Automatizarea Procesului de Amestecare a Trei Lichide Prin Controlul Debitului pe O Platforma Festo

Capitolul 1 – INTRODUCERE

1.1 Procesul de amestecare – Noțiuni generale

Prin procesul de amestecare se înțelege operația în urma careia materialele plastice și solide pulverulente sau în granule sunt puse în contact direct urmărindu-se răspândirea lor uniformă în întreaga masa a amestecului.

În funcție de rolul operației, în desfășurarea unui proces, amestecarea poate fi :

independentă (30%) se aplică în scopul omogenizării amestecurilor, sau la formarea

emulsiilor și a dispersiilor.

auxiliară (70%) este utilizată pentru accelerarea proceselor chimice și biochimice,

schimbării stării fizice(dizolvare), intensificarea adsorbției la decolorarea uleiurilor vegetale, spălarea unor solide și înlăturarea impurtităților în industria zahărului și a amidonului.

Posibilități de realizare a amestecării:

amestecarea prin curgerea lichidelor;

amestecarea mecanică cu ajutorul paletelor de diverse forme;

amestecarea pneumatică cu aer comprimat sau abur sub presiune

Factorii care influențeaza și caracterizează procesul de amestecare sunt:

Starea materialelor:

newtoniene – lichide, gaze care posedă proprietăți precum densitatea, vâscozitatea ,

consistența, coeziunea. Corpurile din natură care posedă proprietățile enunțate, sub aspectul comportării lor la acțiunea solicitărilor, se numesc corpuri ideale.

Corpurile cu comportare ideală sunt:

solidul lui Hooke sau corpul perfect elastic posedă numai elasticitate, deformându-se la actiunea unei forțe, iar la încetarea acțiunii forței își revine la forma inițială;

lichidul lui Newton sau corpul perfect vâscos care sub acțiunea unei tensiuni tangențiale curge; curgerea vâscoasă depinde de marimea și durata solicitării;

plasticul St.Venant sau corpul perfect plastic se comportă ca un solid până la o anumită valoare a tensiunii de prag, apoi se comportă ca un lichid.

nenewtoniene – unele lichide. În domeniul industrial se întâlnesc fluide care prezintă

abateri de la comportarea newtoniană, datorită următoarelor cauze:

sistemele bifazice: polimerii, vopselurile, aluatul, sângele, aluatul care în timpul curgerii suferă modificări structurale;

sisteme omogene: uleiurile minerale, topiturile de polimeri care sub acțiunea tensiunilor tangențiale suferă modificări.

solide

Aparatele în care se desfășoară operația de amestecare

Cantitatea de substanță care se prelucreaza influențează durata amestecării, eficiența. În

cazul în care se prelucrează cantități mari de substanță sunt necesare aparate de dimensiuni mari. Pentru a se obține indici funționali și calitativi mai buni raportați la durata de desfășurare este recomandat să se folosească mai multe instalații de dimensiuni mai mici decât folosirea unei singure instalații de dimensiuni mari.

Durata operației influențează consumul de energie. Pentru ca operația să decurgă cât mai

economic din punct de vedere electric este important ca agitatorul să lucreze eficient, asigurând omogenizarea în cel mai scurt timp. Durata operației depinde de diametrul și turația agitatorului precum și de proprietățile lichidelor amestecate cum ar fi vâscozitatea și densitatea acestora.

Calitatea amestecării se poate evalua prin metode bazate pe măsurarea concentrației în diverse puncte, folosirea substanțelor colorante, metoda gradientului de temperature, măsurararea căldurii de dizolvare.

1.2 Automatul programabil

Un automat programabil poate fi definit ca un dispozitiv apărut pentru a înlocui releele și schemele secvențiale necesare pentru controlul sistemelor automate. Putem considera automatul programabil ca un dispozitiv ce încorporează relee individuale, numărătoare, ceasuri și locațiile de memorare a datelor.

Componentele automatului programabil sunt:

Figura 1.1 Structura unui automat programabil

Unitate centrală conține un procesor, o unitate de calcul aritmetic și diferite tipuri

de memorie. Procesoarele ce echipează gama de automate folosesc o memorie de lucru de tip RAM pentru execuția instrucțiunilor , iar programul ce trebuie executat este memorat intr-o memorie de tip Flash.

Module de intrare : conțin circuitele de intrare cu rol în recepționarea semnalelor

citite, digitale sau analogice, de la comutatoarele existente în cadrul instalației. În general circuitele de intrare sunt implementate cu relee sau tranzistori.

Regiștri de intrare sunt registrii asociați intrărilor fizice, având rol în memorarea

valorii semnalelor de intrare convertită în formă binară de către circuitele de intrare.

Memorie de date este folosită pentru calcule matematice sau pentru manipularea

datelor și este alcătuită din regiștri care memoreaza datele cât timp automatul programabil este alimentat. Datele memorate au același conținut la pornire ca înainte de oprire.

Regiștri interni nu există fizic având rol în recepționarea semnalelor din mediul

extern, fiind introduși pentru a simula relee interne fizice.

Temporizatoare sunt simulate software și contorizează perioadele de timp. Sunt

întâlnite în diverse variante ca parametri, putând avea pasul de incrementare de la 1 ms la 1s

Numărătoarele sunt simulate pentru a contoriza impulsuri. Acestea pot număra

crescător și descrescător în ambele sensuri.

Regiștri de ieșire sunt registrii asociați ieșirilor fizice. Valoarea semnalelor de

ieșire este scrisă în formă binară, conversia fiind făcută cu ajutorul convertoarelor digital – analogice într-un semnal electric. În cazul ieșirilor analogice sunt necesari mai mulți biți pentru scrierea valorii în format binar, în timp ce pentru intrările de tip digital un singur bit este suficient pentru a memora starea activă / inactivă a intrării.

Module de ieșire au în componență circuitele de ieșire. Acestea există fizic și

transmit semnale digitale sau analogice către elementele de execuție.

Echipamentele cu logică programată (PLC) sunt echipamente destinate conducerii automate a proceselor industriale realizând două sarcini principale ale automatizării unui proces:

Măsură – presupune monitorizarea stării procesului prin achiziția variabilelor de stare din proces cu ajutorul senzorilor, limitatoarelor de cursă, butoanelor etc.

Control – presupune prelucrarea informațiilor primite de la întrări și generarea comenzilor necesare spre elementele de execuție din procesul automatizat, conform programului specific.

Figura 1.2 Structura unui proces automatizat cu ajutorul unui PLC

1.3 Funcționarea automatului programabil

Programarea structurilor de tip automat programabil constă în scrierea directă de la un

terminal a unui șir de instrucțiuni, conform unor diagrame de semnal, organigrame sau a unui set de ecuații boolene.

Execuția instrucțiunilor este ciclică pentru a obține o derulare mai rapidă a unui program în raport cu timpii de răspuns ai procesului îmbunătățind timpii de răspuns, fără riscul pierderii de informație sau perturbare a procesului.

Automatele funcționează executând continuu programul încarcat. Figura 1.3 ilustrează ciclul de funcționare al unui automat programabil.

Figura 1.3 Ciclul de funcționare al unui AP

Testarea intrărilor este pasul care se ocupă cu verificarea intrărilor, dacă sunt

active sau inactive, și copiază valoarea lor în regiștrii asociați intrărilor respective în formă binară;

Executarea programului: în acest pas se executa programul, instrucțiune cu

Instrucțiune, și în funcție de starea intrărilor si de logica programului modifică configurația registrelor de ieșire, în formă binară;

Activarea ieșirilor este efectuată de automatul programabil și constă în

actualizarea ieșirilor fizice pe baza ieșirilor rezultate din pasul anterior. După acest pas automatul revine la primul pas și reia ciclul.

Capitolul 2 – INSTALAȚIA TEHNOLOGICĂ

Platforma FESTO MPS PA este un sistem de producție modulară ce are în componență stații pentru realizarea proceselor de filtrare, amestecare, încălzire și îmbuteliere. Stația de filtrare realizează filtrarea unui lichid, care este pompat din primul rezervor în cel de-al doilea pritr-un filtru. Lichidul filtrat alimentează stația de amestecare în primul rezervor. Aceasta stație amestecă diferitele ingrediente din cele trei rezervoare de dozare, amestecul rezultat fiind pompat în stația reactor, unde este adus la temperatură dorită. În final stația reactor realizează umplerea cu lichid a recipientelor sosite pe banda conveior.

Modulele aflate in componenta statiei utilizeaza Automate programabile Micrologix 1500 si au fost proiectate pentru atingerea următoarelor obiective didactice:

proiectarea, cablarea și punerea în funcțiune a unui sistem tehnologic;

măsurarea marimilor care țin de proces (nivel, debit, presiune și temperatură);

evaluarea răspunsului ;

analiza proceselor și a circuitelor de control;

parametrizarea și optimizarea controlerelor de tip P, PI și PID ;

implementarea de programe de control în bucla deschisă și în buclă inchisă;

operarea și monitorizarea unui proces.

2.1 Automatul Programabil Allen-Bradley

Micrologix (ML) 1500 este un sistem modular PLC proiectat de Allen Bradley pentru uz industrial, care a fost integrat in sistemul didactic de productie modulară FESTO folosită in scopul formării profesionale. Acesta este compus din unitatea centrală care contine sursa de alimentare, circuite pentru receptionarea datelor de intrare/iesire si procesorul. Automatul poate avea 24 sau 28 de puncte asociate intrărilor/ieșirilor, dar se pot adăuga si module suplimentare.

2.1.1 Caracteristicile hardware ale automatului

Figura 2.1 Automatul programabil MicroLogix 1500

Blocuri terminale detașabile

Suport pentru adaugare de noi module I/O

LED-uri intrări

LED-uri ieșiri

Port de comunicație de tip RS-232

LED-uri care indica starea automatului

Modul de memorie

Baterie de rezervă

Baterie

Uși terminal

Instrument pentru accesarea datelor

Comutator pentru stările automatului

2.1.2. Programarea

Una dintre cele mai răspândite modalități de construire a unui program ce va fi executat de automatul programabil MicroLogix 1500 este contruirea unei diagrame in trepte, numită Ladder diagram.

Pentru implementarea logicii Ladder pentru procesorul 1764-LSP, serie C utilizat pe instalație am folosit programul RSLogix 500 versiunea 5.10.00 aparut în anul 2001.

2.1.3 Comunicația

Automatul Micrologix 1500 poate fi conectat la calculatorul personal in mai multe moduri disponibile in programul RSLinx Classic Lite, fiind nevoie de configurarea driverelor caracteristice fiecărei conexiuni.

Cele mai folosite interfețe pentru realizarea comunicației sunt:

RS-232 folosită pentru distanțe scurte ce utilizează protocolul DF1 full-duplex care

permite comunicarea în ambele direcții, controlând și fluxul de mesaje precum și detecția erorilor, necesitând conexiune fizică la procesor, folosind viteze de comunicație de până la 19200 bit/sec.

Interfață Ethernet (ENI), folosită pentru a face conexiunea între PLC și calculator prin

intermediul unui cablu UTP, are ca principal avantaj posibilitatea conectării mai multor automate cu calculatorul și o conexiune de rețea flexibilă, care permite utilizatorilor să adopte orice protocol Ethernet disponibil, folosind viteze de transmisie până la 19200 bit/sec, permițând un număr de 32 de noduri.

2.1.4 Semnificația LED-urilor

LED-urile de stare ale automatului oferă un mecanism eficient pentru a determina stările

în care se poate afla un automat programabil la un moment dat. Atunci când automatul funcționează în parametri normali, led-urile POWER si RUN sunt aprinse.

Tabelul următor prezintă stările fiecărui LED , precum si semnificația acestora:

2.1.5 Moduri de funcționare

Automatul programabil MicroLogix 1500 oferă trei moduri de funcționare care pot fi setate cu ajutorul unui comutator(12):

RUN – în acest mod automatul are deja încarcat programul și poate fi controlat prin

intermediul calculatorului, dar si din interfața om-mașină(HMI) disponibilă pe instalație. Atunci când automatul se află in modul RUN nu pot fi făcute modificări asupra programului încărcat.

REM – acest mod îndeplinește atât funcția modului RUN, dar și a modului PROG ,

oferind utilizatorului posibilitatea modificării softului existent pe automat, cât și controlul acestuia cu ajutorul calculatorului pentru verificarea comportamentului instalației.

PROG – cu ajutorul acestui modul, utilizatorul poate modifica programul existent în

scopul programării și încărcări acestuia pe automat, dar fără a putea efectua verificarea acestuia pe instalație, deoarece în acest mod programul nu poate rula.

2.1.6 Module suplimentare I/O

Procesoarele Micrologix împart aceeasi arhitectură cu SLC 500, același software de programare și set de instrucțiuni.

Procesoarele SLC 500 au incorporate intr-o singură unitate modulele I/O și sursa de alimentare. Sunt disponibile module cu 20, 30, 40 intrări/ieșiri digitale si un sertar de extensie cu două locașuri (slots).

În funcție de configurația sistemului, fiecare modul suplimentar poate suporta până la 16 intrari/ieșiri. Automatul folosit pentru statia de amestecare este echipat cu două module suplimentare, pentru intrări/ieșiri analogice și intrări/ieșiri digitale. Utilizarea unor astfel de module necesită conectarea lor la o sursă suplimentară prin intermediul unui cablu special conceput.

Figura 2.2 Module suplimentare I/O

2.2 Stația de amestecare

Stația de amestecare este un sistem controlat cu senzori digitali și analogici si elemente de acționare. Sistemul de curgere controlată este realizat cu ajutorului unui PLC si a unei funcții de control în buclă închisă.

Procesul de amestecare constă în selectarea unei cantități de amestec între 0-10 L și o rețetă în care sunt setate proporțiile de lichid din cele 3 rezervoare de alimentare ce trebuiesc folosite pentru realizarea amestecului dorit. În funcție de rețeta aleasă, lichidele sunt transportate de la rezervoare în rezervorul principal , unde este realizat amestecul ce poate fi ulterior transportat la stația din aval prin intermediul unei pompe.

Caracteristicile hardware ale instalației

Figura 2.3 Instalația de amestecare

Stația de amestecare este alcătuită din următoarele elemente:

2.2.1 Rezervorul principal

Rezervorul principal are capacitatea de exploatare de 10 litri și poate fi ultizat pentru fluide și solide. Pentru evacuarea lichidului prin partea de jos a fost prevazut un alezaj cu racord filetat. Orificiile existente pot fi utilizate pentru asamblarea unui element de încălzire și a unui senzor de temperatură, iar cele care nu sunt necesare pot fi sigilate cu un dop de obturare.

Figura 2.4 Rezervorul principal

2.2.2 Rezervoarele de dozare

Instalația tehnologică de amestecare are în compunență trei rezervoare de dozare, fiecare cu capacitatea de exploatare efectivă de 3 litri, ce pot fi utilizate pentru lichide și solide. Capacul rezervorului este prevăzut cu mai multe orificii pentru senzori și pentru conducta folosită pentru returul apei din rezervorul principal.

Figura 2.5 Rezervor de dozare

2.2.3 Pompe

Figura 2.6 Pompă

Pentru circulația apei in instalație sunt folosite două pompe centrifugale, una având rolul de a transporta lichidul din rezervoarele de dozare în rezorvorul principal, iar cealaltă pompă transportă lichidul spre instalația de încălzire sau îl recirculă în rezervoarele de dozare în funcție de poziția robineților.

Aceste pompe nu trebuie să funcționeze fără apă în instalație, pot fi instalate în orice poziție de lucru, nu trebuiesc utilizate pentru circularea apelor uzate, iar pentru a evita formarea pungilor de aer este necesar ca ieșirea pompei să fie în sus la fel ca în figura 2.6.

Componentele individuale ale pompei:

Figura 2.7 Componente pompă

2.2.4 Valvă cu acționare pneumatică

La ieșirea din fiecare rezervor de dozare este montat un robinet sferic cu două stări. Deschiderea și inchiderea supapei se realizează prin intermediul elementelor de execuție acționate pneumatic.

Valva este alcătuită din următoarele componente:

(1) Supapă cu flanșă NAMUR;

(2) Supapă din alamă cu bilă;

(3) Bobină solenoid;

(4) Actuator semi-rotativ;

(5) Casetă pentru senzori.

Figura 2.8 ilustrează componentele enumerate în pagina anterioară:

Figura 2.8 Valvă cu acționare pneumatică

2.2.5 Senzor de proximitate capacitiv

Una dintre soluțiile tehnice de a monitoriza nivelul sunt senzorii de proximitate capacitivi care se bazează pe evaluarea modificării capacității unui condensator într-un circuit rezonant RC. Senzorul de proximitate are ieșirea PNP, semnalul fiind trecut în potential pozitiv în starea pornit.

Figura 2.9 Senzor de proximitate

Pe partea laterală a primului rezervor de dozare sunt montați doi senzori de proximitate, cel de jos indicând faptul ca rezervorul este umplut cu cantitea de 1,6 litri, cel superior îndicând nivelul de umplere maximă al rezervorului. Celelalte două rezervoare sunt echipate cu un singur senzor de proximitate, în partea de jos, pentru a sesiza dacă rezervorul este umplut cu un minim de 0.5 litri necesar preparării unei singure rețete. Rezervorul principal este echipat cu doi senzori, cel de jos fiind la nivelul inferior, iar cel de sus la nivelul de 6 litri.

2.2.6 Senzorul plutitor de nivel

Comutatorul plutitor monitorizează lichidul în creștere și servește ca protecție preaplin. Atunci când nivelul de umplere maxim este depășit plutitorul se deplasează în sus acționând comutatorul care întrerupe circuitul de curent al pompei, oprindu-se astfel alimentarea.

Acest senzor este prezent pe capacul fiecarui rezervor de dozare, fiind ideal pentru utilizarea în industria alimentară, inginerie medicală și în tratarea apei.

Figura 2.10 Senzor plutitor de nivel

2.2.7 Senzorii de debit

Controlul volumului de curgere în sistemul de conducte între rezervoarele de dozare și rezervorul principal este contorizat prin:

Tub de sticlă cilindric dispus vertical prin care se masoară fluxul de lucru. În interiorul

tubului un plutitor conic este ridicat de fluxul lichidului, putând astfel măsura debitul volumetric prin intermediul gradațiilor aflate pe exteriorul tubului. Este utilizat doar pentru a afișa mecanic debitul de lichid circulat.

Figura 2.11 Indicator mecanic de debit

Senzor electric care măsoară valoarea reală a debitului în instalație. Lichidul circulă în

direcția indicată de săgeată, ajungând în camera de măsurare, punând în mișcare o elice care în funcție de numărul de rotații efectuate într-o perioadă de timp, indică debitul.Impulsul primit de la acest senzor este transmis interfeței om-mașină sub formă de litri/oră.

Figura 2.12 Senzor electric debit

2.2.8 Manometru

Manometrul este un instrument de măsură folosit pentru măsurarea presiunilor sau a suprapresiunilor fizice, în raport cu presiunea atmosferică, din instalația de lucru. Acesta este echipat cu un buton de reglare care poate fi rotit pentru a stabili presiunea necesară.

Figura 2.13 Manometru

2.2.9 Sistemul de conducte

Sistemul de conducte este format din țevi și conectori realizați din plastic. Diametrul exterior al conductelor este de 15 mm, iar diametrul interior al tubulaturii este de 0.5 țoli. Presiunea poate varia în sistemul de conducte până la 10 bari.

Componentele individuale ale tubulaturii:

conector în L (90 °)

conector în T

conductă

Figura 2.14 Conectori

2.3 Panoul de conexiuni

Panoul de conexiuni este utilizat ca interfață pentru intrările analogice/digitale și pentru semnalele de ieșire. Toate semnalele analogice sunt convertite în 0-10 V și aplicate terminalelor logice. Acest lucru asigură compatibilitate cu automatul programabil.

2.3.1 Caracteristicile hardware ale panoului de conexiuni

Figura 2.15 Panoul de conexiuni

Panoul de conexiuni este alcătuit din următoarele componente:

Terminal pentru conectarea intrărilor/ieșirilor digitale : senzori de proximitate, valve pneumatice , pompe etc;

Terminal pentru conexiunile analogice;

Comparator folosit în convertirea semnalului în digital cu ajutorul unui potențiometru;

Bloc pentru acționarea analogică a motoarelor în domeniul admisibil 0-10 V utilizând un semnal digital în intervalul 0-10 V;

Modul pentru acționarea elementelor de control final (pompă, element de încălzire) prin reconfigurarea semnalelor analogice în semnale digitale;

Adaptor utilizat în convertirea semnalului de proces în domeniul standard de tensiune pentru o mărime analogică 0-10 V;

Circuit de protecție pentru intreruperea alimentării motoarelor pompei atunci când rezervorul este umplut la maxim si este acționat comutatorul flotorului;

Limitator de curent pentru pompe.

2.3.2 Conexiunea cu automatul

Legătura între PLC și stație se realizează cu ajutorul a 3 cabluri:

Cablu pentru intrări/ieșiri digitale;

Cablu pentru intrări/ieșiri analogice;

Cablu suplimentar pentru conectarea panoului de control cu touchscreen.

Figura 2.16 Conexiunea cu automatul

2.4 Mod de funcționare

Lichidele pot fi pompate din cele trei rezervoare de dozare în rezervorul principal A prin intermediul unei pompe, realizându-se amestecul dorit. Daca stația de incălzire din aval este utilizată, amestecul poate fi pompat cu ajutorul pompei de evacuare, daca supapa de evacuare este deschisă. În caz contrar, lichidul este pompat inapoi în cele trei rezervoare în fucție de poziția robineților.

2.4.1 Mod automat fără stația aval

1. Se selectează cantitatea (1-2 litrii) și rețeta A,B sau C;

2. Start;

3. Stația nu este pregătită până nu este umplut primul rezervor de dozare;

4. Dacă primul rezervor de dozare este plin se declanșeaza comutatorul pentru limita superioară

5. Se pornește pompa și se dechide valva pneumatică a primului rezervor până când se termină timpul aferent rețetei pentru primul rezervor;

6. Se închide robinetul primului rezervor și de deschide valva pentru cel de-al doilea rezervor până se termină timpul aferent rețetei pentru cel de-al doilea rezervor;

7. Se închide robinetul celui de-al doilea rezervor și de deschide valva pentru cel de-al treilea rezervor până se termină timpul aferent rețetei pentru cel de-al treilea rezervor;

8. Se închide robinetul celui de-al treilea rezervor si se oprește pompa;

9. Rețeta este gata;

10. Se continuuă cu pasul 1.

2.4.2 Mod automat cu stația aval

1. Se setează cantitatea dorită și se alege rețeta A, B sau C;

2. Se setează debitul;

3. Start;

4. Se verifică dacă :

– rezervorul principal este gol;

– rezervoarele de dozare sunt încărcate;

– pompa pentru aval este oprită.

5. Se pornește pompa și se dechide valva pneumatică a primului rezervor până când se termină timpul aferent rețetei pentru primul rezervor;

6. Se închide robinetul primului rezervor și de deschide valva pentru cel de-al doilea rezervor până se termină timpul aferent rețetei pentru cel de-al doilea rezervor;

7. Se închide robinetul celui de-al doilea rezervor și de deschide valva pentru cel de-al treilea rezervor până se termină timpul aferent rețetei pentru cel de-al treilea rezervor;

8. Se închide robinetul celui de-al treilea rezervor si se oprește pompa;

9. Rețeta este gata;

10. Se continuuă cu pasul 3.

2.4.3 Mod manual

Stația de amestecare este formătă dintr-un sistem de control cu elemente de acționare și senzori digitali și analogici ce pot fi pornite din meniul manual de panoul de control.

Toate valorile analogice și stările de semnal ale senzorilor sunt afișate. În modul manual stația trebuie semnalizată ca fiind ocupată (2PA_BUSY) pentru a ne asigura că lichidul nu este pompat în rezervorul de la stația amonte.

Funcția STOP este activă și la apăsarea butonului oprește toate dispozitivele de acționare.

Figura 2.16 Interfață HMI în mod manual

Capitolul 3 – REGLAREA AUTOMATĂ A DEBITULUI

3.1 Modelarea proceselor de curgere

Pentru reglarea debitului se calculează modelul dinamic al unei conducte tehnologice prin care curge un fluid, delimitată de elementul de execuție și traductorul pentru măsurarea debitului. Un sistem de reglare automată a debitului SRA-F are reprezentarea convențională din figura 2.1, unde:

este debitul de fluid;

este lungimea conductei;

este diametrul conductei;

este căderea de presiune pe conductă;

este valoarea presupusă a debitului.

Figura 3.1 Reprezentarea convențională a unui SRA pentru debit

Se presupune curgerea prin conductă a unui lichid incompresibil și se folosește ecuația de conservare a impulsului, din sistem pentru două cazuri diferite, întâlnite în practică:

a) conducte scurte cu L ~ D;

b) conducte lungi cu L >> D.

Calculul modelului dinamic al unei conducte scurte

Se echivalează tronsonul de conductă cu o rezistență hidraulică, pentru care este valabilă relația cunoscută:

, (3.1)

în care:

este debitul care trece prin restricție;

este căderea de presiune pe restricție;

este coeficientul de debit;

este densitatea fluidului.

Pentru regimul staționar de curgere se echilibrează forțele care acționează în sistem și se obține relația:

, (3.2)

în care:

este forța activă de apăsare asupra lichidului din conductă;

este forța de reacțiune datorată restricției.

În regim dinamic diferența dintre cele două forțe este compensată de viteza de variație în timp a impulsului:

. (3.3)

este masa de lichid din conductă;

este viteza sa de curgere.

Atunci pentru exprimarea din (3.3) avem:

. (3.4)

Mărimile care depind de timpul t în (3.4) se obțin dacă se dau variații arbitrare peste valorile de regim staționar, astfel:

. (3.5)

Din (3.4) și (3.5) se obține:

. (3.6)

Dacă se extrage din (3.6) regimul staționar exprimat prin (3.2) și se neglijează termenul pătratic se obține:

. (3.7)

Prin normare la valorile de regim staționar avem:

mărimea reglată:

, (3.8)

mărimea de execuție:

. (3.9)

Rezultă modelul liniarizat cu variabile adimensionale:

, (3.10)

unde cu s-a notat volumul de fluid din conductă, ocupat în regim staționar.

Din ecuația diferențială (3.10), prin aplicarea transformatei Laplace, se obține funcția de transfer a canalului de execuție:

, (3.11)

unde este factorul de amplificare, iar constanta de întârziere a canalului considerat, având valorile și .

Pentru un fluid compresibil, calculul este similar, cu cel anterior cu diferența fiind că ecuația (3.1) este corectată cu un coeficient de compresibilitate.

3.1.2 Calculul modelului dinamic al unei conducte lungi

În acest caz se presupune că forța de reacțiune este forța de frecare a fluidului cu pereții conductei, debitul depinzând esențial de lungimea conductei, L:

. (3.12)

Avem pentru regimul staționar al procesului de curgere, prin echilibrarea forțelor în sistem:

. (3.13)

Mărimea este coeficientul de frecare al fluidului cu conducta. Pentru regimul dinamic se poate scrie:

. (3.14)

Mărimile variabile în timp și au semnificația din (3.5) și atunci (3.14) devine:

. (3.15)

Dacă se extrage din (3.15) regimul staționar exprimat prin (3.13) și se neglijează pentru liniarizare termenul care conține , se obține:

. (3.16)

Cu ajutorul mărimilor normate după procedeul din cazul anterior, se obține modelul matematic al canalului de execuție:

, (3.17)

respectiv funcția de transfer:

, (3.18)

unde:

și . (3.19)

3.2 Proiectarea sistemelor pentru reglarea automată a debitului

Se consideră sistemul din Figura 3.1, pentru care se cunoaște funcția de transfer a părții fixate:

, (3.20)

rezultată prin conectarea în serie dintre:

traductorul de măsură, ca element proporțional, cu funcția de transfer ;

elementul de execuție aproximat printr-un element cu întârziere cu funcția de transfer

procesul reglat, reprezentat de conducta tehnologică prin care circula debitul de fluid, cu funcția de transfer calculată în paragraful 3.1.

Pentru modelul din relația (3.20) se recomandă un algoritm PI care asigură performanțe corespunzătoare regimului dinamic și staționar.

Întrucât sistemele pentru reglarea debitului sunt neinerțiale, frecvența cu care sunt scoase din regimul staționar este relativ mare, astfel că este necesar un studiu de stabilitate a sistemului, din care vor rezulta condiții utile de proiectare. Deci, înainte de calculul parametrilor algoritmului de reglare, vom analiza stabilitatea sistemului, folosind criteriul Nyquist.

Funcția de transfer a sistemului deschis este:

, (3.21)

3.3 Implementarea regulatorului de tip PI

În cazul conductelor scurte modelul de comportament este dat de ecuația 3.10:

,

Din acest model se pot afla coeficientul de proporționalitate () și constanta de integrare ().În urma calculelor bazate pe ecuația modelului de comportament obținem:

= 0.5 (3.22)

= (3.23)

Schema de reglare folosită pentru controlarea debitului prin conductă scurtă cu ajutorul presiunii este:

Figura 3.2 Schemă de reglare a debitului

Funcția de transfer a părții fixate este:

(3.24)

în care:

este funcția de transfer a elementului de execuție

este funcția de transfer a procesului

este funcția de transfer a traductorului

În calcularea constantei de integrare () am considerat ca fiind debitul volumetric și coeficientul de debit α = 0.9 :

= = = = 0.6 s (3.25)

Din ecuația 3.25 funcția de transfer a procesului are valoarea:

= (3.26)

Pentru a determina funcția de transfer a elementului de execuție am extras din caracteristica statică a elementului de execuție evidențiată în Figura 3.3 .

(3.27)

Figura 3.3 Caracteristica statică a elementului de execuție

Pompa primește la intrare o tensiune cuprinsă între 3V și 10V, permințând trecerea unui debit maxim de 130 l/h.

= = = 1.4594 (3.28)

Funcția de transfer a traductorului este de forma:

, (3.29)

unde se obține din caracteristica statică a traductorului

Figura 3.4 Caracteristica statică a traductorului

Traductorul de debit primește la intrare un debit și prezintă la ieșire o valoare a tensiunii cuuprinsă între 0.35 V și 3 V, unde cei 3 V reprezintă 100% din debitul circulat de către pompă.

(3.30)

Funcția de transfer a părții fixate devine:

(3.31)

Pentru calculul regulatorului este nevoie de aflarea lui :

=> (3.32)

În continuarea voi impune performanțe pentru calcularea lui

=> (3.33)

= 0.75 (3.34)

Din relațiile 3.32 și 3.33 funcția de transfer în buclă închisă este de forma:

Înlocuind în relația 3.32 ne rezultă funcția de transfer în buclă deschisă:

(3.35)

În acest moment avem toate functiile de transfer și putem înlocui în relația 3.32

=

(3.36)

Regulatorul de tip PI este de forma:

(3.37)

Egalăm relațiile 3.36 și 3.37

=

(3.38)

Identificăm coeficienții prin mapare 1 la 1 în relația 3.38 obținând:

(3.39)

Pentru verificarea corectitudinii calculelor am implementat în Simulink schema de reglare

folosită cu funcțiile de transfer obținute, după cum se poate vedea în figura 3.5

Figura 3.5 Schemă Simulink de reglare a debitului

La aplicarea unui semnal de tip treaptă regulatorul respectă performanțele impuse și anume și 3 s după cum se poate observa în figura 3.6.

Figura 3.6 Răspunsul sistemului pentru o intrare de tip treaptă

Regulatorul obținut a fost implementat în codul Ladder și prin intermediul funcției Trend din HMI se poate observa răspunsul instalației în Figura 3.7.

Capitolul 4 – SISTEME CONVENȚIONALE DE CONTROL AUTOMAT

4.1 Structura algoritmilor de comandă

Pentru proiectarea algoritmului de reglare (comandă) este necesară specificarea performanțelor dorite pentru sistemul în buclă închisă și cunoașterea modelului dinamic al procesului (model de comandă și/sau de perturbație).

Considerând aceste elemente date, obiectivul este de a determina structura și parametrii algoritmului de comandă.

În general, structura numerică a unui sistem în buclă închisă este ilustrată de Figura 4.1.

Figura 4.1. Sistem numeric în buclă închisă.

Ansamblul CNA-proces continuu-CAN, reprezintă procesul discretizat PD, la care intrarea este secvența și ieșirea este secvența. Intrarea și ieșirea din Figura 4.1 sunt mărimi intermediare asociate procesului continuu.

Structura de reglare numerică propusă oferă următoarele avantaje: frecvența de eșantionare este aleasă în funcție de banda de trecere a procesului continuu, sinteza directă a comenzii este adaptată la modelul procesului discretizat și folosirea inteligentei calculatorului pentru proiectarea unor algoritmi de comandă mai performanți decât algoritmii clasici, tradiționali.

O lege numerică de reglare poate fi exprimată în reprezentare generală, după cum urmează:

] (4.1)

În această relație, este mărimea de referință, este comanda numerică, este ieșirea sistemului și , , sunt parametrii regulatorului numeric.

În majoritatea cazurilor, algoritmii de reglare pot fi reprezentați prin ecuația (4.1) și numai memoria lor (numărul coeficienților) schimbă comportamentul comenzii. Această memorie este dictată de complexitatea procesului și de performanțele impuse pentru sistemul în buclă închisă.

4.2 Comandă numerică RST

Plecând de la expresia (4.1) dată mai sus, este posibilă constructia unor structuri particulare de algoritmi pentru proiectarea și calculul comenzii numerice. Vom considera în acest subcapitol un algoritm numeric, cu două grade de libertate de tip RST, care permite o mai mare flexibilitate și uniformitate pentru proiectarea și implementarea comenzii în sistemele numerice de reglare.

Putem folosi operatorul de înterziere pentru a exprima (4.1) într-o formă polinomială, echivalentă:

, (4.2)

unde:

. (4.3)

În fapt, polinoamele R, S și T sunt componente ale comenzii regulatorului numeric.

Structura sistemului numeric corespunzătoare ecuației (4.2) este prezentată de Figura 4.2.

Figura 4.2. Structura numerică cu algoritm de reglare de tip RST.

În acestă reprezentare, modelul matematic al procesului comandat, presupus cunoscut, este de tip ARX, dat de polinoamele A și B:

. (4.4)

Funcția de transfer globală a sistemului reprezentat de Figura 4.2 se exprimă după cum urmează:

. (4.5)

Structura precedentă poate fi îmbunătățită cu ajutorul unui modul adițional (generator de traiectorie), pentru constructia unui sistem cu performanțe independente în urmărire (la schimbarea referinței) și în reglare (la rejectarea perturbațiilor).

În acest caz, o traiectorie de referință este construită cu ajutorul generatorului de traiectorie de tip ARX, ca în Figura 4.3, unde:

, (4.6)

Cu această imbunătățire, transferul global r(k)->y(k), este exprimat prin relația evidență, care include și actiunea suplimentară a generatorului de urmărire:

, (4.7)

Figura 4.3. Comandă RST cu generator de traiectorie.

4.3 Implementare RST

4.3.1 Identificarea sistemului

Pentru a obține răspunsul indicial am utilizat un model Simulink folosit în laboratorul de sisteme ierarhizate de conducere pentru instalația de debit.

Modelul Simulink are în componență:

Două întrerupătoare folosite pentru pornirea/oprirea valvei, respectiv a pompei;

Bloc repetitiv pentru secvență care are ca parametri:

SPAB-ul;

Perioada de eșantionare .

Protecție pentru elementul de execuție, pompa cu intrarea 0-10 V;

Bloc ce realizează interfața cu instalația;

“Scope” pentru vizualizarea graficelor și salvarea în workspace a variabile RST_DEBIT;

Structură Simulink pentru controlul debitului prezentată în laboratorul de [SIEC 2015]

Figura 4.4. Structură Simulink pentru control debit

Se introduce perioada inițială de eșantionare și se pornește instalația. Se observă că debitul se stabilizează la valoare de 3,1 V așa cum a fost prezentat și in capitolul anterior în graficul pentru caracteristica statică a traductorului.

Figura 4.5. Răspunsul sistemului la comada maximă

Din figura 4.5 estimez timpul de creștere () , timpul tranzitoriu, timpul mort:

(4.8)

Următorul pas este să aleg perioada de eșantionare din intervalul:

(4.9)

În urma calculelor rezultă ca trebuie să fie în intervalul [0.14;0.35]

Pentru dimensionarea semnalului de comanda de tip SPAB este necesar să aleg un semnal de excitație cu un spectru al frecvențelor bogat pentru a acoperi banda de frecvențe a procesului identificat, dar cu amplitudine mică, deoarece experimental am constatat că variațiile de amplitudine ale semnalului de intrare sunt constrânse puternic.

Semnalul SPAB trebuie să verifice relațiile:

(4.10)

Pentru verificarea relațiilor am considerat parametrul registrului de deplasare p=1 , timpul experimental secunde și perioada de eșantionare aleasă

Introducând datele în relația 4.10 îmi rezultă dimensiunea registrului (N) și lungimea secvenței de semnal (L) :

=> (4.11)

(4.12)

Din relațiile 4.11 și 4.12 se obțin parametrii:

(4.13)

Pentru introducerea semnalului de tip SPAB am introdus în blocul “Repeating Sequence Stair” perioada de eșantionare () și vectorul (prbs) obținut din relația 4.14.

(4.14)

unde reprezinta comanda și variația comenzii având valorile:

(4.15)

La finalul experimentului va fi generată în workspace variabila RST_DEBIT care conține valorile semnalului de intrare și a celui măsurat de proces.

Pentru generarea fișierului folosit în validarea modelului am utilizat programul WinPIM. Algoritmul folosit pentru generarea fișierului cu datele de intrare pentru identificarea modelului:

u = RST_DEBIT.signals(2).values

y = RST_DEBIT.signals(1).values

t = 0:Te:(length(u)-1)*Te

VectorDate(:,1)=t

VectorDate(:,2)=y

VectorDate(:,3)=u

save('Licenta_Debit_RST.txt','-ascii','VectorDate')

Figura 4.6. Meniu principal WinPIM

Folosind “Data Files Management” din meniul principal se încarcă fișierul generat la

pasul precedent, specificând coloanele și numărul de înregistrări. În fișier am salvat cu ajutorul Algoritmului 4.1 următoarele variabile sub forma a trei vectori:

t – se găsește în prima coloană si reprezintă vectorul timp unde se memorează momentul de timp la care se face eșantionarea;

y – se găsește în cea de-a doua coloană și reprezintă ieșirea;

u – se găsește în cea de-a treia coloană și reprezintă comanda;

Figura 4.7. Graficul I/O

Pentru a putea începe etapa de identificare a modelului este nevoie să filtrăm semnalele utilizate în identificarea experimentală și anume eliminarea componentelor continue.

În figura 4.8 este prezentat graficul intrării reprezentat de comanda (u) și graficul ieșirii (y), fără componenta continuă.

Figura 4.8. Graficul I/O filtrate

Cu ajutorul programului WinPIM, încarcând setul de date am obținut cel mai bun model un ARX[1,2,0] care a trecut testul de albire și am obținut coeficienții polinoamelor:

Figura 4.9. Modelul ales în WimPIM

Se obțin polionoamele :

(4.16)

(4.17)

Figura 4.10 Parametri model ales

Performanțele impuse asupra urmării sunt:

=> (4.18)

Componenta dominantă se alege de obicei prin discretizarea unui polinom de ordinul 2 calculat pe baza frecvenței naturale și a factorului de amortizare specificat asigurând îndeplinirea relației 4.20:

(4.19)

în urma calculelor:

(4.20)

În acest moment putem calcula polinomul Q(s) alegând un în intervalul specificat, fiind cunoscuta perechea ()

(4.21)

(4.22)

Înlocuind în ecuația 4.23 cu valorile din 4.22 obținem:

(4.23)

Discretizând polinomul Q(s) folosind metoda ZOH obținem:

(4.24)

Prin urmare componenta dominantă se poate alege ca fiind numitorul lui

(4.25)

Figura 4.11 Performanțe impuse asupra urmării

Performanțele impuse în cadrul reglării sunt prezentate în figura 4.12

Figura 4.12 Performanțe impuse asupra reglării

Din figurile 4.11 și 4.12 extragem generatorul de traiectorie ca fiind:

(4.26)

Polinoamele aparținând regulatorului RST sunt prezentați în relația 4.27

(4.27)

Figura 4.13 Coeficienții regulatorului RST

Polinoamele obținute le-am introdus în schema de reglare prezentată în figura 4.14:

Figura 4.14 Sistemul de reglare cu regulator RST

La aplicarea unui semnal de tip treaptă regulatorul respectă performanțele impuse și anume și 5 s după cum se poate observa în figura 4.15:

Figura 4.14 Răspunsul sistemului în cazul intrării de tip treaptă

Capitolul 5 – Descrierea software

Datorită diversității firmelor producătoare și tipurilor de automate, există mai multe variante de programe folosite în programarea unui automat, dintre care pot fi menționate următoarele:

Programarea prin diagrama Ladder

Programarea cu ajutorul limbajelor grafice de tip Grafcet sau Isagraf

Programarea în limbaje de nivel înalt (C, Pascal)

Pentru realizarea acestui proiect am utilizat trei programe:

RSLogix 500 pentru implementarea logicii Ladder;

RsView32 pentru implementarea interfeței om-mașină;

RSLinx Classic Lite pentru realizarea comunicației.

RsLogix 500

5.1.1 Noțiuni generale

RSLogix 500 este un pachet software folosit pentru programarea procesoarelor SLC 500 care utilizează logica ladder pe sisteme de operare Windows pe 32 de biți.

Pachetul software RSLogix 500 este folosit pentru:

Crearea și modificarea fișierelor de tip ladder;

Configurarea sertarului și a modulelor de intrare/ieșire;

Stabilirea comunicației cu procesoarele SLC 500;

Monitorizarea și afișarea datelor de proces;

Editarea drag-and-drop care permite mutarea rapidă a elementelor

Posibilitatea vizualizării diferențelor între proiecte.

Un proiect în RsLogix 500 reprezintă un set amplu de fișiere ce sunt asociate cu logica

programului în scopul controlului unui proces. Proiectul în RSLogix 500 conține două tipuri de fișiere fundamentale:

Fișierele procesorului: sunt necesare procesorului și pot fi monitorizate din cadrul

stației de lucru, timp în care sunt folosite de către procesor în execuția programului. Aceste fișiere sunt fișiere de date, fișiere de program și fișiere pentru semnalizarea erorilor.

Fișierele bazei de date: conțin simbolurile, titlurile paginilor și descrierile care nu

sunt necesare procesorului în timpul execuției logicii ladder.

5.1.2 Explorarea

Fereastra principal a programului RSLogix 500 include următoarele componente:

Fereastra ladder;

Fereastra proiectului;

Arborele proiectului;

Online toolbar;

Standard toolbar;

Toolbar cu instrucțiunile SLC 500.

La deschiderea unui proiect în RSLogix 500 va apărea o fereastră similară figurii 5.1

Imagine RSlogix

Pentru o mai bună utilizare a componentelor RSLogix 500 trebuie înțeleasă funcționalitatea oferită:

Bara de meniu – cu ajutorul acesteia se pot selecta funționalitățile din meniurile care apar

când se trece prin fiecare câmp din această bară;

Bara online – în acest meniu se observă modul în care este procesorul, starea editărilor în

programul ladder online,dacă există forțări.În cadrul acesteia se mai pot observa aspecte ce țin de comunicație, cum ar fi driverul cu care se face comunicația și numărul nodului;

Bara de instrucțiuni – afișează instrucțiunile pe categorii, putând introduce din acest

meniu instrucțiunile necesare;

Arborele proiectului – conține toate directoarele și fișierele dintr-un proiect. Ca și în

cadrul altor program Windows, un director poate fi expandat cu semnul plus (+) și colapsat cu semnul (-). Prin folosirea arborelui proiectului putem realiza crearea, ștergerea, copierea, deschiderea, redenumirea fișierelor existente;

Panoul de rezultate – oferă utilizatorului rezultatul compilării fișierului sau proiectului

ladder, semnalând locul unde apar greșeli de sintaxă sau de logică;

Bara de status – oferă mesaje pe măsură ce se folosesc diferite secțiuni din program.

Fereastra Ladder – afișează orice fișier de program deschis și oferă informații despre

programul ladder definit de utilizator și despre orice se desfășoară în documentație.

5.1.3 Comunicația cu procesorul

Pentru a fi modificat sau monitorizat proiectul trebuie transferat dintr-un calculator

într-un procesor. Calculatorul trebuie să fie în comunicație continua cu procesorul pentru a putea realiza următoarele acțiuni:

Modificarea și monitorizarea unui proiect încărcat în procesor;

Monitorizarea datelor în timp ce sunt colectate;

Modificarea programelor și a datelor stocate în procesor

Figura 5.2 reprezintă stările de comunicație existente între automatul programabil și

stația de lucru.

Figura 5.2 Stările de comunicație dintre PLC și PC

Download – se înlocuiește proiectul curent din processor și se transferă o copie a proiectului în procesor;

Upload – se face transferul unei copii a proiectului existent în procesor în memoria calculatorului, iar pentru păstrarea unei copii trebuie să salvam în calculator.

Atunci când se face download într-un procesor SLC 500 în afara bazei de date , toate

informațiile sunt încarcate în memoria procesorului. Când se merge online și se face upload pentru un proiect, calculatorul va cauta în directorul software implicit un proiect offline care să se potrivească cu cel din procesor.

RSLinx Classic Lite

Programul software RSLinx este un pachet software de comunicație pe sistemele de

operare Windows ce este utilizat pentru a realiza:

Realizează funcții de comunicație cum ar fi download, upload, online;

Adăugare, configurare și modificare drivere de comunicație;

Vizualizarea rețelelor și a nodurilor active.

Pentru a vedea toate conexiunile de rețea active intr-un singur ecran am folosit interfața

pentru browser de rețea RSWho. Aceasta ne indică și tipul conexiunilor existente, daca sunt de tip RS232 sau Ethernet. Un exemplu de ecran RSWho este cel prezentat în figura 5.2

Configurarea driverului în RSLinx Classic Liteș

Configurarea comunicației cu automatul

Fisiere existente:

O0 – IESIRI

O:0/0 2M1 (POMPA P101 PORNITA)

O:0/1 2M2 (POMPA DE RETUR/AVAL P202 PORNITA)

O:0/2 2M3 (VALVA REZERVOR 1 V201 DESCHISA)

O:0/3 2M4 (VALVA REZERVOR 2 V202 DESCHISA)

O:0/4 2M5 (VALVA REZERVOR 3 V203 DESCHISA)

O:0/5

O:0/6

O:0/7 2PA_BUSY (este 1 in tabel)

O:0/8

Tabela de iesiri:

I1 – INTRARI

I:0/0 2B1 (DEBIT IMPULSURI)

I:0/1 2B2 SENZORUL SE SUS (REZERVOR B201)

I:0/2 2B3 SENZORUL DE JOS (REZERVOR B201)

I:0/3 2B4 SENZOR IN PARTEA DE JOS (REZERVOR B202)

I:0/4 2B5 SENZOR IN PARTEA DE JOS (REZERVOR B203)

I:0/5 2B6 SENZORUL DE SUS(REZERVOR PRINCIPAl B204)

I:0/6 2B7 SENZORUL DE JOS(REZERVOR PRINCIPAl B204)

I:0/7 2PA_FREE

I:0/8

I:0/9

I:0/10

I:0/11

I:0/12

I:0/13 EMSTOP (OPRIRE DE URGENTA)

I:0/14

I:0/15

S2 – STATUS

B3 – BINAR

T4 – TIMER

COUNTER

CONTROL

INTEGER

FLOAT

L9

PD10

Configurarea driverului in RSLinx Classic

Anexa 2 – Algoritmi

Algoritmul 4.1 Generarea fișierului cu datele de intrare pentru identificarea modelului:

u = RST_DEBIT.signals(2).values

y = RST_DEBIT.signals(1).values

t = 0:Te:(length(u)-1)*Te

VectorDate(:,1)=t

VectorDate(:,2)=y

VectorDate(:,3)=u

save('Licenta_Debit_RST.txt','-ascii','VectorDate')