***** http://ebookbrowse.com/slide-curs10-tra-pdf-d287499727

[9***] ***** http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/Raspunsul-sistemelor-automate5593722.php

[10**] ****** http://www.engr.mun.ca/~nick/eng5951/Ziegler_Nichols.pdf

ANEXA 1. Simbolizarea sistemelor de reglare automată

Aparat (element) montat pe tabloul de ordinul 2, tablou montat în camera de comandă a instalației automatizate, denumită camera dispecer local.

În șirul {x}, primul simbol este o litera care exprimă natura mărimii asupra căreia se efectuează operația de măsurare (inclusiv indicare sau înregistrare), reglare sau comandă. Urmatoarele simboluri ale șirului {x} sunt litere prin care se exprimă operațiile ce se efectuează asupra mărimii respective.

Șirul {y} conține litere și cifre care exprimă un cod al elementului (aparatului) respectiv. Acest cod permite identificarea aparatului în specificația tehnică a instalației automatizate. [Mar04]

Semnificația primei litere din șirul {x}:

L: Nivel

P: Presiune, vacum

T: Temperatura

Semnificația următoarelor litere din șirul {x}:

A: Alarma

C: Comandă reglare

I: Indicare

S: Comutare, întrerupere

Indicator de nivel pentru comanda de reglare, punctul de măsurare LIC102, senzor B101

Indicator de debit pentru comanda de reglare, punctul de măsurare FIC101, senzor B102

Indicator de presiune pentru comanda de reglare, punctul de măsurare PIC103, senzor B103

Indicator de temperatură pentru comanda de reglare, punctul de măsurare PIC104, senzor B104

Alarmă pentru depașirea de nivel, rezervor B101

Comutare când nivelul scade sub nivelul minim recomandat, rezervor B102

Comutare când nivelul crește sub nivelul maxim recomandat, rezervor B101

Inrerupator pentru scaderea nivelului sub nivelul minim recomandat, rezervor B101

ANEXA 2. Date tehnice

Tabelul 15. Date tehnice [1***]

BIBLIOGRAFIE

[Mar07] Marin C., Popescu D., Teoria sistemelor și reglare automată, Editura SITECH, Craiova, 2007

[Mar98] Marin C., Petre E., Popescu D., Ionete C., Selișteanu D., Sisteme de reglare automată, Lucrări practice II, Editura SITECH, Craiova, 1998

[Mar04] Marin C., Ingineria reglării automate – Elemente de analiză și sinteză, Editura SITECH, Craiova, 2004

[Mar05] Marin C., Structuri și legi de reglare automată, ediția a II-a, Editura SITECH, Craiova, 2005

[Vîn07] Vînătoru M., Iancu E., Maican C., Cănureci G., Conducerea automată a proceselor industriale – Îndrumar de proiectare și laborator, Editura UNIVERSITARIA Craiova, 2007

[Dwy06] O’Dwyer A., Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, ediția a II-a, Editura Imperial College Press, Dublin, 2006

[1***] ***** Manual_PCS_Compact_Workstation_EN_V2

[2***] ***** Fluid_Lab-PA_Compact_Workstation_2_0_Manual_EN

[3***] ***** EMCS_Technology_Solutions_V2

[4***] ***** http://old.ace.tuiasi.ro/ro/academice/curricula/programe/ingineri/aut/IRA_L2.pdf

[5***] ***** http://old.ace.tuiasi.ro/ro/academice/curricula/programe/ingineri/aut/IRA_L3.pdf

[6***] ***** http://www.ac.tuiasi.ro/~caruntuc/IRA/L2_1_Criterii_experimentale_de_acordare.pdf

[7***] ***** http://amotion.pub.ro/cercetare/laboratoare/ra/download/RA_lab_12A.pdf

[8***] ***** http://ebookbrowse.com/slide-curs10-tra-pdf-d287499727

[9***] ***** http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/Raspunsul-sistemelor-automate5593722.php

[10**] ****** http://www.engr.mun.ca/~nick/eng5951/Ziegler_Nichols.pdf

ANEXA 1. Simbolizarea sistemelor de reglare automată

Aparat (element) montat pe tabloul de ordinul 2, tablou montat în camera de comandă a instalației automatizate, denumită camera dispecer local.

În șirul {x}, primul simbol este o litera care exprimă natura mărimii asupra căreia se efectuează operația de măsurare (inclusiv indicare sau înregistrare), reglare sau comandă. Urmatoarele simboluri ale șirului {x} sunt litere prin care se exprimă operațiile ce se efectuează asupra mărimii respective.

Șirul {y} conține litere și cifre care exprimă un cod al elementului (aparatului) respectiv. Acest cod permite identificarea aparatului în specificația tehnică a instalației automatizate. [Mar04]

Semnificația primei litere din șirul {x}:

L: Nivel

P: Presiune, vacum

T: Temperatura

Semnificația următoarelor litere din șirul {x}:

A: Alarma

C: Comandă reglare

I: Indicare

S: Comutare, întrerupere

Indicator de nivel pentru comanda de reglare, punctul de măsurare LIC102, senzor B101

Indicator de debit pentru comanda de reglare, punctul de măsurare FIC101, senzor B102

Indicator de presiune pentru comanda de reglare, punctul de măsurare PIC103, senzor B103

Indicator de temperatură pentru comanda de reglare, punctul de măsurare PIC104, senzor B104

Alarmă pentru depașirea de nivel, rezervor B101

Comutare când nivelul scade sub nivelul minim recomandat, rezervor B102

Comutare când nivelul crește sub nivelul maxim recomandat, rezervor B101

Inrerupator pentru scaderea nivelului sub nivelul minim recomandat, rezervor B101

ANEXA 2. Date tehnice

Tabelul 15. Date tehnice [1***]