Sistem de dozare al apei pentru creeare aluatuliu [305813]

Sistem de dozare al apei pentru creeare aluatuliu

PROIECT DE DIPLOMĂ

Autor: Bencze GHIRASIM

Conducător științific: Prof. Dr. ing. Honoriu VĂLEAN

Autor: Bencze GHIRASIM

Sistem de dozare al apei pentru creearea aluatului

Enunțul temei: Scopul acestui proiect este automatizarea unui proces care dozează apa la cantitatea și temperatura cerută de catre operator pentru realizarea aluatului.

Conținutul proiectului: [anonimizat], [anonimizat], Introducere, [anonimizat], proiectare, implementare, Concluzii, Bibliografie, Anexe.

Locul documentației: Technosam S.R.L

Consultanți: (Dr. Ing. xxx)

Data emiterii temei: (30 iulie 2020)

Data predării: (30 iulie 2020)

[anonimizat]. 531495, CNP [anonimizat], autorul lucrării: Sistem de dozare al apei pentru creearea aluatului elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a [anonimizat] , [anonimizat], sesiunea Iulie 2020 anului universitar 2019-2020, [anonimizat], [anonimizat], și în bibliografie.

Declar, [anonimizat] a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Declar, [anonimizat] a mai fost prezentată în fața unei alte comisii de examen de licență.

In cazul constatării ulterioare a [anonimizat], respectiv, anularea examenului de licență.

Data Bencze GHIRASIM

6 iulie 2020

SINTEZA

proiectului de diplomă cu titlul:

Sistem de dozare al apei pentru creaarea alutului

Autor: Bencze GHIRASIM

Conducător științific: Prof.dr.ing. Honoriu VĂLEAN

1. Cerințele temei:

[anonimizat], [anonimizat], unde se dorește stabilirea unui timp de răspuns cât mai bun și obținerea unui răspuns al sistemului cât mai puțin oscilant.

2. Soluții alese:

Pentru realizarea acestui proces s-a [anonimizat], și anume o pompă centrifugă pentru alimentarea bazinului secundar cu apă, o [anonimizat], un termoplonjon pentru încălzirea apei, o pompă de aer pentru răspândirea uniformă a [anonimizat], o termorezistență scalată în intervalul 0-100 ˚C și de sistemul Ovation cu modulele necesare pentru trimiterea comenzilor și citirea semnalelor.

3. Rezultate obținute:

Controlul sistemului de reglare și menținere a temperaturii s-a [anonimizat] a nivelului s-a folosit un regulator de tip PI.

4. Testări și verificări:

[anonimizat]ce este folosit un regulator bipozițional. Pentru al doilea sistem răspunsul acestuia urmărește referința, dar din cauza senzorului care transmite semnale oscilante răspunsul nu este ideal.

5. Contribuții personale:

Asamblarea întregului proces, achiziția datelor, identificarea sistemelor pe baza datelor citite, acordarea regulatoarelor, testarea și ajustarea regulatoarelor în sistemul Ovation.

6. Surse de documentare: Îndrumătoare de laborator și cursuri, Internet, documentație oferită de Rosemount și Ovation, Biblioteca UTCN.

Semnătura autorului

Semnătura conducătorului științific

Introducere

Context general

Rolul acestui proiect este prezentarea unui proces tehnologic, care este format din două sisteme, sistemul de reglare și menținere a temperaturii apei într-un bazin și sistemul de reglare a nivelului într-un alt bazin folosind apă de la primul sistem. Sistemul de reglare și menținere a temperaturii este utilizat zilnic în gospodăriile oamenilor, regăsindu-se la boilerele electrice, pentru care utilizatorul își setează temperatura la care dorește să folosească apa. Sistemul de reglare al nivelului a fost adăugat pentru asigurarea funcționării normale a primului sistem, în cazul în care sursa de apă este întreruptă. Prin intermediul acestuia, utilizatorul este capabil să își seteze nivelul suplimentar de apă.

Acest proces, la nivel industrial, se folosește în termocentrale, pentru utilizarea eficientă a căldurii reziduale, provenită de la focar, în preîncălzirea la o temperatură de 40-50 ˚C a apei de alimentare și reglarea nivelului acesteia în tamburul cazanului. Sistemul de preîncălzire a apei se numește economizorul cazanului.

Pentru reglarea și menținerea temperaturii se folosesc două dispozitive, și anume un termoplonjon, cu care se încălzește apa, și o pompă de aer, care ajută la răspândirea uniformă a temperaturii în apă. Măsurarea temperaturii din apă se realizează folosind o termorezistență, aceasta fiind un traductor de temperatură. Reglarea nivelului se realizează cu o pompă centrifugă și o valvă de reglare, iar măsurarea acestuia se realizează cu un senzor analogic de nivel.

În Figura 1.1. este reprezentată schema principială (P&ID) a procesului.

Figura 1.1. Schema principială a procesului

În primul capitol se descrie pe scurt scopul proiectului, cum s-a realizat reglarea procesului format din două sisteme, și anume sistemul de reglare și menținere a temperaturii apei într-un bazin, respectiv sistemul de reglare a nivelului într-un alt bazin folosind apă de la primul sistem.

În al doilea capitol am descris funcționalitatea și am clasificat traductoarele de temperatură, respectiv traductoarele de nivel. Tot în acest capitol s-au prezentat diferite tipuri de sisteme de control industrial și modele de regulatoare.

În al treilea capitol este descris sistemul de control Ovation, este reprezentată partea de implementare a procesului folosind acest sistem și partea de testare (care cuprinde identificarea și calculul regulatoarelor pentru procesul implementat), respectiv de validare.

În ultimul capitol sunt prezentate concluziile la care s-a ajuns după calcularea și implementarea regulatoarelor pe proces.

Obiective

Lucrarea are ca obiectiv automatizarea unui proces format din două sisteme de reglare și menținere a temperaturii, respectiv a nivelului apei în două bazine diferite.

Deoarece procesul este format din două sisteme, o să avem două bucle de reglare. În automatizarea primului sistem s-a utilizat un control bipozițional, din cauză că încălzirea apei este un proces lent, iar pentru al doilea sistem s-a folosit un regulator de tip PI.

Specificații

Întreg procesul a fost automatizat folosind sistemul de control distribuit Ovation. Procesul poate fi utilizat în domeniile care impun o preîncălzire a apei înainte de reglarea nivelului într-un bazin.

În sistemul de reglare și menținere a temperaturii apei într-un bazin, în care se va pune între 7 și 10 litri de apă, încălzirea apei se face cu un termoplonjon și distribuirea uniformă a temperaturii se realizează cu o pompă de aer. Pentru citirea temperaturii am utilizat un traductor de temperatură, și anume o termorezistență, care a fost scalată în intervalul 0-100 ˚C.

În sistemul de reglare și menținere a nivelului, alimentarea cu apă se realizează cu o pompă centrifugă, iar controlul nivelului se face cu o valvă de reglare. Pentru măsurarea nivelului din bazin s-a utilizat un senzor analogic de nivel.

Partea de logică și de grafică a procesului s-a realizat prin intermediul sistemului de control Ovation. Logica este modul de funcționare a dispozitivelor, iar grafica este modalitatea prin care un utilizator poate urmării sau modifica stările procesului.

Semnalul de comandă de la sistem către termoplonjon, pompa de aer și pompa centrifugă se transmite prin trei relee, care se comandă în 24V, iar către valva de reglare se transmite un semnal unificat în 4-20 mA.

Studiu bibliografic

Folosind noțiuni învățate pe parcursul celor patru ani de facultate am realizat automatizarea procesului. Noțiunile despre elementele folosite în această lucrare de studiu sunt cuprinse în studiul bibliografic.

Studiul bibliografic conține următoarele noțiuni:

traductoare de temperatură;

traductoare de nivel (nivelmetre);

sisteme de control industrial;

tipuri de regulatoare.

Traductoare de temperatură

Într-un sistem de reglare automată, traductorul se definește ca un element care convertește mărimea tehnologică într-o mărime (de obicei un semnal electric) care să poată fi comparată cu referința sistemului folosind blocul de comparare de la intrarea regulatorului .

Pentru alegerea unui traductor trebuie luate în considerare următoarele performanțe:

sensibilitatea: proprietate ce determină fluctuații mari ale mărimii de ieșire, la producerea unor fluctuații mici ale mărimii de intrare;

liniaritatea: reflectă raportul între mărimea de ieșire și mărimea de intrare a traductorului în regim staționar, fiind o caracteristică statică;

fidelitatea: proprietatea traductorului de a oferii informații utile numai asupra elementului măsurat, cu influențe minime ale perturbațiilor exterioare;

precizia: indicată prin clasa de precizie, se definește ca un raport al abaterii admisibile, în regim staționar, a traductorului și domeniul de fluctuație al mărimii de la ieșire;

viteza de răspuns: reflectă suprareglajul și durata mărimii de ieșire a traductorului, fiind o performanță dinamică;

finețea: proprietatea traductorului de a efectua funcția de conversie între două mărimi de natură fizică diferită, cu un consum de energie minim.

Traductoarele de temperatură sunt aparate de automatizare capabile să ofere informații despre temperatura citită pentru diferite substanțe.

Cele mai utilizate traductoare de temperatură sunt:

termocuplul;

termorezistența;

termistorul.

Termocuplul

Termocuplul produce o tensiune termoelectromotoare, a cărei valoare se schimbă odată cu schimbarea temperaturii, la fluctuația temperaturii față de o valoare de referință, de unde rezultă că acest traductor este de tip generator.

În Figura 2.1. este reprezentată structura internă a termocuplului, unde:

C1 reprezintă conductorul de pe borna pozitivă (electrodul pozitiv);

C2 reprezintă conductorul de pe borna negativă (electrodul negativ);

Tref reprezintă temperatura de referință;

Tmăs reprezintă temperatura măsurată.

Figura 2.1. Structura internă a unui termocuplu

În Tabelul 2.1. , se vor enumera materialele din care sunt formați electrozii termocuplului, domeniul de măsurare al temperaturii și sensibilitatea.

Tabelul 2.1. Configurația termocuplului

O serie de avantaje și dezavantaje ale termocuplelor sunt prezentate în continuare.

Avantajele:

nu produce semnal de ieșire dacă nu există diferențe de temperatură, produce o tensiune și generează o tensiune electromotoare fără componentă de offset;

în circuitul de măsurare nu necesită polarizări directe;

nu interferează cu alte mărimi de influență.

Dezavantaje:

contaminare chimică, fenomene de evaporare sau chiar topire la temperaturi mari;

limitarea pragului de sensibilitate din cauza zgomotului termic propriu;

la temperaturi mici scade sensibilitatea.

În figura 2.2. sunt reprezentate modele de termocuplu.

Figura 2.2. Modele de termocuplu

Termorezistența

Termorezistența funcționează pe baza variației rezistenței electrice a firului termorezistiv metalic odată cu variația temperaturii, astfel acest traductor este de tip parametric . Aceste traductoare au un timp de răspuns de ordinul zecilor de secunde în aer, iar în apă este de ordinul secundelor. Modificarea rezistenței acestuia se poate determina după formula (2.1).

Unde:

RT: rezistența electrică a termorezistenței;

R0: rezistența electrică a termorezistenței la 0˚C;

k1 și k2: constantele materialului din care este făcută termorezistența;

T: temperatura citită în ˚C.

Componentele unei termorezistențe sunt prezentate în Figura 2.3.

Figura 2.3. Structura termorezistenței

Pentru alegerea metalelor din care sunt făcute termorezistențele se iau în considerare următoarele criterii:

coeficient de variație a rezistivității trebuie să fie mare pentru a asigura o sensibilitate mare;

rezistivitatea trebuie să fie mare pentru a realiza traductoare de dimensiuni cât mai mici;

durabilitate ridicată și stabilitate la acțiunea agenților chimici;

liniaritate bună a caracteristicii de transfer pentru a nu folosi circuite suplimentare de liniarizare;

prețul cât mai mic.

Principalele materiale folosite pentru producerea termorezistențelor metalice sunt: cuprul, platina și nichelul, iar domeniul de măsurare al temperaturii acestora este cuprins între -50 și +180 ˚C, -200 și +1000 ˚C, respectiv -100 și +250˚C.

În Figura 2.4. sunt reprezentate mai multe modele de termorezistențe.

Figura 2.4. Modele de termorezistențe

Termistorul

Termistorul funcționează pe baza variației rezistenței electrice a materialului semiconductor odată cu variația temperaturii, acesta fiind un traductor de tip parametric .

În funcție de coeficientul de variație a rezistivității termistoarele se împart în două categorii și anume termistoare PTC, care au coeficientul pozitiv și termistoare NTC, care au coeficientul negativ. Coeficientul de variație este dat de natura materialelor din care este produs termistorul.

În Figura 2.5. se poate observa variația rezistenței celor două categorii de termistoare în funcție de temperatură.

Figura 2.5. Variația rezistenței în funcție de temperatură la termistoare

Domeniul de măsurare al temperaturii pentru termistoare este cuprins între valorile -200 °C și 400 °C, dar sunt sensibile la șocuri termice, deoarece acestea pot distruge materialul protector.

În Figura 2.6. se regăsesc modele de termistoare.

Figura 2.6. Modele de termistoare

Traductoare de nivel (nivelmetre)

Traductoarele de nivel sunt aparate de automatizare care pot oferii informații despre variația înălțimii lichidului(sau a altor substanțe sub formă de granule sau pulbere) dintr-un bazin .

Principalele traductoare de nivel utilizate în sistemele de automatizare sunt:

cele bazate pe proprietatea electrică a substanței (rezistive sau capacitive);

cele cu radiații;

Traductoarele de nivel bazate pe proprietatea electrică a substanței

Datorită proprietății electrice a substanței, ce poate fi conductoare sau dielectrică, pentru care măsurăm nivelul, nivelmetrele se împart în două categorii și anume nivelmetre rezistive și nivelmetre capacitive.

Traductoarele de nivel rezistive sunt folosite în cazul substanțelor conductoare, unde substanța scurtcircuitează o porțiune de rezistor.

În Figura 2.7. este reprezentată structura nivelmetrului rezistiv unde:

h reprezintă înălțimea bazinului;

x este înălțimea lichidului din bazin;

R reprezintă rezistorul.

Figura 2.7. Structura internă a unui traductor de nivel rezistiv

Traductoarele de nivel capacitive funcționează pe principiul modificării capacității condensatorului prin schimbarea naturii dielectricului în funcție de modificarea nivelului.

În Figura 2.8. avem reprezentarea structurii traductoarelor de nivel capacitive.

Figura 2.8. Structura internă a unui traductor de nivel capacitiv

Modele de nivelmetru rezistiv, respectiv capacitiv se regăsesc în Figura 2.9.

Figura 2.9. Model de nivelmetru rezistiv și capacitiv

Traductoarele de nivel cu radiații

Nivelmetrele cu radiații măsoară nivelul substanței din bazin fără a face contact cu aceasta, motiv pentru care sunt considerate foarte avantajoase și sunt folosite des în medii cu temperaturi mari, toxice sau corozive .

Datorită naturii radiațiilor, aceste nivelmetre pot fi cu microunde sau cu ultrasunete.

Traductoarele de nivel cu microunde se bazează pe principiul reflexiei microundelor de către substanțe conductoare și atenuarea acestora de către substanțe dielectrice.

În Figura 2.10. este reprezentată structura unui nivelmetru cu microunde.

Figura 2.10. Structura unui nivelmetru cu microunde

Traductoarele de nivel cu ultrasunete sunt produse în două modele, cu undă continuă, ce presupune funcționarea în permanență a traductorului, sau în impuls. Acestea pot utiliza atât metoda prin transmisie, unde este obligatorie folosirea a două traductoare, și metoda prin reflexie, unde atât rolul de emițător cât și de receptor sunt îndeplinite de un singur traductor.

În Figura 2.11. avem reprezentată structura unui nivelmetru cu ultrasunete, unde traductoarele 1 și 2 sunt folosite pentru metoda prin transmisie, iar traductorul 3 este folosit pentru metoda prin reflexie.

Figura 2.10. Structura unui nivelmetru cu ultrasunete

Modele de nivelmetru cu microunde, respectiv cu ultrasunete se regăsesc în Figura 2.11.

Figura 2.11. Model de nivelmetru cu microunde și ultrasunete

Sisteme de control industrial

Sistemele computerizare care achiziționează, monitorizează date și iau decizii în sistemul reglat după o structură bine definită se numesc sisteme de control industrial.

În Figura 2.12. este prezentă schema de reglare a unui sistem de automatizare în buclă închisă, unde:

u(t) – semnalul de intrare (referință);

C – elementul de comparație;

a(t) – eroarea staționară la poziție (abaterea);

R – regulatorul;

c(t) – semnalul de comandă;

EE – elementul de execuție;

m(t) – semnalul de execuție;

PT – procesul tehnologic;

y(t) – semnalul de ieșire;

Tr – traductor de măsură;

r(t) – semnalul de reacție;

p1(t) – semnalul de perturbație ce acționează asupra elementului de execuție;

p2(t) – semnalul de perturbație ce acționează asupra procesului tehnologic.

Figura 2.12. Schema de reglare a unui sistem de automatizare cu buclă închisă

Mărimea reglată într-un sistem de control este semnalul de ieșire, care vrem să urmărească cât mai îndeaproape referința sistemului, iar dacă apar diferite perturbații în proces să fie rejectate pentru a nu influența sau modifica drastic semnalul de ieșire.

Regulatorul prelucrează abaterea, generând semnalul de comandă care este transmis ca intrare pentru elementul de execuție. Acesta reprezintă legătura dintre regulator și instalația tehnologică, care dorim să o controlăm în mod automat, iar ieșirea lui este semnalul de execuție. Aducerea sau readucerea valorii semnalului de ieșire la valoarea referinței se face prin modificarea semnalului de execuție .

Controler logic programabil (PLC)

Pentru automatizarea anumitor procese electro-mecanice, de exemplu controlul sistemelor din parcuri de distracții, controlul mașinilor de pe o linie de producție sau chiar controlul mașinilor, se folosește un computer digital numit PLC. Acesta a fost inventat pentru reducerea costurilor în sistemele vechi, care foloseau multe relee și timere .

În Figura 2.13. se regăsește un model de controler logic programabil.

Figura 2.13. Model de PLC – SIMATIC S7-300

PLC-ul este un computer de dimensiuni reduse utilizat în automatizarea sistemelor, având un microprocesor, iar programul este salvat în memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) și poate controla secvențe complexe din sistemul automatizat.

Controlerul logic programabil este utilizat în sisteme cu multe intrări și ieșiri, acesta fiind un computer specializat a cărui construcție este concepută să reziste la diferite condiții severe (frig, umezeală, praf etc.).

În Figura 2.14. avem reprezentată structura internă a unui PLC și conexiunea acestuia la un computer, de unde poate fi programat.

Figura 2.14. Structura internă a unui PLC

Sisteme de control distribuit (DCS)

Un sistem de calculatoare interconectate prin intermediul unei rețele dotate cu un soft distribuit, unde fiecare calculator poate lua o decizie asupra sistemului controlat, pe care o comunică controlerului central, se numește sistem de control distribuit .

Diagrama contextuală a unui DCS este prezentată în Figura 2.15.

Figura 2.15. Diagrama contextuală a unui DCS

DCS-ul este utilizat în diferite sisteme cum ar fi sistemele energetice, în traficul feroviar, maritim și aerian, sistemele de distribuție a gazului și a apei.

Reprezentarea unui sistem de control distribuit cu componentele care pot fi conectate la acesta se regăsește în Figura 2.16.

Figura 2.16. Model de DCS (Ovation)

Modele de regulatoare

Regulatoarele sunt dispozitive care prelucrează eroarea staționară la poziție, rezultat obținut prin scăderea valorii semnalului de ieșire din valoarea semnalului de intrare. Pe baza propriului algoritm de reglare, regulatorul decide ce comandă să aplice asupra elementului de execuție.

Regulatorul tripozițional și bipozițional

Pentru procesele tehnologice nepretențioase și care se încadrează în categoria proceselor lente, se folosesc de obicei regulatoare bipoziționale sau tripoziționale, deoarece pentru reglarea sistemului se folosesc regulatoare cu o structură simplă, acestea fiind fiabile și ieftine. Folosind aceste regulatoare se mai reduce costul și datorită faptului că nu se folosesc amplificatoare de putere, care sunt costisitoare și complicate .

În Figura 2.17. este reprezentată schema de reglare a unui sistem în buclă închisă cu regulator bipozițional sau tripozițional, unde:

r: referința sistemului;

ε: eroarea staționară la poziție;

RBP/RTP: regulatorul bipozițional sau tripozițional;

xc: comanda regulatorului bipozițional sau tripozițional, care este de tip pornit/oprit;

Figura 2.17. Schema de reglare cu regulator bipozițional/tripozițional

Folosind un regulator bipozițional se pot realiza diferite tipuri de reglări, precum ”totul sau nimic”, respectiv ”mai mult sau mai puțin”. Principiul de funcționare constă în amplificarea, folosind un amplificator liniar (A), a erorii staționare la poziție, care este transmisă mai departe ca și comandă, care poate avea valori numai pozitiv definite, elementului de execuție prin intermediul unui tranzistor cu un releu electromecanic (REM). Schema de principiu a unui astfel de regulator este prezentată în Figura 2.18.

Figura 2.18. Schema de principiu a regulatorului bipozițional

Principiul de funcționare al regulatoarelor tripoziționale este asemănător cu cel de la regulatoarele bipoziționale, dar acestea pot realiza și semnale de comandă negativ definite, folosind un amplificator diferențial și două relee electromecanice. Schema de principiu este reprezentată în Figura 2.19.

Figura 2.19. Schema de principiu a regulatorului tripozițional

Regulatorul proporțional (P)

Acest model de regulator se definește prin ecuația (2.2) unde KR reprezintă factorul de proporționalitate al regulatorului:

Factorul KR menționat anterior redă parametrul de acordare al regulatorului, ce poate fi modificat în limite largi.

Regulatorul proporțional este reprezentat de banda de proporționalitate care este definită prin ecuația (2.3) Aceasta poate lua valori pornind de la 1% până la 400% inclusiv.

În Figura 2.20. este descris răspunsul regulatorului proporțional la semnal de intrare de tip treaptă.

Figura 2.20. Răspunsul regulatorului P

Regulatorul proporțional-integrator (PI)

Prin intermediul acestui regulator se îmbină efectul integrator (I) cu efectul proporțional (P). Acest regulator anulează eroarea staționară la poziție și este definit de ecuația (2.4) .

Factorii KR și TI menționați anteriori sunt parametrii de acordare ai regulatorului proporțional-integrator și pot fi modificați în funcție de performanțele impuse sistemului de reglare automată.

În Figura 2.21. este descris răspunsul regulatorului proporțional-interogator la semnal de intrare de tip treaptă.

Figura 2.21. Răspunsul regulatorului PI

Regulatorul proporțional – derivativ (PD)

Combinând efectul proporțional cu un efect derivativ (diferențial) rezultă un regulator de tip PD. Efectul derivativ a fost introdus pentru a reduce suprareglajul, la pornirea sistemului sau în cazul apariției perturbațiilor spontane. Regulatorul PD este definit prin ecuația (2.5) .

Legea de reglare a regulatorului PD este determinată prin factorii de acordare TD, care reprezintă constanta acțiunii derivative, respectiv KR, fiind factorul de amplificare

În Figura 2.22. este descris răspunsul regulatorului proporțional-derivativ la semnal de intrare de tip treaptă, cazul ideal reprezentat în partea stângă și cazul real în partea dreapta.

Figura 2.22. Răspunsul regulatorului PD

Regulatorul proporțional – integrator – derivativ (PID)

Regulatorul PID cuprinde toate cele trei efecte, proporțional, integrator, respectiv derivativ, fiind o combinație liniară a acestora.

Definirea acestui regulator este reprezentă prin ecuația 2.6.

Răspunsul regulatorului proporțional-integrator-derivativ la semnalul de intrare de tip treaptă este descris în Figura 2.23. cazul real reprezentat în partea dreaptă și cazul ideal în partea stângă.

Figura 2.23. Răspunsul regulatorului PID

Analiză, proiectare, implementare

În urma studiului bibliografic efectuat, am realizat un sistem de control pentru reglarea și menținerea temperaturii apei dintr-un bazin, precum și un sistem pentru reglarea, respectiv menținerea nivelului în alt bazin, folosind apa din bazinul în care se face reglarea temperaturii. Aceste procese au fost automatizate folosind sistemul de control Ovation. Deoarece procesul de încălzire a apei este lent, în practică s-a optat folosirea regulatorului bipozițional.

Încălzirea apei s-a realizat folosind un termoplonjon, care este alimentat de la rețea, 230 V, iar pentru răspândirea uniformă a temperaturii am folosit o pompă de aer cu două evacuări, care este alimentată tot de la rețea. Pe evacuările pompei de aer au fost montate două furtunuri, care au fost poziționate pe fundul vasului pentru a realiza rapid răspândirea uniformă a temperaturii. Pentru citirea temperaturii s-a folosit ca traductor de temperatură o termorezistență PT-100 produsă de Rosemount, care are ca ieșire un semnal unificat în 4-20 mA.

Alimentarea cu apă, în bazinul din sistemul al doilea, se realizează în amonte cu o pompă centrifugă, care este alimentată de la rețea, respectiv o valvă de control motorizată, care este alimentată în tensiune continuă, 24 V, iar pentru citirea nivelului s-a folosit un senzor analogic, care are ca ieșire un semnal unificat în 0-5 V.

În Figura 3.1. este reprezentat sistemul construit, care este compus din două acvarii de 15 l, o pompă de aer și o pompă centrifugă, trei relee, un termoplonjon, o valvă de control, o termorezistență și un senzor analogic pentru măsurarea nivelului.

Figura 3.1. Sistemul construit

Sistemul de control Ovation

Ovation este renumit pentru livrarea cu precizie a semnalelor de control, care au performanțe remarcabile, fiind un sistem de control distribuit. Procesarea datelor, folosind acest sistem, se realizează în timp real și sunt folosite pentru funcțiile de comunicare și control. Comunicarea între rețeaua Ovation și sistemul de operare, în timp real, se face prin protocolul TCP/IP, care pune la dispoziție unele funcții de rutare de bază și oferă metode de gestionare generală a resurselor din cadrul controlerului .

Sistemul Ovation este utilizat cu precădere în procesele de producere a energiei electrice sau în instalații de epurare a apelor uzate. Acesta utilizează două controlere, care nu funcționează în paralel pentru controlul procesul industrial, deoarece funcționează pe principiul de redundanță, adică în cazul unor actualizări de date, defecțiuni sau erori ale controlerului principal, celălalt controler preia atribuțiile acestuia. Astfel procesul funcționează în mod continuu, fără sesizarea acestei schimbări. În cazul unei actualizări de date ale controlerelor, aceasta se face pe rând, deoarece nu dorim oprirea totală a procesului.

Controlerul execută diverse subsisteme de intrări/ieșiri (I/O), strategii de control secvențial și strategii de modulare simplă sau complexă, efectuează funcții de achiziții de date și interfețe către rețeaua Ovation.

Reprezentarea controlerului redundant Ovation se regăsește în Figura 3.2.

Figura 3.2. Controlerul redundant Ovation

Transmiterea sau preluarea semnalelor de către controler se realizează prin dispozitive de intrare/ieșire numite module. Sistemul Ovation conține mai multe sloturi pe care se inserează module, după care sunt configurate în softul sistemului pentru a putea fi folosite. Modulele se diferențiază printr-un circuit suplimentar, care se atașează la acestea, numit personality. Aceste circuite sunt folosite pentru alegerea intervalului în care dorim să procesăm semnalele, de exemplu, un modul de intrare analogică poate citi mA (miliamperi) sau mV (milivolți), iar cu personality-ul alegem dacă semnalul este în gama de 0-20 mA, 4-20 mA ( în curent) sau ±50 mV, ±100 mV (în tensiune). Un astfel de modul este reprezentat în Figura 3.3.

Figura 3.3. Modulul de intrări analogice cu personality de 4-20 mA

Ovation Developer Studio este platforma pe care o folosește inginerul pentru configurarea sistemului Ovation, a task-urilor de control și a modulelor, dezvoltă grafica și logica, definește și creează puncte. La această platformă nu au acces clienții sau operatorii acestora, numai de inginerii numiți să modifice ce este necesar. Platforma este prezentată în Figura 3.4.

Figura 3.4. Ovation Developer Studio

Analiză și proiectare

Realizarea acestui proiect a pornit de la ideea necesității zilnice de apă caldă a persoanelor, fără a exista problema de oprire a alimentării. Sistemele de încălzire a apei se regăsesc aproape în fiecare gospodărie, dar în cazul unei defecțiuni ale alimentării cu apă nu se mai poate folosi acest sistem, de aceea am adăugat un bazin suplimentar, în care se controlează nivelul, ca rezervă de apă. Dacă nevoia de apă este mare atunci nivelul din bazinul secundar o să fie setat la o valoare mai mare.

În alcătuirea acestui sistem intră următoarele elemente: două acvarii, un termoplonjon, o pompă de aer, o pompă centrifugă, o valvă de control, o termorezistență, o valvă manuală și un senzor analogic de nivel; având o descriere a utilizării și o imagine sugestivă.

Așadar, în acvariul în care se va realiza reglarea temperaturii, se vor pune între 7-10 litri de apă, urmând să fie așezat termoplonjonul, înainte de a fi pornit, deoarece există posibilitatea de a exploda dacă nu este în contact cu apa. Fixarea termoplonjonului pe acvariu a fost realizată folosind o bucată mică de lemn, pentru a-l putea manevra cu ușurință. Alimentarea acestuia se face de la rețea, adică la o tensiune de 230V și este controlat printr-un releu.

Figura 3.5. Acvariu de 15l

Figura 3.6. Termoplonjon

Pompa de aer are ca scop răspândirea uniformă a temperaturii în apă, într-un timp cât mai scurt. Astfel, din cauza introducerii aerului în apă, care are ca efect amestecarea acesteia, transferul termic se realizează mult mai rapid, decât în cazul unde nu am avea această pompă, situație în care temperatura apei poate varia. Alimentarea pompei se face de la rețea și este controlată folosind un releu, iar debitul de aer introdus poate fi ajustat manual.

Figura 3.7. Pompa de aer

Pentru citirea temperaturii se folosește termorezistența PT-100_385, care este un traductor de temperatură ce are elementul sensibil la căldură făcut din platină, cu rezistența de 100 Ω . Numărul 385, din denumirea termorezistenței, reprezintă coeficientul mediu de temperatură, cu valoarea de 0,00385/˚C, pentru o scalare între 0 și 100 ˚C. Pentru acest proiect scalarea s-a realizat între 0-100 ˚C, deși această termorezistență poate citi valori între -200 ˚C și 800 ˚C.

Figura 3.7. Termorezistența PT-100

Modulul de intrare analogică al sistemului Ovation primește datele citite de către traductor în intervalul 4-20 miliamperi (mA), care este un semnal unificat în curent, unde 4 mA reprezintă 0 ˚C, iar 20 mA reprezintă 100 ˚C.

Alimentarea cu apă a bazinului secundar se realizează folosind o pompă centrifugă, la care se poate ajusta manual debitul de alimentare până la valoarea de 1120 de litri pe oră. Înălțimea maximă la care poate pompa acest dispozitiv este de 70 de centimetri. Aceasta este alimentată de la rețea și este controlată folosind un releu.

Figura 3.8. Pompa centrifugă

Reglarea nivelului în bazinul secundar se realizează folosind o valvă de control motorizată, alimentată la 24 V curent continuu cu modulul de ieșire digitală a sistemului Ovation. Această valvă este controlată de un actuator motorizat, de la care avem ca semnal de reacție poziția acestuia. În funcție de poziția a două contacte de pe circuitul integrat al valvei, știm ce tip de semnal unificat și în ce interval trebuie să îi dăm referința (poziția), precum și în ce gamă este semnalul de reacție a poziției actuatorului. Prin urmare, dacă poziția contactelor este pe deschis rezultă că referința este în intervalul 0-10 V și semnalul de reacție a poziției actuatorului este în 0-20 mA, iar dacă poziția lor este pe închis, referința se află în intervalul 4-20 mA și semnalul de reacție a poziției actuatorului este în 4-20 mA. Conexiunea dintre sistemul Ovation și valva de control se face prin modulul de ieșire analogică, pentru referință, respectiv modulul de intrare analogică, pentru semnalul de reacție a actuatorului, în 4-20 mA, unde 4 mA înseamnă ca valva este închisă și 20 mA că valva este deschisă.

Figura 3.9. Valva de control

Pentru citirea nivelului folosim un senzor analogic, alimentat la 5 V curent continuu. Ieșirea acestuia este un semnal unificat în 0-5 V, care s-a scalat folosind un potențiometru în intervalul 0-100 mV, iar conexiunea dintre senzor și sistemul Ovation se face prin modulul de intrare analogică în 0-100 mV.

Figura 3.10. Senzor de nivel analogic

Controlul dispozitivelor din acest proiect, care sunt alimentate de la rețea, se realizează folosind relee produse de Omron. Acestea pot fi alimentate până la tensiunea maximă de 250 V (volți) și curentul maxim de10 A (amperi), iar comanda este pe 24 V DC (curent continuu). Pentru a controla aceste relee am folosit modulul de ieșire digitală al sistemului Ovation, ce transmite comenzi în 24 V DC.

Figura 3.11. Releu Omron

Pentru automatizarea procesului s-au utilizat programe ale platformei Ovation, Graphics Builder pentru dezvoltarea părții de grafică, unde se pot seta referințele pentru sistemele de control al temperaturii și al nivelului. Tot prin intermediul acestui program, se observă starea și evoluția procesului. Control Builder este utilizat pentru dezvoltarea părții de logică, unde se implementează funcționalitățile procesului.

Figura 3.12. Sistemul de control Ovation

Utilizând modulele de intrare analogică, ieșire analogică și ieșire digitală am achiziționat și transmis date. Modulul de ieșire digitală este folosit pentru transmiterea semnalului de comandă către relee, cu care se controlează dispozitivele alimentate de la rețea, adică termoplonjonul, pompa de aer și pompa centrifugă, respectiv pentru alimentarea valvei de reglare. Modulul de ieșire analogică transmite semnal unificat de comandă, în 4-20 mA, pentru controlul valvei de reglare. Modulele de intrare analogică achiziționează date de la termorezistență, acestea fiind în miliamperi, respectiv senzorul analogic de nivel, acestea fiind în milivolți. Datele achiziționate de la termorezistență se vor converti în grade Celsius, iar cele primite de la senzorul analogic de nivel se vor converti în centimetri.

Implementare

Primul pas în implementarea procesului a fost crearea părți de logică pentru permisiile de funcționare și impunerea unor limite de urgență. Aceste limite sunt luate în calcul deoarece nu dorim defectarea circuitelor sau pierderea unei cantității de apă.

Pentru a putea porni sau opri dispozitivele (alimentate de la rețea), care nu sunt în regimul de urgență, trebuie îndeplinite unele condiții de schimbare a stării acestora, numite permisii de funcționare.

Pe de-o parte, permisiile pentru sistemul de reglare a temperaturii sunt îndeplinite atunci când temperatura apei din bazin este mai mare de 15 ˚C și mai mică de 75 ˚C. În cazul în care temperatura apei scade sub 15 ˚C, atunci comenzile pentru pornirea manuală a pompei de aer și oprirea manuală a termoplonjonului nu mai sunt permise. În cazul în care temperatura apei crește peste 75 ˚C, atunci comenzile pentru oprirea manuală a pompei de aer și pornirea manuală a termoplonjonului nu mai sunt permise.

Pe de altă parte, permisiile pentru sistemul de reglare a nivelului sunt îndeplinite atunci când nivelul apei din bazinul secundar este mai mare de 13.5 cm și mai mic de 16.5 cm. În cazul în care nivelul scade sub limita inferioară atunci oprirea pompei centrifuge nu este permisă, iar dacă nivelul crește peste 16.5 cm atunci pornirea pompei nu este permisă.

Temperatura apei din bazin este măsurată folosind o termorezistență, care poate avea valori cuprinse între 0 ˚C și 100 ˚C. Pentru o bună funcționare a sistemului, temperatura apei ar trebui să fie între 10 ˚C și 80 ˚C. În cazul în care temperatura apei scade sub limita inferioară de 10 ˚C, se oprește pompa de aer și se pornește imediat termoplonjonul, pentru a evita solidificarea apei. Dacă temperatura apei crește peste limita superioară de 80 ˚C, atunci se oprește termoplonjonul și se pornește în regim de urgență pompa de aer pentru a micșora temperatura, astfel evitându-se fierberea apei rezultând pierderea unei cantități de apă.

Nivelul apei din bazinul secundar poate fi citit între valorile de 13 cm (centimetri) și 17 cm, deoarece dacă nivelul nu atinge pragul de 13 cm, acesta nu poate fi detectat motiv pentru care vom porni în regim de urgență pompa centrifugă și vom deschide total ventilul de reglare. În cazul în care se depășește pragul de 17 cm apa v-a scurtcircuita senzorul analogic de nivel, situație ce poate fi evitată oprind de urgență pompa.

Figura 3.13. Setarea permisiilor și a limitelor (partea I)

Figura 3.14. Setarea permisiilor și a limitelor (partea II)

Figura 3.15. Setarea permisiilor și a limitelor (partea I)

Figura 3.16. Setarea permisiilor și a limitelor (partea II)

Pentru setarea dispozitivelor, din sistemul de reglare și menținere a temperaturii apei dintr-un bazin, în modul manual sau automat s-a creat o logică care cuprinde un bloc numit KEYBOARD. Acest bloc preia comenzile din partea de grafică, unde utilizatorul setează cum dorește modul de funcționare al sistemului.

Dacă sistemul este setat în modul manual, atunci utilizatorul poate transmite comenzi de pornire sau oprire ale dispozitivele, adică asupra pompei de aer și a termoplonjonului. Aceste comenzi au fost implementate tot prin blocul KEYBOARD, dar nu sunt transmise mai departe dispozitivelor, doar dacă permisiile sunt active pentru aceste comenzi și dispozitivul este pregătit pentru utilizare.

Această parte de logică se regăsește în Figura 3.17.

Figura 3.16. Setarea modului de funcționare

Pentru implementarea funcționalității dispozitivelor am utilizat un bloc de logică ce are mai multe intrări și ieșiri, care este denumit EDEVICE. Intrările acestui bloc sunt modurile de funcționare (manual sau automat), permisiile de pornire sau oprire, semnalele de reacție (informația despre starea dispozitivului) și porniri sau opriri normale sau în regim de urgență.

Ieșirile sunt comenzile de pornire sau oprire a dispozitivului, semnalul PSTA (prin valoarea căruia se poate deduce starea dispozitivului), semnalul STAT (prin valoarea căruia se deduce ce comandă trimite blocul EDEVICE sau ce semnal de intrare nu este activ pentru ca dispozitivul să funcționeze normal) și semnalul DERR (a cărui valoare ne spune că dispozitivul are o eroare și trebuie remediată). Semnalul ACKT este folosit pentru a transmite blocului EDEVICE informația că eroarea apărută pe semnalul DERR a fost remediată și că dispozitivul poate fi din nou utilizat. Această parte de logică se regăsește în Figura 3.17. și Figura 3.18.

Pe lângă semnalele de ieșire care se regăsesc la EDEVICE-urile folosite pentru termoplonjon și pompa de aer, blocul de logică al pompei centrifuge are un semnal adițional, numit ALG, folosit pentru preluarea comenzilor de pornire, oprire sau setarea pompei în modul automat sau manual de la un pop-up din partea de grafică. Schema pentru acest bloc de logică este reprezentată în Figura 3.19 și Figura 3.20.

Figura 3.17. Semnalele de intrare și blocul EDEVICE (partea I)

Figura 3.18. Semnalele de ieșire și blocul EDEVICE (partea II)

Figura 3.19. Semnalele de intrare și blocul EDEVICE (partea I)

Figura 3.20. Semnalele de ieșire și blocul EDEVICE (partea II)

Pentru simularea semnalelor de reacție am utilizat un bloc de logică de tip memorie, numit FLIPFLOP. Acest bloc conține trei semnale, dintre care două de intrare și unul de ieșire, valorile acestora fiind de tip binar. Pe semnalele de intrare, numite SET și RSET, sunt introduse valorile comenzilor de pornire și oprire ale dispozitivului. Semnalul de ieșire, numit OUT, memorează valoarea semnalului SET, până la activarea semnalului de RSET, moment în care valoarea ieșirii devine zero. EDEVICE-ul cunoaște starea dispozitivului prin aceste semnale de reacție, așadar acesta poate menține sau schimba comenzile de pornire sau oprire. Partea de logică pentru determinarea semnalelor de reacție este prezentată în Figura 3.21. și Figura 3.22.

Figura 3.21. Semnalele de intrare și blocul FLIPFLOP (partea I)

Figura 3.22. Semnalele de ieșire ale blocului FLIPFLOP (partea II)

Blocul de logică COMPARE a fost utilizat pentru controlul bipozițional al termoplonjonului și pentru pornirea pompei de aer, în modul automat. De asemenea, blocul s-a utilizat și pentru activarea comenzilor de pornire sau oprire, în modul automat, a pompei de alimentare. Acest bloc conține cinci semnale, dintre care două de intrare analogică și trei de ieșire binară.

Pe semnalele de intrare ale blocului COMPARE, numite IN1 și IN2, este conectată valoarea de referință fixată de utilizator, respectiv valoarea măsurată de termorezistență (în cazul sistemului de reglare și menținere a temperaturii) sau valoarea măsurată de senzorul de nivel (în cazul sistemului de reglare a nivelului).

Valorile semnalelor de ieșire ale acestui bloc, numite OUT,OUTG și OUTL, sunt utilizate într-o succesiune de operații logice pentru determinarea comenzilor utilizate asupra dispozitivelor. Semnalul de ieșire OUT are valoarea 1 (True) cât timp valorile semnalelor de intrare sunt egale, în caz contrar valoarea 0 (False). Semnalul OUTG își menține valoarea 1 atât timp cât valoarea intrării IN2 este mai mică decât valoarea intrării IN1, în caz contrar semnalul OUTL va avea valoarea 1.

Din cauza efectului de inerție al termoplonjonului, a fost necesară folosirea blocului sumator pentru a scădea valoarea de 0.15 din referința fixată de utilizator. Această valoare cu care am scăzut a fost determinată în urma efectuării mai multor teste în mediul practic. Semnalul de ieșire de la blocul sumator este folosit ca semnal de intrare pentru blocul COMPARE.

Prin urmare, semnalele de ieșire OUT și OUTL a comparatorului determină oprirea termoplonjonului în modul automat, iar semnalul de ieșire OUTG stabilește pornirea termoplonjonului în modul automat, până în momentul schimbării modului de funcționare în manual. Oricare ar fi valoarea semnalelor de ieșire a comparatorului, pompa de aer va funcționa continuu, până când temperatura scade sub 10 ˚C, aceasta fiind în modul de funcționare automat.

În cazul sistemului de reglare a nivelului, semnalul de oprire al pompei de alimentare, în modul automat, este activat dacă unul dintre semnalele de ieșire OUT sau OUTG are valorarea 1. Semnalul OUTL al comparatorului împreună cu semnalul negat de ieșire al blocului HIGHLOWMON (bloc care verifică daca valoarea analogică de pe intrare este în afara intervalului introdus de inginer) activează semnalul de pornire a pompei de alimentare.

Figura 3.23. Blocul de logică COMPARE

Figura 3.24. Semnalele de intrare în blocul COMPARE (partea I)

Figura 3.25. Semnalele de ieșire din blocul COMPARE (partea II)

Interfața cu utilizatorul a fost realizată în aplicația Graphics a sistemului Ovation. Aceasta este singura componentă prin intermediul căreia un utilizator știe în orice moment modul de funcționare al sistemelor de reglare precum și starea procesului și a instalației. Totodată, prin acestă aplicație se poate seta modul de funcționare al dispozitivelor, din modul automat în modul manual sau invers, precum și schimbarea valorilor de intrare ale sistemului, atât cât îi este permis, pentru a îmbunătății sau testa unele dispozitive.

Figura 3.16. Grafica sistemului (Interfața sistemului)

După cum se poate observa în figura 3.26. componentele întregului sistem sunt cele două bazine, unul în care se realizează reglarea temperaturii și unul în care se realizează reglarea nivelului, termorezistența, pompa de aer, pompa centrifugă, termoplonjonul și valva. Starea acestor componente este data de culoarea obiectului grafic, care poate fi verde, când acestea sunt oprite, respectiv roșu când acestea sunt pornite (consumă energie). Valoarea temperaturii apei și a nivelului este indicată, în timp real, de indicatorul numeric al termorezistenței și al senzorului analogic de nivel.

Figura 3.27. Structura sistemului de reglare a temperaturii

Figura 3.28. Structura sistemului de reglare a nivelului

Valorile de referință (a temperaturii și a nivelului) pe care un utilizator vrea să le obțină, sunt introduse de acesta într-un bloc de tip casetă de text, iar mai apoi sunt trimise, prin intermediul unui buton, în partea de logică a procesului.

Figura 3.29. Blocul pentru setarea referinței

Panoul de comandă al părții de grafică conține trei componente, fiecare component fiind formată dintr-un text și două butoane. Textul primei componente semnifică modul de funcționare al sistemelor, ”AUTO” sau ”MANUAL”, iar cele două butoane realizează schimbarea de la un mod de funcționare la celălalt. Cea de-a doua componentă a interfeței reprezintă termoplonjonul, textul ei ne indică starea acestuia, ”PORNIT” sau ”OPRIT”, iar prin intermediul butoanelor ”START” și ”STOP” putem porni sau opri termoplonjonul. Ultima componentă a părții de grafică face referire la pompa de aer, textul indică starea acesteia, ”PORNIT” sau ”OPRIT”, iar prin intermediul butoanelor ”START” și ”STOP” putem porni sau opri pompa de aer. Pentru ultimele două componente schimbarea stării dispozitivelor se poate realiza doar în modul manual.

Pentru ca utilizatorul să primească un răspuns (feedback) în momentul în care a accesat un buton, acesta își schimbă culoarea, și anume dacă acesta este activ are culoarea albastru iar dacă nu este activ, culoarea lui este gri.

Figura 3.30. Panou de comandă în modul manual

Figura 3.31. Panou de comandă în modul automat

În Figura 3.32. este reprezentat panoul de comandă al valvei de reglare, unde pe prima coloană se regăsește comanda regulatorului, a cărei valoare se calculează în funcție de valoarea măsurată de nivel, de pe a doua coloană și valoarea de referință a nivelului. Pe a treia coloană este semnalul de reacție al valvei de reglare, a cărei valoare în procente reprezintă cât de mult este deschisă valva. Această valoare urmărește comanda regulatorului, în modul automat, iar în modul manual se poate seta cu valoarea dorită de utilizator.

Figura 3.32. Panou de comandă al valvei de reglare

Vizualizarea în timp real a modalității de funcționare a procesului, valorile acestuia și comenzile trimise dispozitivelor se face cu ajutorul aplicației Signal Diagram Viewer al sistemului Ovation. De asemenea, se pot modifica valorile unor parametrii iar rezultatele acestor modificări se pot observa imediat. Pentru ca parametrii modificați să-și poată păstra valoarea modificată este necesară actualizarea părții de logică.

Figura 3.33. Aplicația Signal Diagram Viewer

Testare

Sistemele de reglare a temperaturii și al nivelului au fost testate folosind următoarele aplicații:

Sistemul de control Ovation, utilizând un control bipozițional și un regulator PI.

Programul Simulink al platformei Matlab, prin folosirea funcției identificare în mediul practic și cu acordarea diferitor tipuri de regulatoare, folosind metode învățate la facultate, în vederea obținerii unui timp de răspuns cât mai bun.

Testarea în Ovation

Identificarea procesului s-a realizat cu ajutorul aplicației Trend Viewer a platformei Ovation. Prin intermediul acesteia se poate vizualiza starea și evoluția punctelor din sistem, însă numai dacă utilizatorul alege unul sau mai multe puncte, fixează o durată de timp în care dorește vizualizarea acestora și culoarea lor.

În Figura 3.34. se regăsește evoluția sistemului de reglare și menținere a temperaturii în buclă închisă. Temperatura inițială a apei a fost de 35 ˚C, iar după stabilizare aceasta a ajuns la valoarea de 65 ˚C, care a fost și referința dată de utilizator. De pe acest grafic se vor lua performanțele sistemului, cu care se va calcula funcția de transfer a acestuia.

Figura 3.34. Răspunsul sistemului de reglare a temperaturii în buclă închisă

Următorul tabel conține performanțele obținute în urma testării.

Tabelul 3.1. Performanțe obținute pentru sistemul de reglare a temperaturii

După cum se poate observa din răspunsul sistemului și performanțele acestuia, vom aveam o funcție de transfer de ordin întâi cu timp mort, unde s-a ignorat suprareglajul deoarece are o valoare foarte mică și acest lucru nu ne deranjează, structura acesteia fiind reprezentată în ecuația (3.1), unde:

kf este constanta de proporționalitate;

T este constanta de timp

Folosind următoarele formule vom calcula parametri funcției de transfer. Constanta de proporționalitate se calculează ca raportul dintre diferența între răspunsul sistemului în regim staționar și răspunsul sistemului în momentul când s-a aplicat referința de tip treaptă, respectiv diferența între referința în regim staționar și referința în momentul aplicării semnalului de tip treaptă. Constanta de timp se calculează împărțind timpul de răspuns la patru, iar valoarea timpului mort (τm) a fost luată de pe grafic de la momentul când s-a aplicat referința până când răspunsul sistemului a început să se modifice.

Astfel funcția de transfer este următoarea:

În Figura 3.35. se regăsește evoluția sistemului de reglare și menținere a nivelului în buclă închisă. Nivelul inițial al apei a fost de 14 cm, iar după stabilizare aceasta a ajuns la valoarea de 16 cm, care a fost și referința dată de utilizator. De pe acest grafic se vor lua performanțele sistemului, cu care se va calcula funcția de transfer a acestuia.

Figura 3.35. Răspunsul sistemului de reglare a nivelului în buclă închisă

Următorul tabel conține performanțele obținute în urma testării.

Tabelul 3.2. Performanțe obținute pentru sistemul de reglare a nivelului

Suprareglajul pe care îl avem în răspunsul sistemului de reglare și menținere a nivelului în avem din cauza senzorului analogic de nivel, care transmite un semnal în 0-5 volți, dar a trebuit să fie scalat în 0-100 milivolți pentru a putea folosi sistemul Ovation. Prin urmare o să ignorăm acel suprareglaj, iar pe baza graficului și a tabelului cu performanțe ne rezultă un sistem de ordin întâi. Structura funcției de transfer a acestui sistem este reprezentată în ecuația (3.5).

Pentru calcularea parametrilor funcției de transfer se vor folosi formulele din ecuațiile (3.2) și (3.3). Valorile acestor parametri și funcția de transfer se regăsesc în ecuația (3.6).

Pentru sistemul de reglare și menținere a temperaturii am folosit regulatorul bipozițional și am obținut următorul răspuns al sistemului, care este prezentat în Figura 3.36. Tot pe acest grafic se poate observa cum reacționează sistemul cu acest regulator la perturbații.

Figura 3.36. Răspunsul sistemului la perturbații

Acordarea parametrilor regulatorului pentru sistemul de reglare și menținere a nivelului s-a realizat folosind metoda Guillemin-Truxal. Pentru a calcula acești parametri este nevoie să impunem funcția de transfer a sistemului în buclă închisă, fiind definită prin ecuația (3.7).

Pentru coeficientul k0 s-a ales valoarea 1, deoarece nu dorim să avem abaterea staționară la poziție.

Prin această metodă, funcția de transfer a regulatorului se calculează după formula (3.8), din care ne-a rezultat un regulator de tip PI.

Răspunsul sistemului cu acest regulator se află în Figura 3.37. pe care se mai poate observa și comanda regulatorului, cu care se controlează valva de reglare.

Figura 3.37. Răspunsul sistemului și comanda regulatorului

Testarea în Simulink

Pentru că tensiunea de alimentare a termoplonjonului nu se poate varia, s-a optat pentru testarea în Simulink a sistemului ce folosește o sursă de căldură variabilă. Această sursă primește comanda de la regulatoarele acordate pe baza metodei Chien-Hrones-Reswich și a metodei Ziegler-Nichols, utilizând coeficienții funcției de transfer identificate la partea de testare în Ovation. Pentru diferite cazuri de testare se vor calcula regulatoare de tipul P, PI și PID.

Metoda Chien-Hrones-Reswich a fost aleasă din cauză că ne asigură un răspuns optim al sistemului la perturbații, iar metoda Ziegler-Nichols a fost folosită datorită faptului că asigură un răspuns optim al sistemului în raport cu referința. Aceste metode de acordare a regulatoarelor sunt folosite pentru sisteme cu timp mort.

Formulele pentru acordarea acestor regulatoare prin cele două metode se află în Tabelul 3.3.

Tabelul 3.3. Formule de acordare a regulatoarelor

Unde coeficienții din tabel reprezintă :

KR este coeficientul de proporționalitate a regulatorului;

TI este constanta de integrare în timp a regulatorului;

TD este constanta de derivare în timp a regulatorului;

kf este coeficientul de proporționalitate a funcției de transfer a părții fixate;

T este constanta de timp a funcției de transfer a părții fixate;

τm este constanta de timp mort a funcției de transfer a părții fixate.

În urma înlocuirii coeficienților în formulele din tabelul de mai sus au rezultat următorii parametri de acordare a regulatoarelor, care se regăsesc în Tabelul 3.4.

Tabelul 3.4. Parametri de acordare a regulatoarelor

Structurile de reglare din Simulink se regăsesc în următoarele figuri.

Figura 3.38. Structura de reglare din Simulink cu regulator P

Figura 3.39. Structura de reglare din Simulink cu regulator PI

Figura 3.40. Structura de reglare din Simulink cu regulator PID

Performanțele sistemului obținute în urma acordării regulatoarelor se regăsesc în Tabelul 3.5.

Tabelul 3.5. Performanțele sistemului cu regulatoarele acordate după cele două metode

Detaliile referitoare la performanțele obținute s-au colectat din figurile de mai jos.

Figura 3.41. Răspunsul sistemului cu regulator P (metoda Chien-Hrones-Reswich)

Figura 3.42. Răspunsul sistemului cu regulator PI (metoda Chien-Hrones-Reswich)

Figura 3.43. Răspunsul sistemului cu regulator PID (metoda Chien-Hrones-Reswich)

Figura 3.44. Răspunsul sistemului cu regulator P (metoda Ziegler-Nichols)

Figura 3.45. Răspunsul sistemului cu regulator PI (metoda Ziegler-Nichols)

Figura 3.46. Răspunsul sistemului cu regulator PID (metoda Ziegler-Nichols)

Validare

Rezultatele obținute în urma testărilor efectuate confirmă faptul că, regulatorul bipozițional nu este cea mai bună alegere pentru reglarea temperaturii în ciuda faptului că sistemul este lent. Testările precedente din Simulink arată faptul că răspunsul sistemului folosind regulatorul de tip P ne oferă cel mai bun timp de răspuns, dar cu abatere staționară la poziție, lucru pe care nu-l dorim în sistem. Prin urmare, regulatorul de tip PI acordat cu criteriul Chien-Hrones-Reswich, care este asemănător cu criteriul Ziegler-Nichols, a obținut cel mai optim(bun) timp de răspuns cu o abatere staționară la poziție nulă.

În Tabelul 3.6 avem valorile performanțelor sistemului cu regulatoarele calculate prin metoda Chien-Hrones-Reswich și metoda Ziegler – Nichols, pe care le comparăm cu performanțele sistemului cu regulator bipozițional.

Tabelul 3.6. Compararea celor trei seturi de performanțe obținute

Concluzii

Rezultate obținute

Fiind date graficele de mai jos, se remarcă faptul că timpul de răspuns, în Simulink (Matlab), este cel mai optim folosind regulatoare de tip P, însă acestea au abatere staționară la poziție. Astfel, s-a ajuns la concluzia că cel mai bun timp de răspuns fără să existe o abatere staționară la poziție se obține folosind un regulator de tip PI calculat prin criteriul lui Chien – Hrones –Reswich.

Figura 4.1. Răspunsul sistemului în mediul practic

Figura 4.2. Răspunsul sistemului cu regulator PI (Ziegler – Nichols)

Figura 4.3. Răspunsul sistemului cu regulator PI (Chien – Hrones –Reswich)

În tabelul 4.1, se remarcă performanțele regulatorului bipozițional ca fiind destul de bune, chiar dacă acesta nu este cel mai optim regulator din punct de vedere al timpului de răspuns.

Tabelul 4.1. Performanțe sistemului

Direcții de dezvoltare

Procesul actual poate fi îmbunătățit pe viitor prin atașarea unui sistem de filtrare a apei, pentru a putea folosi apa provenită din orice mediu, astfel încât să se reducă în proporții cât mai mari a depunerilor de impurități pe pereții bazinelor, dar și pe dispozitivele vitale.

Pentru realizarea unui control cât mai optim al temperaturii, ar trebui să se înlocuiască termoplonjonul cu o sursă de căldură controlabilă, astfel că eficiența acestuia constă în consumul cât mai redus de curent.

Pentru a putea determina și regla nivelul apei din întreg bazinul cu o aproximare cât mai exactă, ar fi de preferat înlocuirea senzorului analogic cu un traductor de nivel cu ultrasunete.