Analiza Stadiului Actual de Dezvoltare a Instalațiilor Automatizate Pentru Deshidratarea Fructelor, Legumelor Si Plantelor Medicinale

Cuprins

Introducere ………………………………………………………………………………………………………… 2

Capitolul I Analiza stadiului actual de dezvoltare a instalațiilor automatizate pentru deshidratarea fructelor, legumelor si plantelor medicinale ……………….. ………………… 3

Capitolul II Sisteme de reglare automată a temperaturii ……………………………………. 19

Capitolul III ………………………………………………………………………………………………………. 29

Capitolul IV ……………………………………………………………………………………………………….. 3

Capitolul V…………………………………………………………………………………………………………. 3

Concluzii ……………………………………………………………………………………………………………. 3

Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………… 3

Introducere

Temele de ingineria reglării și de prelucrare a semnalului continuă să fie de actualitate și să se dezvolte. În comun cu investigația generală științifică, idei noi, concepte și interpretări apar destul de spontan și acestea sunt apoi discutate, folosite sau eliminate.

Temperatura este o mărime fizică de foarte mare importanță pentru cunoașterea stării proceselor naturale și industriale [4].

Temperatura unui mediu (solid, lichid sau gazos) poate fi determinată pe baza efectului pe care îl produce asupra unui senzor de temperatură cu care mediul respectiv se află în contact direct sau pe care îl influențează de la distanță [4].

În această Lucrare de Licență cu tema ,,Studiul și proiectare unui sistem de reglare automată a temperaturii într-un deshidrator de fructe’’ am să descriu modul de proiectare, realizare și funcționare a sistemului de reglare automată a temperaturii cu ajutorul regulatorului de temperatură Honeywell UDC 3200. Sistemului de reglare automată a temperaturii este alcătuit din: termorezistența Pt 100 (elementul de detecție a temperaturii), regulatorul de temperatură Honeywell UDC 3200 (indeplinește funția dublă de traductor și regulator de temperatură), releul cu semiconductori (indeplinește funția de protecție la suprasarcină a regulatorului de temperatură), rezistența de încălzire, ventilatorul de omogenizare a temperaturii (elemente de executie) si cuptorul tubular (procesul).

Lucrarea de Licență este structurată pe patru capitole cu următoarul conținut:

Capitolul I descrie Analiza stadiului actual de dezvoltare a instalațiilor automatizate pentru deshidratarea fructelor, legumelor si plantelor medicinale.

Capitolul II descrie sistemele de reglare automată a temperaturii.

Capitolul III descrie proiectarea sistemului de reglare automată a temperaturii unui deshidrator de fructe.

Capitolul IV descrie implementarea și testarea sistemului de reglare automată a temperaturii.

Lucrarea de față se va încheia cu capitolul Concluzii în care vor fi cuprinse concluziile rezultate după realizarea acestui proiect și modalitățile de îmbunătățire viitoare ale proiectului.

Capitolul I

Analiza stadiului actual de dezvoltare a instalațiilor automatizate pentru deshidratarea fructelor, legumelor și plantelor medicinale

Fructele și legumele furnizează fibre, minerale și vitamine indispensabile pentru o dieta sănătoasă în alimentația populației. Consumul de fructe și legume are un rol important în prevenția unor boli cronice, probleme cardiovasculare, diabet tipul II, demență și al unor tipuri de cancer. Aceste observații au determinat recomandările Organizației Mondiale a Sănătății conform cărora o persoană trebuie să consume zilnic o cantitate de minim 400g de produse vegetale. Pe lângă furnizarea de vitamine și minerale fructele și legumele reprezintă o sursă de fibre și nutrienți esențiali care au o mulțime de efecte benefice privind sănătatea cum ar fi antioxidanții și antiinflamatorii, care duc la scăderea grăsimilor și produc efecte benefice asupra presiunii sângelui și a funcțiilor endocrine [9].

Deși fructele și legumele proaspete asigură un nivel mult mai ridicat de nutrienți, conservarea acestora este necesară pentru asigurarea acestor elemente pe toată perioadă anului, atunci când fructele și legumele proaspete nu sunt diponibile. Conservarea produselor prin folosirea de temperaturi înalte sau expunerea la oxigen determină pierderea unei cantități importante de nutrienți, în mod special de vitamine, unele dintre acestea fiind distruse la temperaturi de peste 40 grade celsius [5]. Păstrarea acestor produse în stare proaspată este posibilă numai pentru o perioadă limitată de timp [19].

Deshidratarea este una dintre cele mai vechi metode de conservare a fructelor și legumelor. Prin deshidratare se diminuiază conținutul de apă al produslui în scopul conservării acestuia și de asemenea pentru reducerea masei și volumului acestora, a costurilor cu ambalarea, stocarea și transportul [4]. Pentru deshidratare produsele vor fi selectate, curățate, tăiate, și li se pot efectua unele tratamente premergătoare cum ar fi opărirea. Datorită opăririi se opresc reacțiile enzimatice, sunt distruse microorganismele dăunătoare și se micșorează timpul de deshidratare [6] . Tratarea produselor cu o soluție de dioxid de sulf îmbunătățește conservarea culorii și reducerea pierderii carotenului și al acidului sorbic. Pentru păstrarea nutrienților și vitaminelor s-au dezvoltat tehnologii de deshidratare la rece. Deoarece echipamentele sunt mult mai scumpe și complexe decăt sistemele clasice prin convecție acest procedeu se folosește în industria farmaceutică. După deshidratare produsele sunt ambalate și pot fi depozitate la temperaturi cuprinse între 10 si 25 grade celsius, în funcție de conținutul final de umiditate și destinația acestora [17].

Conservarea prin refrigerare spre deosebire de deshidratare păstrează o parte importantă a nutrienților, dar depozitarea produselor la temperaturi scăzute, pe toată perioada conservării, până când acestea vor fi folosite, implică costuri mult mai ridicate decât în cazul deshidratării [17].

Prelucrarea prin pasteorizare si sterilizare (producerea de conserve, compoturi, gemuri, dulcețuri și alte produse finite) reprezintă o metodă de conservare care duce la produse finite cu un termen de valabilitate mare și cu o valoare adăugată mărită [17].

Achiziția unui utilaj pentru deshidratare trebuie gândită bine deoarece caracteristicile acestuia influențează atât fluxul tehnologic cât și costurile inițiale ale unei afaceri de acest gen. Dimensiunea utilajului se alege pornind de la cantitatea de produs uscat care trebuie obținută sau de la cantitatea de produs proaspăt care trebuie procesat. Dacă pornim de la cantitatea de produs uscat trebuie să calculăm masa produsului proaspăt care va fi supusă deshidratării pentru a putea dimensiona apoi suprafața de deshidratare, elementul de încălzire și restul elementelor de execuție. După dimensionarea suprafeței de deshidratare se alege dimensiunea tăvilor și modul de amplasare al acestora [17].

Prin procesul de deshidratare se reduce conținutul natural de apă al unui corp. Deshidratarea poate avea multiple obiective: conservarea alimentelor, reducerea masei și a volumului, modificarea unor caracteristici fizico-chimice ale produselor, oprirea dezvoltării microorganismelor care duc la degradarea produselor etc. Apa are ponderea cea mai mare în masa unui fruct sau legumă [14]. În urma deshidratării produsele trebuie să își păstreze cât mai multe dintre însușirile inițiale cum ar fi: gustul, culoarea, valoarea nutritivă, vitaminele etc. În cazul produselor care se deshidratează în scopul rehidratării lor ulterioare, trebuie avut în vedere că procentul de umiditate din produse trebuie să fie suficient de mic pentru conservarea pe o durată cât mai lungă de timp, dar suficient de mare pentru o rehidratare cât mai corectă [17].

Deshidratarea este un proces energofag, o mare parte din energia utilizată în industrie fiind utilizată de acest proces, în funcție de țară între 15 și 20% din consumul total industrial [1,2] de aceea alegerea rațională a echipamentelor este un factor important pentru îmbunătățirea proceselor tehnologice, reducerea nivelului poluării mediului și creșterea randamenului economic [17]. &

Metode si utilaje pentru deshidratarea fructelor si legumelor

Procesul de deshidratare poate fi realizat cu ajutorul mai multor tipuri de utilaje, fiecare tip de utilaj fiind optimizat pentru a realiza deshidratarea unui anumit tip de produse. În cazul producției mici și medii sau în cazul proceselor de durată mare, se folosesc uscătoare cu funcționare discontinuă, în general uscătoare prin convecție la presiune atmosferică sau în vid. În cazul fabricilor mari care necesită un flux continuu de material uscat se recomandă deshidratoarele cu funcționare continuă, utilaje în care materialul este deplasat în interiorul uscătorului de la intrare spre ieșire [17].

Deshidratoarelor prin convecție sunt foarte utilizate din mai multe motive, cele mai importante fiind: costul mic de realizare, întreținere și reparație ușoare, flexibilitate privind forma,  dimensiunile și natura materialului ce poate fi deshidratat, nu necesită cunoștințe avansate de operare și întreținere din partea operatorului, pot fi alimentate cu energie din cele mai diverse surse (gaz, lemne, electricitate etc.) [17].

Fig. 1.1. Schema de principiu a camerei de deshidratare [17].

Deshidratoarele prin convecție sunt utilizate în deshidratarea fructelor,  legumelor și plantelor, deshidratarea mierii, uscarea cărnii și a peștelui, uscarea cherestelei, uscarea materialelor de constructii etc [17].

Cea mai răspândită metodă de deshidratare a fructelor și legumelor este cea convectivă, în care se folosește o sursă de căldură și un agent pentru îndepărtarea vaporilor de apă de pe suprafața corpului supus deshidratării [17].

1.2 Durata procesului de deshidratare

Durata procesului de deshidratare este influențată de mai mulți factori dar cei mai importanți factori sunt tipul și forma produsului supus deshidratării si temperatura. Când vom compara două utilaje pentru deshidratare, timpul în care se execută procesul trebuie să fie dat pentru același produs și aceeași formă de prezentare a acestuia, altfel comparația nu are rost. Pentru a lămurii lucrurile să luăm de exemplu prune întregi și prune rupte în jumătăți. Timpul de deshidratare al prunelor întregi este cuprins între 24 și 30 de ore, iar cel al prunelor jumătăți este cuprins între 12 și 15 ore, în ambele cazuri fiind utilizat același utilaj și aceeași temperatură de deshidratare. Un alt exemplu este cel al feliilor de măr care se deshidratează în 6-7 ore. [17].

1.3 Construcția deshidratoarelor

Fig. 1.2. Schema Bloc a unui deshidrator de fructe [17].

PC – calculator, SWITCH – comutator, AC/DC – sursă de alimentare, ADC/NET – adaptor comunicare la distanță (internet), S0, S1, S2, S3, S4 – senzori de temperatură, C1, C2, C3 – clapete de evacuare, V – ventilator, CT – centrală termică, SA – întrerupător de tensiune (400V AC)

Pe durata activității de proiectare și construcție a deshidratoarelor trebuiesc avute în vedere următoarele detalii [17]:

Grosimea și calitatea izolației sunt cele mai importante caracteristici ale unui deshidrator. De aceste elemente depinde în mod direct eficiența energetică a instalației. O izolație slab executată sau prea subțire poate duce la pierderi mari de căldură ceea ce va scădea eficiența instalației. Cu căt izolația este mai groasă și punțile termice dintre carcasa interioară a camerei și carcasa exterioară sunt mai slabe, cu atât eficiența crește. O mare atenție trebuie acordată de asemenea îmbinărilor și elementelor mobile cum ar fi ușile. Acestea trebuie să dispună de garnituri care să împiedice aerul să scape din incintă.

Fig. 1.3 Panou termoizolant [17].

O izolație bună pentru o astfel de instalație poate fi executată din vată minerală cu o grosime de 100 mm între doua foi de tablă. O altă soluție sunt panourile “sandwitch” dar datorită utilizării acestora în mediu umed va trebui ca cel puțin fața expusă către interior să fie executată dintr-un material inoxidabil (plastic, aluminiu sau inox).

Ventilarea aerului este factorul care influențează viteza de deshidratare. Din documentare și cercetări s-a concluzionat că o viteză de 4 m/s a aerului la suprafața produselor este suficientă pentru o deshidratare optimă. Ideal este ca în funcție de tipul produsului această viteză să poată fi scazută. O metodă des folosită este utilizarea convertizoarelor de frecventă pentru a comanda motoarele ventilatoarelor. Ventilatoarele utilizate pot fi de două feluri: axiale și centrifugale.

Ventilatoarele axiale au avantajul posibilității inversării sensului de rotație, și astfel al sensului de ventilare al aerului. Acest lucru este foarte important pentru deshidratoarele unde traseul aerului este lung, excluzând din această categorie deshidratoarele tunel care funcționează în mod continuu. Inversarea sensului de vehiculare duce la o omogenizare a umiditații produselor și previne deshidratarea inegală de-a lungul deshidratorului. Dezavantajul unora dintre ventilatoare este faptul că necesită o constructie specială a motorului (motor tropicalizat) deoarece acesta va lucra la temperaturi și umidități ridicate, lucruri care implică și un cost mai ridicat. Pentru astfel de ventilatoare se recomandă motoarele cu bobinaj în clasa H, sau cu unele rezerve cele în clasa F.

Fig. 1.4 Ventilatoare axiale pentru uscatoare [17].

Ventilatoarele centrifugale au avantajul că au motoarele în exteriorul fluidului vehiculat, astfel răcirea acestora nu mai este o problemă. Dezavantajul este că schimbarea sensului de rotație nu duce și la schimbarea direcției de vehiculare a aerului ci duce la reducerea randamentului. Aceste ventilatoare trebuiesc prevăzute cu protecție la schimbarea fazelor de alimentare în cazul alimentării directe de la rețea deoarece mai pot exista cazuri în care furnizorul de energie să schimbe ordinea fazelor și drept urmare ventilatoarele vor funcționa invers.

Sistemul de încălzire al unei incinte de deshidratare este dependent în general de tipul de energie folosit. În cazul energiei electrice acesta poate fi format din tuburi cu rezitențe electrice sau radiatoare cu apă caldă, în cazul în care energia electrică este întăi convertită în energie termică prin încălzirea apei ca fluid intermediar. În cazul în care instalația dispune de încălzirea cu radiatoare pentru apă caldă tipul de energie poate fi din cel mai divers, singura cerință fiind să existe o centrală termică, care să încălzească apa la o temperatură optimă desfășurării procesului. În general temperatura optimă este cu 10-15 grade celsius mai mică decăt temperatura maximă necesară procesului. În general centralele termice indiferent de tipul combustibilului pot produce apă caldă la temperatura de 95 grade celsius.

Fig. 1.5 Element rezistiv pentru încălzirea aerului [17].

Sistemul de încălzire trebuie dotat cu un sistem de control al agentului termic. În cazul apei acesta poate fi o electrovana cu 2 sau 3 căi. În general se utilizează vanele cu 3 căi deoarece este indicat să recirculăm agentul neutilizat înapoi la cetrală pentru reducerea timpului de pornire al instalației.

Fig. 1.6 Tuburi cu aripioare extrudate pentru schimbător de căldură apă-aer [17].

Evacuarea aerului uzat trebuie făcută în așa fel încât energia acestuia să fi fost utilizată căt mai eficient. Evacuarea unui aer prea cald și uscat înseamnă pierderi energetice. În funcție de modul de funcționare al instalației aerul este fie recirculat total, parțial sau nu se recirculă deloc.

În cazul recirculării totale este obligatorie monitorizarea umidității aerului pentru a fi evacuat și înlocuit cu aer proaspăt în momentul în care nu mai are loc nici un schimb de vapori între produse și acesta. În cazul recirculării totale, în momentul în care aerul este înlocuit va avea loc o scădere a temperaturii în incintă.

În cazul recirculării parțiale, pe întreaga durată a procesului aerul este menținut la anumiți parametri stabiliți de gradul de recirculare. Permanent în sistem este introdus aer proaspăt dar și evacuat aer uzat. Datorită aportului de aer proaspăt permanent, vom avea nevoie și de o sursă de energie care să mențină temperatura la un nivel stabil.

Fig. 1.7 Clapeta pentru evacuare aer [17].

În cazul în care aerul nu este recirculat există riscul ca în cazul în care instalația nu este dimensionată și construită corespunzător să avem diferențe de umiditate în fructe și randamentul acesteia să fie foarte scăzut. Acest tip de deshidratoare pot fi construite pe sistem solar cu încălzirea directă a aerului din incintă. În unele situații și forme constructive, aceste deshidratoare nu necesită nici măcar alimentare cu curent electric pentru ventilație datorită convecției naturale. Aceste tipuri de deshidratoare se pretează pentru utilizarea pe timpul verii în zilele însorite. Avantajul costului mic de constructie și operare este umbrit de impredictibilitatea condițiilor meteo cât și de raportul dintre suprafata ocupată și cantitatea de produse deshidratate. În orice caz, acest deshidrator este o alternativă “eco” și poate fi adoptat de oricine dispune de spatiu și nu este presat de obținerea unei producții impresionante [10].

Fig. 1.8 Servomotor pentru acționarea clapetei de aer [17].

Construcția sistemul de evacuare al aerului este dependentă de modul de amplasare al ventilatoarelor de recirculare al aerului. În general sunt două metode utilizate: cu clapete amplasate în fața și în spatele ventilatorului de recirculare, metodă întâlnită în general la deshidratoarele cu tavan fals sau extragerea și introducerea aerului forțat cu ventilatoare auxiliare. Ambele metode sunt valide și se aleg în funcție de necesități și posiblități.

Umidificarea aerului este uneori necesară în cazul produselor sensibile la scăderi bruste de umiditate. Acest sistem constă într-o diuză care pulverizează apa în aerul din incintă pentru ridicarea umiditătii acestuia. Curgerea apei este controlată în general prin intermediul unei electrovalve.

Construcția tăvilor reprezintă un factor important din mai multe puncte de vedere. Dimensiunea, masa și materialele din care sunt construite acestea influențează atât procesul tehnologic cât și eficiența termică și pe cea financiară. Spre deosebire de sistemele de deshidratare al cherestelei, unde materialul supus procesului reprezintă și suportul, în cazul fructelor și legumelor acestea trebuiesc așezate pe o suprafață suport pentru conducerea optimă a curenților de aer.

Dimensiunea și masa tăvilor poate varia de la producător la producător, dar este indicat ca aceasta să se încadreze în niște standarde pentru a evita problemele logistice.

Materialele din care sunt construite tăvile trebuie să fie aprobate pentru uzul în industria alimentară deoarece acestea intra în contact direct cu produsul. Tăvile sunt formate în general dintr-o ramă și o plasă. Constructia ramei poate fi făcută din inox sau din lemn de esență tare, ultima variantă fiind cea mai economică. Plasa de sustinere a produselor trebuie să asigure atăt o circulație adecvată a aerului cât și o curățare ușoară a acesteia. Este de evitat folosirea plaselor din aluminiu, plastic sau fibră de sticlă deoarece pot afecta calitatea produselor, unele plastice emanând substante nocive. Cel mai indicat material pentru plasele deshidratoarelor este inoxul alimentar. Ochiurile plasei pot fi oricât de mari în așa fel încât să nu permita produselor să cadă printre ele. Dimensiunea minimă a ochiului recomandată este de 1-2 mm. Grosimea firului din care este executată plasa este dependentă și de dimensiunea ochiului dar o valoare minimă acceptabilă este de 0.2 mm. Orientativ, dimensiunile ochiurilor plasei sunt similare cu cele ale plasei de țânțari.

Fig. 1.9 Plasa de inox pentru construcția tăvilor pentru deshidratare [17].

Materialele utilizate în construcția incintei trebuie să fie rezistente la mediul cald și umed în care vor funcționa. Dacă pe exteriorul deshidratoarelor poate fi folosită chiar și tabla de otel vopsită în cel mai rău caz, la interior problema stă altfel, materialele oxidabile trebuind evitate pe cât posibil. Chiar și șuruburile galvanizate sau cromate vor ceda mai devreme sau mai târziu. Suprafața incintei de deshidratare trebuie să fie la interior executată din materiale cum ar fi aluminiul, inoxul sau plasticul alimentar. În general incintele frigorifice sunt executate din astfel de materiale și în unele cazuri acestea pot fi folosite cu succes pentru deshidratoare. Tăvile vor fi așezate pe rafturi, acestea trebuind să fie executate fie din aluminiu fie din inox. În cazul în care tăvile vor fi așezate pe cărucioare care vor fi scoase din incintă, acestea pot fi achiziționate direct de la producătorii de profil din industria alimentară.

Fig. 1.10 Deshidrator pentru fructe și legume (INMA Bucuresti) [17].

1.4 Sistemul de automatizare

Sistemul de automatizare reprezintă în zilele noastre o necesitate pentru creșterea randamentului și scăderea costurilor într-o lume tot mai competitivă. Sistemul de automatizare constă în 3 elemente principale: datele de intrare, prelucrarea datelor pentru controlul procesului și elementele de execuție [17].

Fig. 1.11 Sistemul de automatizare (programul pentru PC). Producător Blue Spark Systems [17].

Datele de intrare sunt valori ale mărimilor fizice preluate de către diverși senzori și convertite în informație compatibilă cu un sistem informatic. În general în cazul instalațiilor de deshidratare mărimile fizice utile sunt în ordinea importanței: temepratura aerului, umiditatea relativă, temperatura produselor, masa produselor și viteza aerului. Cu ajutorul acestor valori ale parametrilor, un sistem de automatizare va lua decizii privind desfășurarea procesului. Senzorii de temperatură pot fi de tip PT100, PT1000 sau termocuplu. Pentru măsurarea umidității relative pot fi folosite higrometre capacitive, rezistive s.a.m.d. În unele cazuri senzorii de temperatură și umiditate se găsesc în aceeasi carcasă. Pentru măsurarea masei produselor se foloses doze tensometrice amplasate fie în interior sau în exteriorul incintei, în funcție de posibilitatea acestora de a lucra în mediul respectiv. Dozele de cântărire pot fi amplasate fie pentru cântărirea întregii cantițăti de produse, fie pentru cântărirea unui eșantion reprezentativ al cantității [17].

Fig. 1.12 Tabloul de automatizare Producător Blue Spark Systems [17].

Prelucrarea datelor se face de către un program specializat care reprezintă inteligența producătorului și punerea în practică a experienței sale acumulate în scopul de a oferi clienților cea mai bună alternativă posibilă atât din punct de vedere al tehnicii deshidratării cât și al interfațării cu utilajul. Programul poate rula pe cele mai diverse dispozitive cum ar fi: PLC-uri, calculatoare, tablete sau microcontrolere. Indiferent de platforma folosită, programul trebuie să îndeplinească câteva funcții importante: controlul temperaturii și umidității, contorizarea timpului, oprirea procesului în anumite condiții. Fiecare producător poate implementa diverse funcții care ajută utilizatorul în activitatea de deshidratare cum ar fi: posibilitatea implementării de rețete, statistici și grafice, controlul utilajului de la distantă sau prin intermediul dispozitivelor mobile, integrarea utilajelor în cadrul unui sistem de planificare a resurselor întreprinderii s.a.m.d. [17].

Elementele de execuție sunt cele prezentate anterior: ventilatoare, surse de încălzire, clapete si umidificatoare. Controlul acestor elemente este efectuat de către programul care controlează automatizarea deshidratorului în funcție de datele de intrare și logica procesului de deshidratare [17].

Capitolul II

Sisteme de reglare automată a temperaturii

2.1 Generalități

Automatica reprezintă o ramură a științelor tehnice care se ocupă cu studiul metodelor și mijloacelor cu ajutorul cărora se asigură conducerea proceselor fără intervenția nemijlocită a omului [10].

Automatizarea constituie aplicarea automaticii la un proces sau la o clasă de procese. Din punct de vedere istoric automatizarea succede mecanizării și creează premisele obiectivizării deciziei în conducerea proceselor tehnologice [10].

În sensul cel mai larg prin proces se înțelege o succesiune de transformări ce caracterizează diverse obiecte sau fenomene în evoluția lor spațio-temporală. O categorie importantă de procese este reprezentată de cele fizice care întotdeauna sunt însoțite de transferuri masice și energetice. În contextul prezentei lucrări interesează procesele care au loc în instalațiile industriale, denumite procese tehnologice [10].

Conducerea unui proces tehnologic reprezintă activitatea de dirijare a desfășurării procesului în sensul dorit, în vederea realizării unor obiective impuse. Conducerea presupune aplicarea de comenzi către proces. Comenzile sunt aplicate procesului de către un mijloc de conducere conform unei metodologii în cadrul unei strategii de conducere [10].

Conducerea automată implică aplicarea de comenzi procesului in condițiile cunoașterii stării acestuia. Din punct de vedere informațional, un proces se individualizează prin intermediul mărimilor (variabilelor) de intrare și de ieșire [10].

Variabilele de intrare se mai numesc variabile de tip cauză sau independente, iar cele de ieșire mai sunt cunoscute și sub numele de variabile de tip efect sau dependente [10].

2.2 Sisteme de reglare automată

Conceptul de sistem a apărut și s-a dezvoltat de-a lungul timpului, ca rezultat al evidențierii unor trăsături și comportamente comune pentru o serie de procese și fenomene din diferite domenii, fapt ce a permis tratarea acestora, din punct de vedere structural-funcțional, într-un mod unitar, sistemic [5].

Noțiunea de sistem are o sferă de cuprindere foarte largă, fiind frecvent întâlnită în știință și tehnică (în general, în toate domeniile gândirii și acțiunii umane), însă aproape întotdeauna în asociație cu un atribut de specificare; de exemplu, sistem automat, sistem de transmisie, sistem informațional, sistem de semnalizare, sistem de producție, sistem filozofic, sistem social etc. [5].

Sistemele automate sunt sisteme tehnice de supraveghere, comandă și control al proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului [5].

Un sistem automat (SA) este alcătuit din două părți principale: procesul de automatizat (P) și dispozitivul de automatizare (DA) [5].

Un sistem interacționează cu sistemele învecinate numai prin intermediul mărimilor de intrare și de ieșire. Mărimile de ieșire ale unui sistem sunt mărimi de intrare pentru sistemele învecinate. Mărimile de ieșire ale sistemelor tehnice sunt măsurabile, în timp ce mărimile de stare nu sunt întotdeauna accesibile măsurării [5].

In cele ce urmează, prin sistem vom înțelege un ansamblu de elemente ce interacționează între ele și cu exteriorul, în vederea realizării unui sens, obiectiv, scop [5].

Fig. 2.1. Reprezentarea unui sistem [5].

U- reprezintă mărimile de intrare

X- reprezintă mărimile de stare

Y- reprezintă mărimile de ieșire

Mărimile de intrare sunt independente de sistem și influențează din exterior starea și evoluția sistemului.

Mărimile de stare sunt dependente de mărimile de intrare și au rolul de a caracteriza starea internă curentă a sistemului.

Mărimile de ieșire sunt dependente de mărimile de stare, uneori și direct de mărimile de intrare, și au rolul de-a transmite în exterior (sistemelor învecinate) informație referitoare la starea curentă a sistemului [2].

Mărimile de stare ale unui sistem au două proprietăți esențiale [2]:

– de mediere a transferului intrare-ieșire (I-E);

– de acumulare într-o formă concentrată a întregii informații privind evoluția anterioară a sistemului, adică a istoriei trecute a sistemului.

2.2.1 Clasificarea sistemelor de reglare automată

Sistemele pot fi împărțite în clase și categorii de sisteme cu trăsături și comportamente asemănătoare, cum ar fi de exemplu: sistemele continue și discrete, sistemele liniare și neliniare, sistemele cu și fără memorie, sistemele staționare și nestaționare, sistemele monovariabile și multivariabile, sistemele cu parametri concentrați și distribuiți, sistemele cu și fărăr timp mort, sistemele deterministe și stochastice, sistemele deschise și închise [2].

Sistemele automate se pot clasifica după mai multe criterii, astfel [2]:

– după natura elementelor din componența dispozitivului de automatizare și a semnalelor de comunicație între acesta, sistemele automate pot fi: electronice, pneumatice, hidraulice, mecanice și mixte. Când sistemul automat conține elemente de natură diferită, interconectarea acestora se face prin intermediul elementelor convertoare;

– după gradul de universalitate a elementelor din componența dispozitivului de automatizare, sistemele automate pot fi unificate sau specializate. Sistemele unificate conțin elemente universale ce funcționează cu semnal unificat (standard), cum ar fi: 4 … 20 mA c.c., tensiune în gama 1 … 5 V, semnal pneumatic în domeniul 0,2 … 1,0 bar. Sistemele automate specializate sunt utilizate în cazul unor automatizări de mai mică amploare, când nu se pune problema transmiterii semnalelor la distanță;

– în raport cu funcția îndeplinită, sistemele automate se clasifică în:

sisteme automate de supraveghere , prin măsurare și/sau semnalizare;

sisteme automate de protecție care au ca scop oprirea parțială sau totală a procesului (instalației), atunci când un parametru iese în afara domeniului admisibil de funcționare, afectând calitatea produsului finit și/sau securitatea instalației respective.;

sisteme automate de comandă directă, după un program prestabilit;

sisteme automate de reglare ce au ca scop aducerea și menținerea valorii ieșirii procesului la o valoare dorită (referință), în condițiile modificării în timp a valorii referinței și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului reglat;

sisteme automate de conducere (prin supraveghere, protecție, comandă, reglare).

Mărimile de intrare ale unui proces sunt de două tipuri: comenzi și perturbații. Prin intermediul comenzilor se poate interveni asupra procesului astfel încât acesta să evolueze după o traiectorie dorită. Perturbațiile acționează arbitrar asupra procesului având drept consecință devierea procesului de la traiectoria dorită [2].

Reglarea este operația de menținere a mărimii de ieșire a unui proces la o valoare

cât mai apropiată de cea a unei mărimi de referință, în condițiile modificării în timp a mărimii de referință și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului reglat, (fig.2.2) [2,5].

Problema reglării constă în elaborarea unei comenzi (c) asupra procesului reglat (P), astfel încât mărimea de ieșire a procesului (y) să urmărească cât mai aproape o mărime de referință dată (r), în condițiile acțiunii perturbațiilor (v1 și v2) asupra procesului. Comanda este elaborată de către un element decizional, numit regulator, după un algoritm adecvat (lege de reglare), pe baza valorii curente a mărimii reglate (ieșirea procesului- y), a referinței (r) și a perturbațiilor măsurate (v1) [2,5].

Un Sistem de Reglare Automată (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul căruia se urmărește aducerea sau menținerea valorii mărimii de ieșire dintr-un proces la o valoare de referință în mod automat, fără intervenția omului, pe baza unei legi de reglare.

Un SRA este format dintr-un dispozitiv de automatizare (DA) și procesul de automatizat (P), (fig.2.2) [2,5].

Fig. 2.2. Schema Bloc simplificată a unui SRA (a- după efect, b- după cauză ) [2].

DA − Dispozitiv de Automatizare, P − Proces, u − mărime de execuție, y − mărime de ieșire

Dispozitivul de automatizare are rolul de a primi informație referitoare la starea curentă a procesului reglat (P), și de a genera comenzi convenabile asupra procesului, în vederea menținerii sau aducerii stării acestuia într-o anumită stare dorită (de referință) [2,5].

Dispozitivul de automatizare cuprinde în structura sa traductorul (T) – ce furnizează informația cu privire la starea curentă a procesului, prin măsurare, regulatorul (R) – ce generează comenzile astfel încât să se îndeplinească obiectivul reglării (menținerea sau aducerea stării curente a unui proces la o anumită stare de referință) și elementul de execuție (EE) – ce are rolul de a aplica comanda regulatorului în proces (fig.2.3).

Fig. 2.3. Schema Bloc detaliată a unui SRA ( a- după efect, b- după cauză ) [2].

R – Regulator, EE – Element de Execuție, T – Traductor, P – Proces, r – referință,

c –comandă, u – mărime de execuție, m – măsură, y – ieșire, v1, v2 – perturbații.

Sistemele de reglare pot funcționa pe baza principiului acțiunii după efect (eroare, abatere) sau pe baza principiului acțiunii după cauză. Sistemele cu reglare după efect (fig. 2.3 a) se numesc sisteme cu acțiune inversă (cu reacție sau cu “feedback”) iar sistemele cu reglare după cauză (fig.2.3 b) se mai numesc sisteme cu acțiune directă (cu precompensare sau cu “feedforward”) [2].

Principiul reglării (acțiunii) după efect presupune intervenția asupra sistemului reglat, pe baza informației obținute prin măsurarea mărimii reglate, în vederea menținerii acestei mărimi la o valoare cât mai apropiată de valoarea referinței, (fig. 2.3 a).

La sistemele cu acțiune după efect, apariția erorii (diferența dintre valoarea referinței și valoarea mărimii reglate) nu poate fi prevenită, dar acțiunea de reducere a acesteia începe din momentul producerii celei mai mici erori sesizabile, indiferent de cauza care a provocat eroarea [2].

Principiul reglării (acțiunii) după cauză presupune intervenția asupra procesului reglat, pe baza cunoașterii valorii curente a intrării perturbatoare (cazul reglării după perturbație) sau a intrării de referință (cazul reglării după referință).La reglarea după perturbație se urmărește menținerea constantă a mărimii de ieșire a procesului, prin compensarea efectului produs de perturbație, iar la reglarea după referință se urmărește aducerea și menținerea mărimii reglate la o valoare apropiată de cea a referinței, (fig. 2.3 b) [2].

Deoarece acțiunea compensatorului la reglarea după perturbație are loc în paralel și simultan cu acțiunea perturbației măsurate, sistemul de reglare poate, cel puțin teoretic, să prevină modificarea mărimii reglate de către perturbația respectivă. Pentru obținerea unui rezultat apropiat de cel ideal, este necesară cunoașterea foarte exactă a modelului dinamic al procesului reglat. De remarcat însă faptul că efectul perturbației nemăsurate v2 rămâne în totalitate necompensat [2].

2.3 Traductoare

Traductorul este parte componentă a dispozitivului de automatizare din structura unui Sistem de Reglare Automată (SRA) [2].

Rolul traductorului este acela de a furniza informația referitoare la valoarea curentă a mărimii reglate; principiul de funcționare constănd in transformarea unei mărimi ne-electrice aplicate la intrare intr-o mărime electrică generată la ieșire.

Un traductor este compus din două elemente:

– elementul sensibil (senzorul) – care preia mărimea ce trebuie măsurată și o transformă într-o mărime de natură mecanică, de obicei o deplasare;

– adaptorul – care transformă mărimea mecanică într-o mărime electrică sau pneumatică, ce poate fi ulterior prelucrată în cadrul SRA.

Adaptorul realizează, de asemenea, amplificarea și filtrarea semnalului de intrare, primit de la senzor și compensarea comportamentului neliniar al senzorului.

Semnalul transmis de traductor poate fi [2]:

– analogic:

în tensiune: 0…5 V, 0…10 V sau -5…+5 V;

în curent: 2…10 mA sau 4…20 mA.

-numeric:

logic: 0 sau 1;

în impulsuri: cu frecvență variabilă și cu lățime de impuls variabilă

– mesaj numeric.

Aprecierea performanțelor unui traductor se poate face pe baza următoarelor

caracteristici [5]:

– pragul de insensibilitate (rezoluția) – reprezintă cea mai mică variație a

mărimii de intrare care produce o variație sesizabilă asupra mărimii de ieșire;

– liniaritatea – este proprietatea traductorului de a avea o caracteristică cât mai

liniară;

– reproductibilitatea – este proprietatea de a se obține rezultate cât mai

apropiate în cazul repetării, în condiții identice, a operației de măsurare;

– fidelitatea – este proprietatea de a se obține rezultate cât mai puțin

influențate de acțiunea factorilor perturbatori interni și externi;

– timpul de răspuns – timpul de stabilizare a mărimii de ieșire la o variație

bruscă a mărimii de intrare;

– precizia – gradul de exactitate al operației de măsurare;

– fiabilitatea – proprietatea traductorului de funcționa în limita unor

performanțe impuse și în condiții de exploatare date, un interval de timp cât

mai mare;

– simplitatea;

– robustețea;

– prețul de cost

Traductoarele inteligente conțin în structura lor, pe lângă traductorul clasic, un microcontroller. Acest tip de traductor îndeplinește funcții suplimentare, în comparație cu cel clasic, cum ar fi [2]:

– afișarea locală a valorii măsurate;

– autocalibrarea dispozitivului de măsurare;

– codificarea informației transmise;

– stocarea temporară a datelor;

17 – sinteza și filtrarea datelor măsurate.

2.3.1 Traductoare de Temperatură

Temperatura unui corp (solid, lichid sau gazos) poate fi determinată pe baza influenței acesteia asupra unei proprietăți a corpului respectiv sau a altuia pus în contact cu el și care reprezintă senzorul de temperatură [10].

Cele mai uzuale unități de măsură pentru temperatură sunt gradul Kelvin, K, gradul Celsius, oC și gradul Farenheit, oF [4].

Tipuri de elemente termosensibile:

– termocuplul

– termorezistența

– termistorul

2.3.1.1 Termocuplul

Termocuplul se compune din doi electrozi din metale pure sau aliaje cu

electronegativități cât mai diferite, sudați la unul dintre capete (fig.2.4) și

introduși într-o teacă de protecție din cupru, oțel sau material ceramic, pentru a-i

proteja de acțiunea mediului a cărui temperatură se măsoară [2].

Fig. 2.4 Senzor de temperatură tip termocuplu [2].

Datorită concentrației diferite de electroni liberi ai celor doi electrozi, în punctul de joncțiune are loc un fenomen de difuziune a electronilor, care generează un câmp electric caracterizat printr-o tensiune electromotoare aproximativ proporțională cu diferența dintre temperatura punctului cald (punctul de joncțiune al electronilor, ce se află la temperatura ce trebuie măsurată (T)) și temperatura capetelor reci (aflate la temperatura T0) [2]:

e ≅ αAB ⋅ (T − T0 ). (2.1)

Deoarece valoarea coeficientului αAB este ușor dependentă de diferența de temperatură (T-T0), caracteristicile statice ale termocuplurilor sunt ușor neliniare [2].

1.3.1.2 Termorezistența

Acest tip de senzor de temperatură funcționează pe baza variației rezistenței

electrice a unor metale pure sau semiconductoare, cu temperatura.

Senzorul este alcătuit dintr-un fir subțire de metal pur (platină, cupru, nichel)

bobinat neinductiv pe un suport izolator (sticlă, ceramică) introdus într-o teacă de

protecție. De obicei se utilizează termorezistențele din platină, datorită avantajelor

multiple ale acesteia: are punct de topire ridicat, se poate trefila la diametre mici,

nu se oxidează, are o dependență aproape liniară cu temperatura:

R ≅ R0 ⋅[1 + α(T − T0 )], (2.2)

În care R0 este valoarea termorezistenței la temperatura de referință T0=0°C, iar α este sensibilitatea relativă medie pe intervalul T0 … T [2].

Fig. 2.5 Senzor de temperatură tip termorezistență [2].

Rezistența nominală a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 0°C,

ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scăzute.

Termorezistențele executate în țară se confecționează din platină, cu rezistențe nominale de 50 și 100 Ω, de tipul PT 50 și PT 100, fiind confecționate din fire cu diametre între 0,05…0,2 mm, cu lungimi de ordinul 5…20 cm, firele de legătură la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, în scopul neglijării variației rezistenței acestora cu temperatura.

Din cauza diametrului mic al firului de platină, termorezistența se utilizează rar la măsurarea unor temperaturi mai mari de 400°C [2].

2.3.1.3 Termistorul

Acest tip de senzor este fabricat din elemente semiconductoare fabricate din amestecuri de oxizi de mangan, nichel, cobalt, fier, sinterizate la temperaturi de peste 1000°C sub formă de plăcuțe, pastile sau baghete cu dimensiuni care variază de la câteva sutimi de mm la câțiva cm.

Fig. 2.5 Senzor de temperatură tip termistor [2].

Rezistența electrică a termistorului (R) variază invers cu temperatura după o lege exponențială de forma:

R =R0 , α > 0 (2.3)

Domeniul de măsură este cuprins între -100 și 300°C. Acest traductor prezintă avantajul sensibilității foarte ridicate, putând atinge rezoluții până la 0,010C [2].

2.3.1.4 Traductorul cu cuarț

Acest tip de traductor se caracterizează printr-o dependență liniară a frecvenței de rezonanță a cristalului cu temperatura. Sensibilitatea este aproximativ de 1kHz/°C și un timp de răspuns foarte scurt, circa o secundă. [5]

Fig. 2.6 Traductor de temperatură cu cuarț [2].

2.3.1.5 Traductorul bazat pe radiația termică (pirometrul)

Acest traductor permite măsurarea temperaturii corpurilor supraîncălzite, fără a intra în contact direct cu acestea [5].

Fig. 2.7 Traductor bazat pe radiația termică (pirometrul) [2].

Pirometrul de radiație totală funcționează pe baza dependenței puterii radiației emise de o unitate de suprafață a corpului încălzit de temperatura absolută a acestuia [2].

Pirometrul optic are la baza funcționării dependența frecvenței radiațiilor termice

emise de un corp supraîncălzit de temperatură. Această frecvență determină culoarea corpului incandescent [2].

Temperatura se determină prin compararea culorii corpului incandescent cu cea a

unui filament alimentat la o tensiune variabilă. Tensiunea este modificată de operator până când filamentul devine neobservabil pe fondul culorii corpului încălzit. Valoarea acestei tensiuni este o măsură a temperaturii corpului încălzit [2].

2.5 Reglarea Temperaturii

Procesele de transfer termic sunt procese lente, cu durate ale regimurilor tranzitorii de ordinul minutelor și zecilor de minute. Regulatoarele folosite pot fi P, PI, PID sau bipoziționale [2].

La cuptoarele tubulare reglarea temperaturii se poate face prin:

– modificarea debitului de combustibil (fig. 2.14).

– modificarea debitului de materie primă la intrare (fig. 2.15).

– modificarea presiunii gazului combustibil (fig. 2.16).

2.5.1 Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de combustibil

Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de combustibil este prezentată în figura 2.14.

Fig. 2.14. Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de combustibil [2]:

TC – regulator de temperatură (Temperature Controller), TT – traductor de temperatură (Temperature Transducer), E/P – Convertor Electro/Pneumatic, RR – Robinet de Reglare,

T – temperatura materiei prime la ieșirea din cuptor, Qmp – debitul de materie primă,

T0 – temperatura materiei prime, Qc – debitul de combustibil, Qga- debitul gazelor de ardere,

im – semnal de măsură, ir – semnal de referință, ic – semnal de comandă, pc – presiune de comandă, în domeniul 0,2…1bar.

2.5.2 Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de materie primă

Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de materie primă este prezentată în figura 2.15 [11].

Fig. 2.15. Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de materie primă:

TT- traductor de temperatură; FT – traductor de debit; TC – regulator de temperatură; RR – robinet de reglare, TI indicator al temperaturii reglate.

2.5.3 Reglarea temperaturii prin modificarea presiunii gazului combustibil

Reglarea temperaturii prin modificarea presiunii gazului combustibil este prezentată în figura 2.16.

Fig. 2.15. Reglarea temperaturii prin modificarea presiunii gazului combustibil [2]:

TC – regulator de temperatură (Temperature Controller), TT – traductor de temperatură (Temperature Transducer), E/P – Convertor Electro/Pneumatic, RR – Robinet de Reglare,

T – temperatura materiei prime la ieșirea din cuptor, Qmp – debitul de materie primă,

T0 – temperatura materiei prime, Qc – debitul de combustibil, Qga- debitul gazelor de ardere, Tm – semnal de măsură (curent în domeniul 4…20 mA), Tr – semnal de referință (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comandă (curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comandă, în domeniul 0,2…1bar, pr – presiunea de referință, pm – presiunea măsurată

Capitolul III

Proiectarea sistemului de reglare automată a temperaturii unui deshidrator de fructe.

Proiectarea reprezintă activitatea de concepere a unor strategii de realizare fizică a unui produs, întreprinsă de către o echipă de experții. Pentru proiectarea proceselor industriale echipa de experți este formată din cercetători, inginerii tehnologii proiectanții de procese și inginerii automatiști proiectanții de soluții și echipamente de automatizare [15].

Principalele activității întreprinse de aceștia sunt cercetarea, modelarea procesului, proiectarea și/sau reproiectarea structurilor de reglarea asociate procesului [15].

Proiectarea este o activitate iterativă, ce constă în următoarele etape și anume [15]:

1. Identificarea obiectivelor procesului proiectat, această etapă presupune următoarele activității: definirea clară a scopului și naturii procesului proiectat, stabilirea obiectivelor de calitate, eficiență și siguranță specifice procesului precum și identificarea problemelor de fond (background problem).

2. Generarea soluțiilor posibile constă în prezentarea soluțiilor găsite în realizarea obiectivelor stabilite în prima etapă.

3. Analiza soluțiilor posibile presupune prezentare avantajelor și dezavantajelor fiecărei soluții găsite, verificarea dacă sunt îndeplinite toate obiectivele stabilite în cadrul primei etape .

4. Întocmirea proiectului prototip constă într-o primă fază în desenarea, dimensionarea, alegerea conductelor și a instalaților tehnologice; desenarea structurilor de conducere a procesului; selectarea, dimensionarea elementelor de automatizare; alegerea pompelor, compresoarelor etc. Ce-a de-a doua fază realizarea fizică a prototipului urmată apoi de testarea performanțelor instalației, durabilitatea și utilizabilitatea.

5. Modificarea și îmbunătățirea proiectului constă în stabilirea problemelor de proiectare, întoarcerea la ce-a de-a doua etapă pentru găsirea unor soluții de rezolvare urmată apoi de verificare soluțiilor găsite.

6. Prezentarea proiectului final clienților constă în discuții despre cum soluția găsită este cea mai bună în vederea îndeplinirii obiectivelor, discuți privind impactul social al proiectului și compromisurile realizate. Prezentarea documentației proiectului ce conține documente și instrucțiuni de asamblare, desenelor tehnice, manuale de operare și întreținere.

Etapele proiectării unui sistem de conducere a proceselor sunt [14]:

1. Formularea obiectivelor reglării. Metoda clasică constă în descompunerea instalației chimice în procese unitare și automatizarea fiecărui proces unitar în parte. Astfel, dacă o instalație are în structura sa un cuptor tubular, un reactor chimic și un sistem de coloane de fracționare, toate aceste utilaje asociate proceselor unitare corespunzătoare vor fi automatizate individual, fără a ține cont de relația și interacțiunea dintre ele. Această abordare a problemei reglării este deficitară, deoarece, datorită unor conflicte între obiectivele reglării fiecărui proces unitar pot apare conflicte.

2. Identificarea variabilelor de ieșire. Variabilele măsurabile sunt acele variabile pentru care există în prezent traductoare destinate măsurării acestora. Unele variabile măsurabile nu pot fi măsurate datorită costului excesiv al sistemelor de măsurat. În această situație este inclusă măsurarea concentrației, care este deseori prohibitivă și ca atare nu este utilizată.

3. Identificarea variabilelor de intrare. Acestea pot fi clasificate în perturbații și agenți de reglare. Selecția agenților de reglare trebuie realizată în funcție de disponibilitatea fluxurilor, amplificarea realizată asupra procesului și nu în ultimul rând de gradul de disponibilitate și mărimea fluxului respectiv. Această operație trebuie realizată în urma modelării și simulării statice și dinamice a procesului chimic. Perturbațiile unui proces chimic sunt împărțite în perturbații măsurabile și perturbații nemăsurabile. Măsurarea unei perturbații poate fi realizată numai dacă această mărime poate da indicații utile operatorului sau dacă mărimea intervine în cadrul unui algoritm de reglare evoluat.

4. Identificarea restricțiilor. Acestea pot fi clasificate în restricții rigide (hard) și restricții ușoare (soft).

Un exemplu de restricție hard o constituie valoarea minimă sau maximă a unui debit, valoare generată de poziția total închis sau total deschis a robinetului de reglare. Un alt exemplu de restricție hard o reprezintă calitatea stipulată într-un contract comercial pentru un produs obținut într-o coloană de fracționare. Valoarea calității specificate în contract nu poate fi încălcată deoarece acest fapt va duce la respingerea produsului, încadrarea acestuia într-o altă calitate sau la mărirea cheltuielilor de producție.

Un exemplu de restricție soft o constituie tot compoziția unui produs obținut într-o coloană de fracționare, specificată printr-un interval de valori. Aceasta compoziție poate avea valori situate în domeniul de valori acceptat, procesul desfășurându-se în parametrii normali.

5. Siguranța în funcționare. Siguranța instalației este realizată atât prin sisteme de automatizare dedicate cât și prin specificarea corectă a elementelor de automatizare din cadrul sistemelor de reglare. Astfel, la un cuptor tubular în caz de emergență este imperios necesară închiderea alimentării cu gaz combustibil, operație realizată prin specificarea normal închis a robinetului de reglare. Pentru un proces exoterm, la care este nevoie răcirea continuă, robinetul de reglare amplasat pe agentul de răcire va fi specificat normal deschis.

6. Proiectarea structurii de reglare. Structurile clasice cuprind sistemele de reglare cu acțiune după abatere, sistemele de reglare cu acțiune după perturbație și sistemele de reglarea combinată.

7. Caracterizarea modului de operare. Procesele continue sunt reprezentate prin distilare atmosferică, reformare catalitică, cracare catalitică. Pentru aceste procese sunt utilizate sisteme automate prevăzute cu traductoare pentru variabile continue în timp. Procesele sunt operate pe perioade mari de timp, în condiții cvasiconstante, regimurile staționare fiind foarte importante iar performanțele tehnico-economice fiind în strânsă legătură cu aceste regimuri.

Procesele discontinue sunt reprezentate de procesele cu reacție chimică care se desfășoară în șarje. Traductoarele utilizate în cadrul sistemelor automate sunt în special traductoare pentru variabile discrete dar sunt utilizate și traductoare pentru variabile continue în timp. Pentru procesele discontinue, factorul timp și rețeta de amestecare sunt cele mai importante elemente în desfășurarea acestora. De aceea sistemele automate sunt caracterizate prin: măsurarea debitului masic și a masei totale de reactant, programarea în timp a unor operații de introducere/amestecare a reactanților sau încălzire/răcire a reactorului, reglarea unui profil temporal al temperaturii în reactor.

Fig 3.1 Structura unui proces chimic [14].

Regulatorul Universal Digital Honeywell UDC 3200

Prezentare generală

Regulatorul Universal Digital UDC 3200 este dotat cu un microprocesor. Acesta combină un un grad ridicat de funționalitate și simplitate fiind încapsulat într-o carcasă de dimensiuni reduse. Acest instrument este un regulator ideal pentru reglarea temperaturii și a altor variabile de proces în numeroase aplicații de incăzire și răcire, cum ar fi: prelucrarea metalelor, producerea alimentelor, producerea medicamentelor, fabricarea semiconductorilor, testarea și protecția mediului.

Fig. 0.1 Regulatorul Universal Digital Honeywell UDC 3200

Regulatorul Universal Digital UDC 3200 monitorizează și reglează temperatura și alte variabile de proces în alicații cum ar fi: camerele de mediu, mașinile de fabricat mase plastice, furnale, cuptoare și utilaje de ambalare.

Caracteristici:

– două intrări analogice universale

– clasă de precizie 0,2%

– rată de scanare rapidă (166 ms)

– două intrări digitale

– funcții matematice

– comunicare prin Modbus și Internet

– port infraroșu si configurare cu calculatorul

– posibilitate de schimbare al limbii de comunicare

– actualizare ușoară din camp

Afișaj ușor de citit

Afișaj dublu luminos cu posibilități de afișare în mai multe limbi (Engleză, Franceză, Germană, Staniolă sau Italiană) face interfața operatorului ușor de citit, înțeles și operat. Simpla apăsare a tastelor permite setarea parametrilor de operare pentru controlul procesului.

Intrări Analogice

Regulatorul Universal Digital UDC 3200 are două intrări analogice cu o precizie de ± 0,20% și o rezoluție tipică de 16 biți. Ambele intrări analogice sunt citite de șase ori pe secundă (la fiecare 166 ms).

Prima sau intrarea pentru Variabila de Proces (PV) poate fi: diferite termocuple, termorezistențe (RTD) sau o variabilă cu acționare liniară. Acționare liniară au termocuplele și termorezistențele. Acționările liniare au de asemenea capacitatea de a calcula rădăcina pătrată.

A doua intrare este izolată și acceptă aceeași tipuri de senzori ca și prima intrare.

Toți senzorii conectați la intrare sunt configurabili de la tastatură. Intrarea regulatorului oferă posibilitatea compensării temperaturii pentru senzorii cu termocuplu. Afișajul superior, afișajul inferior și afișajul de avarie pentru senzorul de intrare pot fi congigurați din tastatură. Un filtru digital configurabil de la 0 la 120 secunde produce amortizarea semnalului de intrare.

Afișarea stării termocuplului. În plus față de afișajul superior, afișajul inferior și afișajul de avarie starea termocuplului poate fi monitorizată pentru a stabili dacă acesta este bun, lipsește sau în pericol iminent de o se defecta.

Intrări Digitale

Două intrări digitale izolate sunt prevăzute pentru închiderea de la distanță a contactului pentru a selecta una din cele 25 de acțiuni. De asemenea, intrările digitale pot permite una din șase selecții pentru a fi combinate cu una dintre selecțiile de mai sus.

Ieșiri

Regulatorul Universal Digital UDC 3200 are următoarele tipuri de ieșiri:

– Ieșire de Curent (4-20 ma sau 0-20 ma)

– Releu Electromagnetic (5 A)

– Releu cu Semiconductori (1 A)

– Releu Electromagnetic Dublu (2 A)

– Ieșire Colector Deschis

Fig. 0.2 Schema de Conexiuni a Regulatorului UDC 3200

1- Alimentare (250V ca), 2-Ieșirea 3, 3-Ieșirea 4, 4-Ieșirea 1 și 2, 5-Intrarea 2, 6-Intrarea 1, 7-Intrarea digitală, 8-Terminalele pentru comunicație

Funcții matematice

Algoritmul (Algorithm). Un algoritm preconfigurat este diponibil pentru implementare ușoară. Acesta include capacitatea de a folosi Rațio și Bias cu orice intrare. Se poate alege din următorul meniu:

Suma Feedforward (Feedforward Summed). Folosește oricare intrare urmată de calculul Ratio/Bias adunată direct cu valoarea ieșirii PID calculate pentru o furniza ieșire rezultată elementului de control final.

Media Ponderată (Weighted Average). Calculează media ponderată a valorii de proces (PV) sau a valorii de referință (SP) pentru algoritmul de reglare de la două intrări.

Multiplicatorul Feedforward (Feedforward Multiplier). Utilizează oricare intrare, inmulțită cu ieșirea PID calculată pentru a furniza ieșirea rezultată care este trimisă elementului de reglare final.

Sumă/Scădere (Summed/Subtractor). Va aduna sau scădea intrările cu rezultatul folosit ca și derivata PV (valoarea de proces).

Înmulțire/Împărțire (Multiplier/Divider). Utilizează intrările analogice să calculeze derivata PV (valoarea de proces). Disponibilă cu sau fără rădăcina pătrată.

Selector Intrare Mare/Mică (Input High/Low Select). Specifică intrarea PV (valoarea de proces) care este mai mare sau mai mică dintre cele două intrări.

Posibilități de comunicație

O legătură de comunicație este prevăzută între regulatorul digital și calculatorul de proces sau PLC prin intermediul portului serial RS422/485 Modbus sau prin conectarea la internet cu ajutorul protocolului de comunicare TCP/IP. O posibilitate de comunicare în infraroșu este disponibilă pentru configurarea instrumentului.

Fig. 0.3 Dispozitiv de configurare prin portul infraroșu.

Alarme

Unul sau două relee electromagnetice de alarmă sunt diponibile pentru a activa un echipament extern atunci când sunt atinse valorile de alarmă setate. Fiecare dintre cele două alarme poate fi setată să supravegheze două alarme diferite. Fiecare valoare de referiță poate fi setată pentru valori ridicate sau scăzute de alarmare.Tipul de alarmă poate fi selectat pentru a fi oricare dintre intrările: variabila de proces, abatere, ieșire, întreruperea comunicației, defectarea buclei sau schimbarea variabilei de proces. Histerezisul de alarmă este configurabil de la 0 la 100% din domeniu.

Caracteristici diverse

Ieșire Auxiliară (opțională). Fiecare sau ambele ieșiri de curent pot funcționa ca o ieșire auxiliară care poate fi redimensionată de la 4-20 ma pentru 0-100% din orice interval. Aceasta poate fi configurată să reprezinte: intrarea 1, intrarea 2, intrarea variabila de proces (PV), valoarea de referință activă, abaterea sau ieșirea de comandă.

Alimentarea Traductorului. Această ieșire furnizează o tensiune de până la 30 V curent continuu pentru a alimenta un traductor prin două fire.

Trei Posibilități de Setare Locală și Una de la Distanță. Regulatorul poate fi configurat pentru a furniza trei puncte de setare locală și un punct setat de la distanță care sunt selectabile fie cu tastatura fie prin intarea digitală.

Tensiune de Alimentare Universală. Functionează cu tensiune cuprinsă intr-o plajă largă de valori de la 90 la 250V curent alternativ și frecvența de 50/60 Hz.

Temporizator. Această caracteristică standard, oferă o perioadă de timp configurabilă de la 0 la 99 ore, 59 minute sau unități de minute și secunde. Acesta poate fi pornită prin intermediul tastaturii, ieșirii de alarmă 2 sau prin intrarea digitală. Ieșirea temporizatorului este ieșirea de alarmă 1 care se energizează la sfărșitul perioadei de temporizare. Alarma 1 poate fi resetată automat. Perioada de temporizare poate fi schimbată între fiecare lot. Starea ei este arătată pe afișajul de jos.

Protecție Împotriva Umidității. Fața frontală indeplinește standardul de protecție IP 66 care permite utilizarea în condiții de umiditate și praf.

Programarea Valorii de Referiță Treaptă/Saturație. (opțională). Permite programarea și memorarea a șase segmente treaptă si șase segmente de saturație pentru programarea valorii de referiță. Rularea sau oprirea programului este selectabilă de la tastatură sau de la comutatorul digital de la distanță.

Eșantionarea Valorii de Referință. Permite definirea unei mărimi treaptă care să fie aplicată la orice schimbare a referinței locale. O valoare distinctă superioară sau inferioară este configurabilă. O singură valoare de referință treaptă este de asemenea disponibilă ca alternativă.

Două Serii de Reglare a Constantelor. Două serii ale parametrilor PID pot fi configurate pentru fiecare buclă și selectate automat sau cu tastatura.

Protectia Datelor. Cinci nivele de securitate ale tastaturii protejează reglarea, configurarea si calibrarea datelor accesate printr-un cod de patru cifre care poate fi modificat. Memoria EEPROM permanentă asigură integritatea datelor în timpul întreruperii tensiunii de alimentare.

Diagnosticare/Siguranța Ieșirilor. Rutine de diagnosticare continuă detectează defecțiunile, declanșează o valoare de autoprotecție la ieșire și identifică defecțiunea pentru reduce timpul de depanare.

Protectie la Zgomot. Regulatorul este proiectat pentru a oferi performanță sigură fără erori în medii industriale care afectează de multe ori echipamentele digitale extrem de sensibile la zgomot.

Algoritmul Accutume III™. Această caracteristică standard, oferă un algoritm de reglare exact de tip conectează și utilizează, care la simpla atingere a unui buton sau prin intermediul unei intrări digitale, identifică cu exactitate și reglează orice proces, inclusiv cele cu timp mort și procesele de integrare. Aceasta accelerează și simplifică punerea în funcțiune plus permite reacordarea la orice valoare de referință. Două posibilități sunt acum oferite atunci când ajustăm procesul: acordarea rapidă și acordarea lentă.

Acordare Rapidă. Acordarea rapidă va regla procesul în așa fel încăt temperatura este atinsă mai repede, valoarea de referință fiind depășită pentru o scurtă perioadă de timp.

Acordare Lentă. Acordarea lentă va micșora depășirea valorii de referință, dar va dura mai mult timp ca temperatura din proces să atingă valoarea de referință.

Încălzire/Răcire (Reglare Dublă). Regulatorul va regla automat atât faza de incălzire cât și faza de răcire a procesului.

Fuzzy Logic. Această caracteristică standard, folosește logica fuzzy pentru a suprima depăsirea variabilei de proces datorită modificărilor valorii de referință sau tulburărilor externe de proces. Se operează independent din algoritmul Accutume III™. Acesta nu schimbă constantele PID, dar modifică temporar răspunsul regulatorului intern pentru a suprima depășirea. Acesta permite ca reglajul mai agresiv să coexiste cu răspunsul lin al variabilei de proces. Acestă caracteristică poate fi activată sau dezactivată în funcție de aplicațiile sau criteriile de reglare.

Funcționarea afișajului și a tastelor regulatorului

Fig. 0.4 Afișajul Regulatorului Universal Digital Honeywell UDC 3200

Afișajul superior cu patru cifre mari arată valoarea variabilei de proces (funționare normălă) și poate fi indicator cu caracteristici speciale. În timpul configurării, afișajul superior oferă îndrumări pentru operator prin interogare ( șapte caractere).

În timpul funcționării normale, afișajul inferior arată parametrii de operare selectați cum ar fi: iesirea, intrarea, valoarea de referiță, abaterea, starea temporizatorului sau minutele rămase într-o treaptă de referință (patru caractere). În timpul configurării, afișajul superior oferă îndrumări pentru operator prin interogare (opt caractere).

Indică existența condițiilor pentru Alarmă 1 sau Alarmă 2.

Selectează Intrarea Digitală 1 sau Intrarea Digitală 2.

Indică releul selectat pentru comanda ieșirii: Releul 1 sau Releul 2

Indică temperatura în grade Fahrenheit.

Indică temperatura în grade Celsius.

Indică funcționarea regulatorului în modul Manual.

Indică funcționarea regulatorului în modul Automat.

Indică valoarea de referiță locală. De asemenea un indicator luminos este aprins atunci când valoarea de referiță existentă este afișată pe afișajul inferior.

Selectează funcțiile în cadrul fiecărui grup de configurare.

Răsfoiește prin grupurile de configurare.

Întoarce afișajul la afișarea normală din modul de configurare. Comută diverși parametrii de operare pentru afișare.

Crește valoarea de referiță sau valoarea de ieșire. Crește valorile de configurare sau schimbă funcțiile în modul de configurare al grupurilor.

Portul Infraroșu

Selectează modul Manual sau Automat.

Apăsați pentru a parcurge valorile de referință configurate.

Permite Pornirea/Oprirea valorii de referință treaptă sau pornirea programului de temporizare.

Descrește valoarea de referință sau valoarea de ieșire. Descrește valorile configurate sau schimbă funcțiile în modul de configurare al grupurilor.

Programul Process Instrument Explorer

Acest program permite utilizatorului să configureze regulatorul cu ajutorul calculatorului, laptopului sau tabletei.

Fig. 0.5 Interfața Programului Process Instrument Explorer

Caracteristici:

– Crează configurații cu un program intuitiv care rulează pe calculator, laptop sau tabletă.

– Crează sau editează configurații în timp real, conectând calculatorul cu regulatorul printr-un port de comunicații.

– Crează sau editează configurații cu calculatorul deconectat de la regulator, acestea putând fi descărcate ulterior prin intermediul portului de comunicații.

– Tipuri de porturi de comunicație: infraroșu, RS 485 sau internet.

Programul Process Instrument Explorer este disponibil în limbile engleză, franceză, dermană, italiană și spaniolă.

Reacțiile chimice, transferul de căldură, echilibrul interfazic etc. sunt influențate puternic de căldură. Problemele de reglare a temperaturii sunt in fapt probleme de transfer de căldură indiferent dacă asta are la bază radiația, conducția sau convecția. [7]

Sistemul în cadrul căruia se măsoară temperatura este numit termometru. Astfel, deosebim: traductoare bazate pe generarea unei tensiuni electrice; traductoare bazate pe variația rezistenței electrice; traductoare bazate pe dilatarea corpurilor; traductoare bazate pe analiza radiațiilor electromagnetice. [4]

Capitolul IV

Capitolul V

Concluzii

Bibliografie

Băieșu, A Cîrtoaje, V Sisteme Numerice de Reglare, Editura UPG Ploiești 2013.

Băieșu, A Tehnica Reglării Automate, Editura UPG Ploiești 2010.

Bucur, C Fundamentele Electronicii Digitale, Editura UPG Ploiești 2011.

Bucur, G Senzori, Traductoare, Măsurări, Editura UPG Ploiești 2011.

Cîrtoaje, V Teoria Sistemelor, Editura UPG Ploiești 2012.

Cîrtoaje, V Teoria Sistemelor Automate, Editura UPG Ploiești 2013.

Mihalache, S.F. Elemente de ingineria reglării automate, Editura Matrixrom 2008.

Moise, A Automate Programabile, Editura UPG Ploiești 2011.

Moise, A Sisteme de conducere a roboțiilor, Editura UPG Ploiești 2006.

Paraschiv, N Introducere în Știimța Sistemelor și a Calculatoarelor, Editura UPG Ploiești 2011.

Paraschiv, N Sisteme cu Microprocesoare, Editura UPG Ploiești 2011.

Paraschiv, N Programarea Aplicațiilor de Timp Real, Editura UPG Ploiești 2011.

Pătrășcioiu, C Tehnici de Optimizare, Editura UPG Ploiești 2009.

Pătrășcioiu, C Sisteme de Conducere a Proceselor Chimice, Editura UPG Ploiești 2009.

Popa, C Conducerea Automată a Proceselor, Editura UPG Ploiești 2011.

Popescu, M Modelarea si Simularea Dinamicii Sistemelor, Editura UPG Ploiești 2013.

*** http://www.uscatoare-fructe.ro/deshidratare.html

***

***

***

***