Automatizarea Unei Stații de Tratare a Apei

Automatizarea unei stații de tratare a apei

Introducere – schemă bloc instalatie de tratare a apei

Motivația alegerii

Importanța reglării temperaturii

Reglarea proceselor industriale

Identificarea proceselor

Structuri de reglare

Algoritmi de reglare

Procesul tehnic

Prezentarea procesului tehnic

Descrierea standului experimental Armfield PCT40

Cerinte specifice din punct de vedere a SRA

Alegere si acordare regulator

Identificare model

Alegerea algoritmului de reglare adecvat procesului

Comparatie teoretica / Rezultate in simulare/Performantele reglarii

Implementare practica

Rezultate experimente practice/ performante

Concluzii

Anexe

Bibliografie

Lista de figuri

Capitolul 1

Introducere

Stațiile de tratare a apei sunt întâlnite în foarte multe procese tehnologice, de exemplu: industria alimentară, industria băuturii, temocentrale s.a. Lucrarea de față are ca subiect principal stația de tratarea a apei într-o termocentrală, ce implică reglarea temperaturii apei pentru anumite procedee de tratare.

O termocentrală se definește ca fiind o centrală electrică care produce curent electric pe baza conversiei energiei termice obținută prin arderea combustibilililor. Curentul electric este produs de către generatoarele electrice antrenate de turbine cu abur. Funcționarea unei termocentrale se bazează pe aplicarea principiului doi al termodinamicii. Fluidul termic se amestecul apă-abur care evoluează între două surse, una caldă situată în cazan, căldura fiind obținută prin arderea unui combustibil (de exemplu: cărbune, deșeuri, păcură, gaz) și a doua sursă este rece și este întâlnită în condensatorul centralei. Sursa rece este apă de răcire aflată în circuit separat față de circuitul de alimentare a cazanului. Astfel, aburul produs se destinde într-o turbină cu abur producând lucru mecanic acesta fiind transformat în energie electrică cu ajutorului unui generator de curent alternativ care este antrenat de turbină.

Pentru a simula buclele de reglare pentru reglarea temperaturii am utilizat programul Matlab Mathworks versiunea R2010b, împreuna cu Simulink. Partea practică a reglării s-a realizat pe un sistem Armfield PCT 40. Pe acest sistem se pot realiza o varietate de bucle de reglare pentru anumite marimi fizice: nivel, temperatura, presiune, debit. În aceasta lucrare partea practică a constant în realizarea unui control PID pentru reglarea temperaturii pe platforma Armfield PCT 40. Pentru reglarea temperaturii am folosit un sistem de reglare cu un grad de libertate. Această platformă, PCT 40 este utilizată și comandată utilizând programul Armfield din calculator. Acest program poate fi reconfigurat pentru diverse procese, poate realiza calibrarea senzorilor, de asemenea permite posibilitatea acționării manuale a elementelor de execuție.

Lucarea de față este structurată astfel: prima parte a lucrării reprezintă parte teoretică, iar partea a doua descrie partea practica, concluziile și simulările efectuate. Astfel în subcapitolele 1.1 și 1.2 sunt prezentate caracteristicile apei, metode de tratare a apei, importanța reglării temperaturii pentru o stație de tratare a apei și o prezentare pe scurt în ceea ce priveste reglarea temperaturii procese tehnologice. În subcapitolul ce urmează voi discuta despre motivația alegerii acestei teme și elementele ce construiesc acest proces, de tratare a apei. În capitolul 2 vor fi prezentate structurile de reglare precum și aplicabilitatea acestora iar în subcapitolul 2.1 vor fi prezentați algoritmi de reglare, metode de calcul pentru algoritmii de reglare, caracteristicile parametrilor (P– proporționar, I– integrator , D– derivativ) și influența în buclele de reglare a temperaturii. De asemenea vor fi prezentate graficele de răspuns pentru fiecare alogritm în parte.

În ceea ce privește cunoștințele necesare pentru această lucrare, anumite materii învătațe in timpul anilor de facultate au fost foarte importante, precum: ingineria reglării automate, sisteme de conducere a proceselor industriale, traductoare și sisteme de măsurare, sisteme ierarhizate de conducere ș.a.

Prin această lucrare doresc să evidențiez importanță reglării temperaturii apei în stațiile de tratare a apei din cadrul termocentralelor dar și în alte procese industriale din lume. Implementarea algoritmului de reglare reprezintă un punct cheie în această lucrare deoarece este foarte important, în ceea ce privește caracteristicile chimice ale apei, ca reglarea temperaturii să se realizeze fară un grad mare de eroare (max 2-3 grade C), ideal ar fi ca reglarea temperaturii să se realizeze fără nici un grade de eroare.

Motivația alegerii

Aceasă lucrare, “automatizarea unei stații de tratare a apei” sunt prezente elementele de bază pentru un inginer automatist. Automatizarea unei stații de tratare a apei include în primul rând întelegerea procesului tehnologic, ceea ce implica anumite cunoștine de fizică, chimie, matematică, întelegerea elementelor de masură, traductoare, senzori este de asemenea importantă. Precizia, locul de instalare, domeniul de măsurare sunt caracteristici importante pentru traductoare. În cazul de față, pe instalația Armfield PCT 40, am folosit o termorezistență (traductor de temperatura) pentru a citii temperatura apei și un termostat pentru limita temperatura din bazin la 80 grade Celsius. De asemnenea, pentru a implenta un algoritm de reglare sunt necesari anumiți pași efectuați înainte, ca de exemplu identificarea funcției de transfer. Funcția de transfer a sistemului este foarte importantă deoarece ea descrie modul în care funcționează sistemul și caracterisiticile acestuia. Pe baza funcției de transfer se construiește regulatorul care trebuie să respecte condițiile de performață impuse. Alegerea regulatorului P, PI, PID este important, cu ajutorul programului Simulink și utilizând funcția de transfer a sistemului am putut simula răspunsul acestuia la diferiți algoritmi de reglare.

Aplicarea acestor cunoștințe, care stau la baza oricărui inginer automatist, intelegerea procesului, identificarea elementelor componente ale sistemului (traductoare, senzori, elemente de executie), identificarea funcției de transfer, calculul algoritmul de reglare, simularea procesului în Simulink și comparea răspunsului pentru diferiți algoritmi de reglare m-au determinat să aleg această temă de licență. De asemnea, importanța reglării temperaturii apei este un subiect interesant cu atât mai mult cu cât acest lucru se realizează in cadrul unei termocentrale.

În ziua de astăzi, economia modernă necesită și putem spune că se bazează pe energie electrică, de aceea asigurarea unei baze energetice și producție de energie electrică este un aspect primordial pentru orice țară indiferent de tipul de dezvoltarea pe care îl au (agricultură, armanent, petrol etc.). Tocmai pentru că energia electrică se folosește direct în mai toate ramurile industriale, necesarul acesteia sporește mai mult decât proportional, atingând ritmuri care nu se găsesc obișnuit în alte ramuri industriale. Pentru a funcționa, termocentralele au nevoie de mari cantități de apă. Pentru ca o termocentrală să functioneze corect trebuiesc indeplinite anumite criterii iar în această lucrare este vorba despre tratarea apei. Pentru anumite metode de tratare a apei este necesar ca temperatura apei să fie reglată pentru anumite valori. Toți acești factori, tehnologici, economici alături de aplicarea cunoștintelor însușite de-a lungul anilor de facultate, m-au determinat să aleg această lucrare de licență.

Consider că această lucrare de licență mă ajută să imi consolidez cunoștințele de bază pentru a deveni un inginer automatist. De asemenea, întelegerea procesului tehnologic și raportarea reglării temperaturii apei la termocentrală ajută la acumularea de cunoștinte necesare unui inginer automatist dar și conștientizarea faptului că într-un sistem este foarte important ca toate elementele ce îl alcătuiesc să funcționeze corect pentru ca fiabilitatea acestuia să nu scadă.

Importanța reglării temperaturii

Sistemele de reglare automată sunt parte intregrantă a vieții secolului curent. Automatica permite proiectarea și funcționarea la nivel ridicat de profitabilitate, calitate, sigurantță a majorității aplicațiilor moderne (de la domeniul naval, la aparătură electronică de larg consum). Implementarea sistemelor de reglare automată a adus o serie de beneficii, printre care se numără îmbunătățirea marjelor de siguranță, creșterea calității produselor, minimizarea deșeurilor, protecția mediului, precum și creșterea și eficientizarea producției.

După cum s-a prezentat și în capitolul precedent reglarea temperaturii într-o stație de tratare a apei este foarte importantă pentru buna funcționare a unei termocentrale. Reglarea temperaturii este foarte întâlnită în mediul industrial, în domenii precum: industria auto, chimie, energie (cazul de față), metalurgie, industria alimentară, locuințe ș.a.

Reglarea temperaturii este una dintre cele mai întălnite reglări din domeniul industrial. Reglarea temperaturii se realizează prin mai multe metode:

Prin intermediul unui schimb de căldură între două sau mai multe medii, schimbul de căldură având loc printr-o suprafață de separare sau prin amestec, fără suprafață de separare.

Prin intermediul unui element încălzitor

Reglarea temperaturii este esențială din mai multe puncte de vedere: siguranță, necesitate datorată anumitor procese chimice, pentru creșterea fiabilității unui sistem (stația de tratare a apei pentru termocentrală), pentru protecția mediului, pentru identificarea anomitor caracterisitici a apei potabile (exemplu: rezidul sec).

Intr-o termocentrală degazorul are rolul de a degaza apa de alimentare prin evacuarea oxizilor din apă dimunuând astfel posibilitatea de corodare a țevilor. Extragerea gazelor se face prin ridicarea temperaturii apei (dacă la 80 grade C apa conține 3.5mg O2/l la 102-105 grade C conținutul de O2 dizolvat în apă scade aproape de zero). Astfel din punct de vedere tehnologic se pot preciza cateva dintre condițiile pentru SRA al degazorului:

Atingerea unei temperaturi care să permită tratarea apei

Păstrarea presiunii în degazor mai mare decât cea atmosferică, în scopul de a evacua aerul și oxigenul rezultate din degazare și a evita contaminare condesatului cu aer atmosferic.

Reglarea temperaturii este esențială și pentru degazorul din cadrul unei termocentrale. Ca urmare a acestor exemple ce aplicabilitate a reglării temperaturii, se poate spune că această automatizare, a temperaturii, este foarte important să fie bine înțeleasă de către ingieneri dat fiind și rata de întalnire al acestui tip de proces.

Capitolul 2

Reglarea proceselor industriale

Termenul de “proces” se poate folosi în sensul cel mai larg al cuvântului și se poate referi la un sistem tehnic (de exemplu un sistem de comandă a avionului, o instalație chimică, căi de transmisie ș.a.), la un sistem biologic (de exemplu o acțiune de urmărire efectuată de om, o diagnoză medicală) și se pote folosi de asemenea la un sistem economic și sociologic. În lucrarea de față termenul de proces va fi folosit pentru a descrie o instalație chimică sau un sistem pentru reglarea temperaturii, în concluzie acest termen va fi folosit pentru a descrie instalații.

Abordarea problemelor de analiză și sinteză a sistemelor automate impune cunoașterea caracteristicilor instalației tehnologice și acest lucru se realizează prin operația numită identificare. Identificarea urmărește stabilirea caracteristicilor statice și dinamice ale procesului.

–

Identificarea proceselor

Identificarea experimentală este o formă de modelare ce presupune aproximarea comportamentului unui sistem fizic cu un model matematic în urma analizei acestuia în timpul funcționării în buclă deschisă.

Modul de efectuare a experimentelor determnină în principal întreaga procedură de identificare și el este influențat de o serie întreagă de factori, dintre careză a sistemelor automate impune cunoașterea caracteristicilor instalației tehnologice și acest lucru se realizează prin operația numită identificare. Identificarea urmărește stabilirea caracteristicilor statice și dinamice ale procesului.

–

Identificarea proceselor

Identificarea experimentală este o formă de modelare ce presupune aproximarea comportamentului unui sistem fizic cu un model matematic în urma analizei acestuia în timpul funcționării în buclă deschisă.

Modul de efectuare a experimentelor determnină în principal întreaga procedură de identificare și el este influențat de o serie întreagă de factori, dintre care menționăm:

Posibilitatea de a scoate procesul din funcționare normală, sau necesitate de a efectua încercări asupra procesului funcționând în buclă închisă, sau testarea procesului în buclă deschisă;

În cazul în care procesul tehnologic poate fi întrerupt din funcționare un timp limitat, este necesar ca timpul de identificare să nu fie prea mare;

Posibilitatea de a aplica semnale de probă, sau necesitatea de a utiliza doar semnale din funcționarea normală a procesului;

În cazul utilizării unor semnale de probă, se pune problema alegerii acestora: tipul semnalului utilizat; amplitudinea semnanului, având în vedere raportul necesar semnal util-zgomot și condiția de a nu se aplica semnale care să scoată procesul din limitele normale de funcționareș semnanului de intrare trebuie să excite toate modurile procesului, adică procesul trebuie să fie controlabil iar semnalul de ieșire trebuie să conțină o informație suficientă despre starea procesului, adică sistemul să fie observabil și identificabil;

Etapele de desfășurare a identificării, funcției de transfer, sunt în principal următoarele:

Organizarea și realizarea experimentărilor pe instalația tehnologică;

Interpretarea și prelucrarea rezultatelor;

Deducerea funcției de transfer – stabilirea structurii și a parametrilor;

Verificare funcție de transfer;

Metoda de identificare abordată este influențată în principal de prima etapă: cea a efectuării experimentelor. Din acest punct de vedere se poate face:

Identificare cu semnale de probă (metode active);

Identificare fără semnale de probă (metode pasive);

Identificare cu modele ajustabile;

În lucrarea de față identificarea funcției de transfer a instalației tehnologice s-a realizat folosind identificare cu semnal de probă. Semnalele de probă pot fi neperiodice (de exemplu, impuls, treaptă), sau periodice (sinusoidale sau nesinusoidale). Semnalul de tip impuls este descris de functia impuls Dirac, definită astfel:

Aria impulsului este egală cu 1 (de aceea mai poartă denumirea de impuls unitar). Prin trecerea la limită se obține un impuls de aplitudine infinită și de durată nulă (figura a). Aria acestui impuls, adică:

Definește “mărimea” impulsului. Reprezentarea impulsului se face ca în figura b. (lângă săgeată se menționează „mărimea” sa, adică aria).

Semnalul treaptă este unul dintre cele mai importante. Formele de semnal fizic ce pot fi practic generate se aproprie mult de modelul matematic al treptei unitare, a cărei definiție este:

Semnalul treaptă unitară poate fi generat în practică utilizând circuite simple, acesta este motivul pentra care semnalul treaptă unitară este unul dintre semnalele folosite pentru testare în practică. Reprezentarea acestui semnal se poate observa în figura de mai jos:

Semnalele impuls și treaptă ar trebui, bineînțeles, să nu pună în pericol procesul și să nu-l aducă la o comportare neliniară, dacă este necesară o descriere liniară a comportării în jurul unui punct de referință. În această lucrare, pentru identicarea funcției de transfer a procesului am folosit un semnal de tip treaptă.

În cadrul proiectării sistemelor de reglare automată, un rol important îl au simularea și validarea algoritmilor proiectați. Pentru aceasta, este necesară determinarea modelelor matematice ale componentelor schemelor de reglare.

Activitatea de modelare matematică a fenomenelor și proceselor din natură reprezintă una dintre cele mai vechi preocupări ale omului. Modelul este o repezentare abstractă a unei entități reale. Modelarea matematică a fenomenelor, proceselor sau a sistemelor presupune a determina un set de reguli între variabile fizice specifice, sub forma unor structuri matematice de tipul ecuațiilor algebrice sau al ecuațiilor diferențiale, în scopul unei caracterizări a funcționării procesului cât mai aproape de realitate.

O modelare eficientă presupune satisfacerea următoarelor trei cerințe:

Universalitatea (se poate aplica modelelor tuturor obiectelor ce fac parte dintr-o clasă de interes);

Număr limitat de parametrii;

Identificabilitatea parametrilor.

Pot fi constituite pentru diferite clase de procese diverse tipuri de modele matematice: modele continue sau discrete; modele variante în timp sau invariante în timp, , modele cu o intrare și o ieșire sau cu mai multe intrări și ieșiri, modele dinamice liniare sau neliniaremodele parametrice sau neparametrice, modele deterministe sau stocastice, modele cu parametrii concentrați sau modele cu parametrii distribuiți, modele fuzzy sau non-fuzzy, modele verbale sau non-verbale.

De exemplu, modelul unui sistem poate fi descris sub forma unei funcții de transfer:

Astfel, pentru un proces dat, prin analiza teoretică se determină o structură a modelului matematic, iar printr-o procedură de identificare se ajustează parametrii modelului pentru a obține aceeași comportare intrare-ieșire ca a procesului real (modelare ideală). Identificarea procesului presupune delimitarea intrărilor măsurabile și a perturbațiilor ce acționează asupra procesului, asigurându-se astfel cunoașterea acestuia.

Fie un sistem descris de o funcție de transfer de ordinul I:

Dacă sistemul prezintă și timp mort funcția de transfer arată astfel:

Unde:

K reprezintă coeficientul de amplificare;

τ reprezintă timpul mort

T reprezintă constanta de timp a procesului.

Răspunsul sistemului de ordinul I la o intrare de tip treaptă unitară se numește răspuns indicial și are următoarea formă (figura ).

Pentru identificarea parametrilor (τ, K, T ) pentru functia de ordinul I, din graficul răspunsul indicial se poate realiza foarte ușor.

Aproximarea factorului de amplificare K se realizeză cu următorul calcul matematic:

Unde:

yst este răspunsul sistemului în regim staționar, se alege într-o bandă de ±2-5% din valoarea de regim staționar;

este răspunsul sistemului la t = 0;

este comanda la t = 0;

reprezintă valoarea comenzii finale;

Aproximarea constantei de timp T, se realizează cu ajutorul timpului tranzitoriu. Timpul tranzitoriu se măsoară din momentul în care sistemul răspunde până când ieșirea sistemului intră in banda de ±2-5% din valoarea de regim staționar.

Pentru procesele fără timp mort constanta de timp T, se poate aproxima astfel:

Pentru procesle cu timp mort constanta de timp T, se poate aproxima astfel:

De asemenea, pentru aflarea constantei de timp T se poate folosi și altă metodă, trasarea tangetei în punctul de inflexiune la răspunsului sistemului. Constanta de timp T, se va măsura astfel: de la punctul de intersecție al tangentei cu axa timpului și până la momentul de timp corespunzător intersecției tangentei cu valoarea de regim stationar (figura ).

Timpul mort τ, se măsoară din origine și până la intersecția tangentei cu axa timpului (figura ).

Structuri de reglare

În funcție de complexitatea procesului tehnologic, de cerințele de performanță impuse sistemului de conducere, de stadiul automatizării procesului, de gradul de uzură al procesului, conformitate cu standardul de mediu, siguranța în funcționare și evident în funcție de eficiența economică urmărită pot fi adoptate diverse structuri de reglare. Referitor la un SRA, funcțiile esențiale calitative ale acestuia sunt: rejecția peturbațiilor și urmărirea referinței. Astfel, la proiectarea unui SRA trebuie avute în vedere nu numai aspectele specifice alegerii algoritmului de reglare (conducere), ci și întregul asamblu de măsuri ce conferă soluției de automatizare fiabilitate și robustețe, operatbilitatea în regimuri critice de funcționare și, nu în ultimul rând, costuri minime.

Structura unui sisteme de reglare automată (SRA) standard (cu un singur grad de libertate). Structura acestuia este următoarea:

Procesul (P) este alcătuit din instalația tehnologică (IT), elementele de execuție (EE) și traductoare (T). Instalația tehnologică reprezintă acea componentă a procesului în cadrul căreia se acționează cu un anumit scop asupra energiei sau materii. De exemplu, schimbul de căldură intre un agent termic (abur) și apă și instalația fizică în care se realizeză aceasta. Elementul de execuție transformă o comandă u, într-o mărime de execuție m compatibilă cu instalația tehnologică,care are rolul de a acționa asupra procesului. Traductorul are rolul de transforma un tip de energie (mărimea fizică yp) în alt tip de energie, cuantizabil (mărime măsurată/reglată y). Regulatorul (R), din structura de reglare de mai sus este elementul care prelucrează eroarea ε și realizează mărimea de comandă u în conformitatea cu legea de reglare prestabilită. În figura … reprezentând structura standard al unui sistem de reglare automată identifică următoarele mărimi:

r – mărimea de referință

ε = r – y, mărimea de eroare

u – mărimea de comandă

m – mărimea de execuție

yp – mărimea de calitate

y – mărimea de măsură (de ieșire a procesului)

De asemenea, în ceea ce privește caracteristicile sistemului, pentru această structură de reglare se disting următoarele functii de transfer:

Funcția de tranfer a sistemului în circuit deschis:

Funcția de transfer a erorii:

Funcția de transfer în circuit închis:

Structură de reglare în cascadă cu două bucle este prezentată în figura x. Ea se poate extinde pentru un număr oarecare de bucle, în funcție de numărul de mărimi intermediare ale procesului condus. Prin sisteme de reglare în cascadă se înțelege un sistem la care se reglează prin bucle concentrice o serie de mărimi intermediare care răspund mai repede la peturbații decât mărimea de ieșire ce trebuie controlată. Prin aceste bucle concentrice se previne într-o mare măsură acțiunea perturbațiilor asupra mărimii de ieșire. Bucla interioară (secundară) trebuie să fie de 3-5 ori mai rapidă decât bucla principală. Structura de reglare în cascadă este superioară structurii de reglare cu un singur grad de libertate din punct de vedere al performanțelor sistemului, viteza de răspuns și capacitatea de rejecție a perturbațiilor dominante.

În figura x întâlnim două blocuri de reglare RA1 și RA2. Blocul ce reprezintă procesul este separat în două blocuri F1 și F2 prin selectarea mărimii α din următoarele considerente:

Mărimea α trenbuie să fie măsurată ajutorul unor elemente simple;

Fiecare subproces (F1, F2) trebuie să fie caracterizat de o constantă de timp principală;

Să existe perturbații care să acționeze asupra subprocesului F1.

Prin intermediul mărimii α se realizează o buclă secundară de reglare RA1, iar prin intermediul mărimii reglate y se realizează bucla principală de reglare cu RA2. Bucla secundară, numită și buclă inferioară este reglată de regulatorul RA2 (din bucla principală) prin mărimea de comandă u2. Bucla de reglare secundară are următoarele efecte pozitive asupra buclei de reglare principale:

Rejecția perturbației p1 care ar putea afecta bucla de reglare principală de asemenea mărimea α nu este afectată de perturbație. Deci perturbațiile dominante trebuiesc compensate în bucla secundară.

Folosirea avantajelor reacției negative poate însemna eroare staționară zero pentru perturbații simple.

Îmbunătățeste performanța dinamică.

Bucla interioară (secundară) trebuie să fie de 3-5 ori mai rapidă decât bucla principală pentru ca aceste avantaje să existe.

Principalul obiectiv al bluclei de reglare în cascadă este descompunerea unui proces în două subprocese (F1 și F2 în cazul de față), pentru ca bucla de reglare să se ocupe de peturbații și, astfel peturbațiile mici să fie rejectate de bucla principală.

Algoritmi de reglare

Introducere DESPRE ALGORITMII PID…

Legea de reglare de tip P (proporțională)

Din punctul de vedere al buclelor de reglare puse în aplicare pentru diferite procese, reglarea doar cu algoritmul proporțional este rară. Pentru structura de reglare cu un singur grad de libertate (figura ), legea de reglare de tip P are următoarea formă:

Unde:

reprezintă coeficientul de proporționalitate

reprezintă eroarea (diferența dintre ieșirea sistemului și intrarea acestuia)

După cum reiese din formula XX regulatorul doar multiplică eroarea. Pentru această structură de reglare, cu un singur grad de libertate, funcția de transfer a regulatorului este descrisă astfel:

Un regulator proporțional are o comportare ideală, iar răspunsul regulatorului, pentru o treaptă de referință Δr si eroare inițială zero, se poate observa in figura de mai jos:

În mod tradițional se folosește banda de proporționalitate (BP) în locul factorului de amplificare pentru a descrie actiunea proportională a regulatorului. Când domeniul de variație a erorii ε este egal cu domeniul de variație a mărimii de comandă u, banda de proporționalitate este determinată din relația:ε

Dacă domeniile de variație intrare-ieșire diferă, banda de proporționalitate este determinată de relația:

Banda de proporționalitate reprezintă procentul din domeniul erorii pentru care un regulator de tip P are la ieșire o comandă egală cu 100% din domeniul u.

Legea de reglare de tip PI (proporțional – integrală)

Acestui tip de regulator, pe lângă componenta proporțională P se adaugă o componentă integrală (I), astfel fel se obține legea de reglare PI dată de relația:

Unde , ca și în cazul legii de reglare P, poartă denumirea de factor de amplificare sau de coeficient de proporționalitate, iar reprezintă constanta de integrare.

Funcția de transfer asociată legii de reglare PI este:

Răspunsul indicial al regulatorului de tip PI pentru o treaptă de referință Δr și o valoare inițială zero a erorii este:

Din figura de mai sus reiese faptul că pentru componenta proporțională se dublează ().

Acest tip reglulator prezintă anumite avantaje, față de regulatorul P, unde doar factorul era ajustabil, pentru acest regulator se pot ajusta doi parametrii: și . Prin ajustarea constantei integrale , se modifică efectul acțiunii de integrare, iar prin modificarea factorului de proporționalitate se modificp atât compenta integrală, cât și cea proporțională. În figura XX se poate observa o comportare ideală a regulatorului PI.

Legea de reglare de tip PD (proporțional – derivativă)

Acestui tip de regulator, pe lângă componenta proporțională P se adaugă o componentă derivativă (D), astfel se obține legea de reglare PD dată de relația:

Unde se numește coeficient de proporționalitate, iar se numește constantă de timp atașată componentei derivative. Ambele componente pot fi ajustabile prin modificare parametrilor și .

Funcția de transfer asociată regulatorului PD este:

Componenta derivativă evidențiază faptul că ieșisrea u(t) este proporțională cu viteza de variație a erorii.

Cel mai adesea, legea de reglare de tip PD este definită cu următoare functie de transfer, cu filtrare, deoarece relația XX este una ideală.

Unde α 1 reprezintă coeficientul de filtrare al componentei derivative.z

Răspunsul indicial al regulatorului de tip PD:

Legea de reglare de tip PID (proporțional – integrator- derivativ)

Legea de reglare de tip PID este cea mai cunoscută lege de reglare și de asemenea, mai complexă decât legile de reglare prezentate anterior (P,PI,PD). Legea de reglare PID este dată de realtia:

Unde:

reprezintă factorul de proporționalitate;

KR/Ti reprezintă factorul integral;

KR*TD reprezintă factorul derivativ;

Funcția de transfer (ideală) asociată regulatorului PID este:

Legea de reglare de tip PID, poate fi scrisă în două variante de implementare, astfel avem următoare funcții de transfer:

PID cu filtrare paralel:

Unde α 1

PID cu filtrare serie:

Pentru acest regulatoare, PID, se pot ajusta următorii parametrii: , și .

Pentru reglarea temperaturii, am folosit o structură de reglare cu un singur grad de libertate. În capitolul următor vor detalia acest aspect.

CAPITOLUL 3

Procesul tehnic

Calitatea apei este un aspect foarte important în foarte multe procese, în special în ceea ce privește proprietățile chimice. Caliatea apei are o influență hotărâtoare asupra buna funcționarea a turbinelor, a cazanelor precum și a traseelor parcurse de abur către palete. Pentru un anumit procent de solubilitate rezultatul nu este unul dorit, deoarece se produc depuneri pe conducte chiar și sub formă de nămol. Aceste depuneri au efecte negative, scad transferul termic, cresc consumul de combustibil, dezvoltarea coroziunii deci o scădere în fiabilitatea sistemului. Concentrația acestor depuneri depinde de natura impurităților provenite din apaă de alimentare sau de eventualele impurități ale apei de răcire în condensatul rezultat în condensator.În fucție de tipul cazanulu, în special de presiunea de lucru, sunt prevăzute condiții riguroase de calitate pentru apa de alimentare, care la cazanele de înaltă presiune pot ajunge la cerințe apropriate de cele ale apei distilate. Aceste condiții se referă, în principal, la următorii indicatori de calitate:

Conținutul de metale: fier, cupru,sodiu. Concentrația ridicată a acestor metale poate sa conducă la depunerea lor pe pereții conductelor și pot provoca coroziune electrochimică.

Unități de măsură: mg/l, mg/kg, ppm;

Suspensiile – reprezină substanțe ce pot fi reținute prin filtrae. Sub influența factorilor fizici sau chimici suspensiile se pot depune pe pereții țevilor cazanelor

Unități de măsură: mg/l, mg/kg, ppm;

Reziduul fix – reprezintă totalitatea substanțelor solide, minerale și organice aflate în apă și se testează prin încălzirea apei până la 105°C, când se realizează evaporarea completă. În cazul cazanelor, cu parametrii înalți de funcționare, apa trebuie supusă unei tratări avansate pentru a elimina sărurile dizolvate.

Unități de măsură: mg/l, mg/kg, ppm, mval/l;

Silicea – este conținutul de SiO din apă. Cu ionii de Fe3+, Mg2+,Ca2+ rămași în apa de alimentare siliceeea formează depuneri dure care datorită conducvității termice reduse favorizează supraîncălziri locale de aici și degradarea termică a metalului iar apoi spargeri în conducte.

Unități de măsură: mg/l, mg/kg, ppm;

Duritatea – este determinată de conținutul de săruri de magneziu și calciu. Sărurile de magneziu și calciu prin descompunere termică și hidroliză, au un efect negativ asupra suprafețelor de schimb de căldură deoarece aceste săruri provoacă depuneri. Duritatea apei se poate clasifica astfel:

Duritatea temporară – este dată de carbonații de magneziu și calciu;

Duritate permanentă – este determinată de conținutul de sulfați, cloruri și azotați de magneziu și calciu;

Duritate totală este definită ca suma durităților de tip permanent și temporar.

Unitate de măsură: 1°d (un grad de duritate) = 10 mgCaO/l

Conductivitatea electrică – reprezintă proprietatea apei de a conduce curentul electric, în funcție de cantitatea de ioni prezentți în apă. Această caracteristică indică conținutul de săruri dizolvate.

Unitate de măsură: µS/cm;

PH-ul – exprimă concentrațiile de ioni de hidrogen și este definit ca logaritm zecimal cu semn schimbat al concentratiei de ioni de hidrogen determinat la temperatura de 25°C. Ph-ul apei indică aciditatea (ph < 7) sau alcalinitatea (ph > 7) din apă. Pentru a evita coroziunea datorită agresivității apei de alimentare, aceasta se condiționează prin adaos de agenți de alcalinizare volatili (amoniac, amine), pentru ca viteza de desfășurarea pentru reacțiile dintre metal și apă să fie cât mai mică.

Unitate de măsură: pH;

Oxidabilitatea – indică cantitatea de substanțe organice prezente în apă sub formă coloidală sau ionică. Pentru calcularea acestui indicator se folosește următoarea metodă: permanganatul de potasiu (KMnO4) la fierbere în mediu acid, oxidează substanțele organice. După cantitatea de oxigen consumat e calculată oxidabilitatea apei. Prezența substanțelor organice în apa de alimentare a cazanelor influențează în mod negativ funcționarea acestora.

Unitate de măsură: 1 ppm KMnO4 = 0.263 ppm O2;

Stația de tratare a apei din termocentrală cuprinde diferite metode diferite pentru tratarea apei, acestea fiind executate într-o ordine bine stabilită.

Descriere proces

Descrierea standului experimental PCT40

Standul experimental Armfield PCT40 este proiectat pentru a regla o varietate de proce utilizând metode reglare diferite. Versiunea software asociată standului PCT40 are ca rol detalierea buclelor de reglare pentru anumite procese (nivel, debit, temperatură, presiune). Reglarea acestor procese se poate realiza manual, on/off sau cu algoritmi PID. PCT40 este compus din rezervoare pentru diferite procese, două pompe, traductoare de nivel, temperatură, temostat, senzor detecție nivel.

Legendă:

Mai jos voi prezenta componentele principale ale standului PCT40 în detaliu:

Alimentarea și conexiunile senzorilor sunt localizate în spatele standului, care are inclus un RCD și un circuit de siguranță.

În partea din față a echipamentului întâlnim întreruptorul pentru pornire/oprire și un port USB pentru conexiumea la calculator.

Rezervor pentru reglarea temperaturii

Unitatea de bază include un mic rezervor acrilic. Acest vas încorporează un element electric pentru încălzirea apei. Un termostat și un detector de nivel sunt încorporati în vasul pentru a preveni functionarea elementului electric dacă temperatura apei este prea mare sau daca nivelul apei din rezervor este prea mic. Aceste element de siguranta sunt fixe și nu pot fi utilizate pentru scopuri experimentale.Intrarea și ieșirea de pe partea laterală a rezervorului sunt prevazute cu conexiuni rapide pentru conectarea furtunelor, pentru evacuare sau alimentare.

Bucla de răcire/încălzire

Aceasta este o spirala (figura XX)din otel inoxidabil montata pe un capac. Aceasta spirala este proiectata pentru a se potrivi în interiorul rezervorului în jurul elementului de încălzire. Fitinguri la intrarea și ieșirea in spirala pentru a putea fi instalate traductoarele de temperatura (un traductor este folosit pentru măsurarea temperaturii apei care intră în spirală iar celălalt folosit pentru a măsura temperatura apei care iese din spirală) și pentru a permite conectarea la alimentarea cu apă (figura XX).

Pentru a masura temperatura din apei din interiorul rezervorului este folosit un termocuplu T1 (figura XX) montat pe capac, de asemenea, tot pe capacul rezervorului se mai gasesc: senzor de temperatura și un spațiu liber pentru a putea fi instalat un termometru care ar putea fi util pentru calibrare.

Pompele A și B

Doua pompe peristaltice identice sunt situate pe partea frontalăa unitatii de baza. Acestea pot lua o gama larga de tuburi de silicon, ale căror exemple sunt incluse cu aparatul. Pompele pot fi acționate individual sau în paralel în conformitate cu exercitarea controlului. Pompa A este situat pe partea stângă iar pompa B este situat pe partea dreapta.

Traductorul de temperatură T1

Pentru măsurarea lichidului din interiorul rezervorului este folosit un termocuplu tip K. Semnalul de iesire este intre 0 – 5V.

Traductoare de temperatură T2 și T3

Două traductoare de temperatură, de tip termocuplu K, ce sunt localizate la intrarea și iesirea din spirala de răcire. Aceste traductoare sunt folosite pentru a măsura temperatura apei care intră si care iese din spirală. Semnalul de iesire este intre 0 – 5V.

Termostat

Pentru ca temperatura apei să nu treacă peste o anumită limită (max 80) este folosit un termostat. Acesta va trimite un semnal la atingerea temperaturii setate iar elementul de incalzire va fi oprit.

3.3. Cerinte specifice

CAPITOLUL 4

4. Alegere și acordare regulator

În acest capitol voi prezenta metoda de identificare a functiei de transfer a procesului, de asemenea voi prezenta particularitățile pe care le prezintă această funcție de transfer. După aceea voi prezenta algoritmul de reglare ales în funcție de cerințele impuse. Mai departe voi simulare algoritmul de reglare impreună cu funcția de transfer intr-o buclă de reglare cu un singur grad de libertate, aceste simulări vor fi realizate în Simulink.

Identificare model

Pentru identificarea funcției de transfer am folosit metoda de identificare cu semnal de probă de tip treaptă. Funcția de transfer identificată are următoare formă:

După cum se observă acest proces este unul cu timp mort. In figura de mai jos se observă răspunsul procesului la intrare de tip treaptă:

Acest grafic (figura XX) a fost realizat pe baza datelor achiziționate cu ajutorul programului PCT40. După ce am achiziționat datele, le-am introdus în Matlab iar cu ajutorul programului Simulink realizat răspunsul sistemului în buclă deschisă. Schema din Simulink pentru realizarea graficului este una simplă (figura).