Nivelul de Apa Dintr Un Rezervor

Cuprins

Capitolul 1 INTRODUCERE

Capitolul 2 OBIECTIVE ȘI SPECIFICAȚII

2.1 Obiective

2.2 Specificații

Capitolul 3 STUDIU BIBLIOGRAFIC

3.1 Reglarea automată a nivelului

3.1.1 Reglarea nivelului într-un rezervor deschis

3.1.2 Modelarea nivelului cu două rezervoare deschise conectate în serie sau în cascadă

3.2 Tipuri de sisteme pentru reglarea nivelului

3.2.1 Reglare în amonte cu evacuare prin cădere liberă

3.2.2 Reglare în aval cu evacuare prin cădere liberă

3.2.3 Reglare în amonte cu evacuare prin pompă

3.2.4 Reglare în aval cu evacuare prin pompă

3.3 Determinarea parametrilor procesului

Capitolul 4 ANALIZĂ ȘI PROIECTARE

4.1 Analiza standului didactic și a elementelor componente

4.1.1 PLC-ul SIEMENS 314C-2DP

4.1.1.1 Date tehnice

4.1.1.2 Elemente

4.1.2 Standul experimental FESTO

4.1.2.1 Pompa centrifuga

4.1.2.2 Controller-ul motorului pompei

4.1.2.3 Senzor ultrasonic Siemens BE.SI.0193

4.1.2.4 Debitmetru magnetic inductiv

4.1.2.5 Transformator curent/tensiune

4.1.2.6 Terminalul de I/O

4.2 Identificarea experimentală

4.2.1 Determinarea factorului de amplificare a controler-ului pentru motorul pompei

4.2.2 Scalarea valorilor furnizate de senzorul ultrasonic

4.2.3 Analiza caracteristicilor echipamentelor

4.2.3.1 Caracteristica ieșire-intrare pentru controller-ul pompei

4.2.3.2 Determinarea caracteristicilor debit-tensiune, nivel-tensiuine, debit-nivel

4.3 Proiectare

4.3.1 Modelarea procesului

4.3.1.1 Achiziția datelor

4.3.1.2 Identificarea experimentală a procesului

4.3.1.3 Acordarea regulatorului

Capitolul 5 IMPLEMENTARE SOFTWARE

5.1 Mediul Simatic Step7

5.1.1 Blocuri componente ale programului

5.1.2 Programul pentru achiziția datelor

5.2 SIMATIC WinCCFlexible

5.2.1 Introducere

5.2.2 Crearea unui proiect

Capitolul 6 TESTARE ȘI VALIDARE

6.1 Testarea sistemului de reglare în buclă închisă

6.2 Testarea structurii de reglare feedforward

6.3 Validarea rezultatelor

Capitolul 7 CONCLUZII

Bibliografie

Acronime

Anexă

Capitolul 1 INTRODUCERE

În cadrul acestei lucrări s-a dorit crearea unei aplicații de monitorizare și control automat al nivelului de apă dintr-un rezervor. Implementarea acestei aplicații a fost efectuată folosind PLC-ul SIEMENS CPU314C-2DP și standul didactic FESTO.

Acest control automat, este realizat cu sisteme de reglare automată (SRA), care asigură menținerea constantă a parametrilor procesului, cât mai aproape de o valoare de referință, prin modificarea anumitor variabile ale procesului în scopul obținerii unor valori dorite variabilelor de interes. Astfel, se realizează o comparație între valoarea măsurată la ieșirea sistemului și valoarea de referință și se operează asupra procesului în scopul de a micșora această eroare, abatere.

SRA sunt sisteme cu conexiune inversă, adică în circuit închis și cu buclă de reacție negativă. Prin intermediul reacției negative este posibilă pe lângă stabilizarea unor sisteme natural instabile, îmbunătățirea performanțelor sistemului în circuit închis și atenuarea perturbațiilor externe nemăsurabile. Totuși există însă perturbații ale căror efecte nu pot fi atenuate cu ajutorul reacției negative. Acestea se numesc perturbații parametrice și acționează asupra procesului modificând relațiile matematice dintre intrare și ieșire. Aceste perturbații se pot elimina prin folosirea unor structuri de sisteme adaptive, care ajustează variabilele de comandă în funcție de modificările care apar în proces datorită acestor perturbații.

Elementele componente ale SRA sunt următoarele:

Regulatorul automat (RA), are rolul de a prelua semnalul de eroare și de a furniza la ieșire un semnal de comandă pentru elementul de execuție.

Elementul de execuție (EE), este dispozitivul care primește semnale electrice și la ieșire elaborează mărimi de natură mecanică (în general), care sunt capabile să modifice starea procesului.

Porcesul (P), este procesul tehnologic care trebuie reglat.

Traductorul (T), preia mărimea reglată de la proces, iar semnalul de ieșire poate fi utilizat atât ca reacție în bucla de reglare, cât și pentru afișarea datelor pe un terminal.

Datorită contactului direct al traductorului și al elementului de execuție cu procesul, cele trei elemente sunt considerate ca și un singur component, pe calea directă, desemnând partea fixată a sistemului. Acest subsistem are un caracter fix și bine cunoscut de către utilizator.

Regulatorului automat, fiind elementul de comandă, se cunosc doar parametrii de acordare, iar acționând asupra acestor elemente utilizatorul poate influența mărimea de comandă generată de regulatorul automat.[5]

Nivelul unui lichid se definește ca fiind cota suprafeței libere a lichidului dintr-o incintă, reflectând volumul, masa lichidului din incinta respectivă.[2]

Măsurarea nivelului se face în unități de lungime, iar valoarea este indicată în raport cu un nivel de referință.

Procesele tehnologice în care se dorește reglarea nivelului se desfășoară deobicei în incinte deschise sau închise și se numesc rezervoare. Rezervoarele sunt de două tipuri, cu secțiune constantă sau cu secțiune variabilă și mai au ca componente conducte de legătură și robinete.[2]

În aplicațiile industriale una dintre reglările fundamentale este reglarea nivelului. Reglarea nivelului se poate realiza in următoarele situații:

Reglarea de stabilizare – nivelul este parametrul principal de stabilizare, care trebuie controlat pe tot parcursul procesului, în vederea menținerii lui la o valoare constantă sau pentru a urmării o referință variabilă.

Sisteme de reglare în care nivelul lichidului din rezervor nu este un parametru principal, reglarea acestuia se realizeaza astfel încât valorile nivelului să se încadreze între limite admise și prestabilite.[2]

Acest proiect are în total un număr de 7 capitole, generalitățile fiecărui capitol fiind următoarele:

Capitolul 1 (Introducere), descrie noțiunile de bază despre sisteme de reglare automată. Deși aspectele descrise au un caracter global, dar când se dorește proiectarea unui sistem de reglare, cunoașterea lor este importantă. Este prezentat rolul acestor sisteme într-un proces și influențele lor asupra porcesului. Sunt descrise componentele sistemului de reglare, și funcțiile pe care acestea le îndeplinesc. Mai regăsim în acest capitol, câteva noțiuni introductive despre nivelul unui lichid și despre situații în care este necesară reglarea nivelului.

Capitolul 2 (Obiective și specificații), descrie obiectivele ce vor fi realizate în cadrul acestui proiect și o scurtă descriere a acestora, precum și anumite aspecte care trebuie precizate și care au fost necesare realizării acestei lucrări.

Capitolul 3 (Studiu bibliografic), cuprinde noțiuni teoretice generale despre reglarea automată a nivelului și identificarea procesului. Este descris procesul de reglarea nivelului într-un rezervor închis, precum și reglarea nivelului într-un sistem de două rezervoare legate în serie sau în cascadă. Sunt prezentat patru tipuri de sisteme pentru reglarea automată a nivelului : Reglare în amonte cu evacuare prin cădere liberă, Reglare în amonte cu evacuare prin pompă centrifugă, Reglare în aval cu evacuare prin cădere liberă, Reglare în aval cu refulare prin pompă centrifugă. În a doua parte se prezintă o metodă de identificare a modelului procesului atunci când se cunoaște răspunsul indicial al procesului.

Capitolul 4 (Analiză și proiectare), la început este prezentat standul didactic pe care se desfășoară lucrarea propiu-zisă și elementele componente ale acestuia, care sunt PLC Siemens și standul experimental Festo. Analiza caracteristicilor acestor echipamente este necesară pentru implementarea sistemului realizat. În urma acestei prime părți este prezentat semnalul furnizat de senzorul ultrasonic și modalitățile prin care acest semnal se poate transforma în unități de lungime. În continuare este analizat caracteristicile echipamentelor, adică variația debitului în funcție de variația nivelului, și în funcție de tenisunea de alimentare aplicată pompei.Partea a doua este despre proiectare, și este descris modul în care au fost achiziționate datele de la proces, modul în care a fost identificat procesul și acordarea regulatorului, împreună cu compensatorul feedforward.

Capitolul 5 (Impelmentare), descrie în prima parte programul implementat pentru controlul și monitorizarea nivelului, realizat în mediul de programare Simatic Step7 și o descriere despre cum funcționează programul. În a doua parte este prezentat interfața om-mașină, construit în mediul WinCC Felxible, și este descris modul de utilizare al aplicației și elementele constructive.

Capitolul 6 (Testare și validare), prezintă o comparație a rezultatelor obținute în faza de proiectare a sistemului de reglare, realizată în mediul de simulare Simulink, al programului Matlab, cu rezultatele reale obținute în urma implementării acestuia pe instalația FESTO. În paretea de validare se decide dacă performanțele sistemului îndeplinesc obiectivele urmărite.

Capitolul 7 (Concluzii), prezintă pe scurt ce a fost realizat în această lucrare și cum influențează realizarea unui sistem automat de monitorizare și control eficiența productivității în industrie

Capitolul 2 OBIECTIVE ȘI SPECIFICAȚII

2.1 Obiective

Obiectivele principale acestei lucrări sunt : realizarea unui sistem de monitorizare și reglarea automată a nivelului apei dintr-un rezervor.

Sistemul de reglare automată a nivelului necesită implementarea unei aplicații care primește ca referință o valoarea la care să fie nivelul apei din rezervor, și care are ca scop menținerea acestei valori a nivelului, indiferent de perturbațiile care apar.

Monitorizarea și controlul automat a nivelului se referă la implementarea unei interfețe om-mașină, prin care utilizatorul setând o referință de nivel, poate urmări decursul întregului proces de la distanță. Deasemenea, utilizatorul poate să pornească sau să oprească tot procesul, fără să intre în contact direct cu instalația.

Ca aceste obiective să fie îndeplinite, a fost necesar studiul noțiunilor teoretice referitoare la sistemele de reglare automată a nivelului, metode de identificare a proceselor, metode de acordare a regulatoarelor și la structuri evoluate de control automat, care prin modificarea structurii clasice de reglare automată atenuează efectele perturbațiilor care apar.

2.2 Specificații

Sistemul de monitorizare și control al apei dintr-un rezervor a fost realizat cu ajutorul standului experimental Festo, care are în construcție un PLC Simatic S7-300, cu configurație hardware formată din două module cu intrări și ieșiri analogice, respectiv digitale, și o sursă de alimentare DC 24V. Cu ajutorul automatului programabil sunt comandate elementele de execuție, în funcție de valorile furnizate de senzori.

Pentru aplicația curentă sunt folosite următoarele componente ale standului : cele două rezervoare, senzorul ultrasonic, care măsoară nivelul din rezervor, debitmetrul magnetic inductive, care măsoară debitul de ieșire din rezervor, robinetele acționate manual, debitmetrul tipul 2, care măsoară debitul de intrare al apei în rezervor, convertorul current-tensiune, controller-ul pentru motorul pompei, pompa centrifugă pentru a pompa apa din rezervorul de jos în rezervorul de sus.

Aplicația va citi valoarea nivelului și va încerca menținerea acestei valori cât mai aproape de o valoare de referință. Acest lucru este posibil datorită buclei de reglare, care conține un regulator PI, care are ca variabilă de proces semnalul furnizat de senzorul ultrasonic. Elementul de execuție este pompa centrifugă, deoarece debitul de intrare al apei depinde de tensiunea de alimentare a pompei.

Realizarea acestei lucrări s-a desfășurat conform pașilor următori:

Studiu bibliografic și analiza instalației. Prezentarea noțiunilor teoretice necesare pentru îndeplinirea obiectivelor acestei lucrări, și analizarea elementelor componente ale instalației pe care va fi implementat sistemul realizat.

Identificarea procesului și calculul regulatorului. Cu ajutorul noțiunilor teoretice studiate, s-a realizat identificarea parametrilor procesului, după care s-a calculat regulatorul pentru reglarea nivelului.

Implementarea software a buclei de reglare a niveului și a sistemului de monitorizare. Rezultatele obținute în pașii anteriori vor fi implementate în Simatic Step7, iar interfața om-mașină pentru monitorizare va fi implementat în mediul de programare WinCC Flexible.

Testarea funcționalității sistemului și validarea rezultatelor. Rezultatele obținute prin implementarea buclei de regalre a nivelului și testate pe instalația didactică vor fi comparate cu cele obținute din simulări.

Capitolul 3 STUDIU BIBLIOGRAFIC

3.1 Reglarea automată a nivelului

În general, când se dorește reglarea nivelului unui lichid se presupune că lichidul este incompresibil. Dacă rezervorul, aparținând procesului, este închis și conține în același timp vapori și lichid, reglarea nivelului este influențat de compresibilitatea și volumul vaporilor. În cazul în care viteza și presiunea cu care se transportă lichidul este mare, trebuie să se țină seamă de compresibiliatea fluidului, de deformarea rezervoarelor și a conductelor și de efecte de inerție care se opun variațiilor debitului.[2]

Pentru a determina ecuațiile matematice acestor procese, se consideră că toate conductele sunt pline cu fluid, accelerațiile sunt mici astfel încât putem neglija efectele de inerție care apar la variații de debit.

Nivelul lichidului într-un rezervor și debitele prin el nu sunt variabile independente. Variațiile de debit la intrarea și ieșirea fluidului sunt cauzate atât de înălțimea lichidului, cât și de condițiile de suprapresiune sau depresiune. În rezervoarele deschise variația de debit are efect asupra variației nivelului, iar în rezervoarele închise asupra variației nivelului și a presiunii. Din această cauză, reglarea nivelului nu se poate face simultan cu reglarea debitului și nici invers.[2]

Curgerea lichidelor prin conductele de legătură poate fi de două feluri:

Laminară dacă numărul lui Reynolds este mai mic de 2000.

Turbulentă dacă acest număr este mai mare de 4000. [2]

În cazul curgerii turbulente, care se întâlnește mai des în practică, debitul de lichid care trece printr-o conductă sau o strangulare este dat de ecuația următoare :

3.1

în care :

, unde h1, h2 sunt înălțimile coloanelor de fluid echivalente cu presiunile lichidului la intrarea și ieșirea din conductă sau strangulare.

q – debitul volumetric al lichidului.

K – un coeficient adimensional de curgere.

g – accelerația gravitațională.

S – secțiunea conductei.

Pentru a calcula rezistența la curgere a unei conducte, sau a unei strangulări, folosim următoarea relație :

3.2

Această rezistență nu este constantă, ea depinde de căderea de presiune echivalentă cu , și de debitul q, și de obicei se determină experimental. Pentru abateri mici ale funcționării procesului față de punctul normal de funcționare această valoare se poate considera constantă.

Resistența la curgere R este constantă numai dacă debitul q este proporțional cu căderea de presiune , dar această situație este adevărată numai la curgerea laminară, ceea ce se întâlnește foarte rar în practică. [2]

În continuare sunt prezentate câteva tipuri de rezervoare și conducte de intrare și ieșire, cele mai frecvente întâlnite în practică.

3.1.1 Reglarea nivelului într-un rezervor deschis

Figura 3.1 Reglarea nivelului într-un rezervor deschis

Într-un rezervor cu secțiune constantă S, intră un lichid cu un debit qi. Deoarece conducta de intrare nu intră în lichidul din rezervor, curgerea este liberă. Debitul lichidului de ieșire din rezervor este qe . [2]

Pentru a determina modelul matematic și funcția de transfer folosim ecuația bilanțului de material :

3.3

Conform relației 3.3, creșterea volumului de lichid în rezervor este egală cu diferența dintre cantitatea de lichid care intră și cantitatea de lichid care iese din rezervor într-un interval de timp . [2]

Debitul de evacuare qe poate fi modificată prin robinetul Ve, a cărui secțiune poate fi modificată, sau direct printr-o conductă. La fel debitul de intrare qi poate fi modificată prin robinetul Vi. Deci, în funcție de ce reglare dorim să realizăm, în amonte sau în aval, elementul de execuție va fi robinetul Vi sau Ve , deci mărimea de execuție poate fi debitul de intrare sau debitul de ieșire.

Dacă rezervorul este deschis și ieșirea finală este la presiunea atmosferică, lichidul din rezervor curge sub acțiunea greutății proprii, fără să mai existe alte presiuni care să îl influențeze. În situația asta, relația 3.1 se poate scrie astfel:

3.4

unde C este un coeficient care depinde de dimensiunile conductei de curgere, iar dacă există robinetul Ve depinde și de strangulări și de caracteristicile lichidului din rezervor.

Dacă considerăm pentru început că nu avem robinet pe conducta de ieșire, deci secțiunea conductei de ieșire este constantă, ecuația 3.3 devine:

3.5

Ecuația diferențială 3.5 este neliniară din cauza termenului .

Considerând că debitul de intrare, qi , și nivelul, h, nu variază mult în jurul unor valori de funcționare normală qi0 și h0 putem să liniarizăm ecuația 3.5 . În acest caz C este constant și qi0=qe0. Introducând variabilele qi,h și qe , conform relațiilor qi = qi 0+qi, h=h0+h, qe =qe0+qe putem liniariza ecuația 3.5. Se presupune că variațiile qe și h au loc după tangenta la curba în punctul (qe0, h0) , adică :

3.6

Dacă înlocuim în relația 3.5 , vom obține o ecuație diferențială liniară de ordinul întâi :

Deoarece în regim staționar qi0=qe0 rezultă :

3.7

unde T reprezintă constanta de timp a procesului, iar k0 factorul de amplificare al procesului, iar ecuațiile cu care se calculează sunt următoarele :

3.8

Rezultatul acestei ecuații pentru o mărime de intrare constantă qi0 aplicată la timpul t=0 este :

3.9

Curba de variație a nivelului este arătată in figura 3.2 :

Figura 3.2 Curba de variație a nivelului

Constanta de timp T a procesului este proporțională cu suprafața S a rezervorului, și depinde de înălțime h0 în jurul căreia are loc variația nivelului reglat și de coeficientul C care caracterizează curgerea în conducta de ieșire.

Dacă constanta de timp T se modifică în funcție de înălțimea coloanei de lichid h0, sistemul de reglare va trebui să aibă în vedere această dependență, dacă pentru diferite mărimi de referință ale nivelului în rezervor procesul poate să se desfășoare. Dacă nivelul variază cu 20-40% în jurul unei valori h0 , o valoare stabilită pentru T corespunzător lui h0 , va putea fi păstrată chiar dacă valoarea prescrisă pentru nivel se va modifica în limitele indicate mai sus. Pe de altă parte T crește cu secțiunea A a rezervorului și scade cu creșterea lui C. [2]

Se observă că :

3.10

măsurând pe qe0 și h0 se determină cu usurință T . Pentru un rezervor care se golește la presiunea atmosferică, constanta de timp T este egală cu de două ori timpul de golire al volumului V0 cu debitul qe0 .

Dacă la ieșire avem o pompă cu debit constant, adică debitul de ieșire qe este constant, ecuația 3.3 , cu notațiile întrebuințate pentru variații mici în jurul unei valori qi0=qe0, se poate scrie sub forma :

3.11

rezultă că cu creșterea timpului, începând de la valoarea h0 , crește proporțional și nivelul. Un asemenea poces este un proces fără autoreglare, are un caracter integrator.

Dacă acum considerăm că pe conducta de ieșire avem un robinet, S se va modifica prin acționarea robinetului de ieșire, relația 3.4 va avea forma :

3.12

Dacă dorim să liniarizăm ecuația debitului de ieșire, avem următoarea relație:

sau

Utilizând valoarea debitului qe dat de ecuația 3.12 pentru h0 și S0 se obține:

3.13

În condițiile respective, din ecuația 3.5 rezultă :

sau

Dacă aplicăm transformata Laplace în condiții inițiale nule (h(0) = 0) și considerând L{h(t)}=Y(s), L{ qi (t)}=U1(s) respectiv L{S(t)}=U2(s) se obține :

3.14

Constanta de timp a procesului :

3.15

Coeficienții de transfer pe cele două căi :

Kq = , KS = 3.16

Parametrii modelului procesului se modifică odată cu schimbarea regimului staționar, deci parametrii regulatorului trebuie modificați și de la un regim la altul. [2]

3.1.2 Modelarea nivelului cu două rezervoare deschise conectate în serie sau în cascadă

Un asemenea proces permite evindențierea cu ușurință a unor caracteristici comune proceselor cu mai multe constante de timp, deși sunt întâlnite mai des doar pe standuri didactice și rareori în practică.

Pentru început considerăm cazul în care cele două rezervoare sunt legate în cascadă, cum arată și figura 3.3. În acest caz reglarea nivelului se desfășoară în al doilea rezervor, mărimea de execuție fiind debitul de intrare, care intră în primul rezervor. Putem observa cu ușurință că în acest caz cele două procese, primul rezervor și al doilea, nu interacționează.

Figura 3.3 Reglarea nivelului într-un proces cu două rezervoare legate în cascadă

Fiecare rezervor având o funcție de transfer proprie, funcția de transfer a procesului va fi echivalentă cu înmulțirea celor două funcții de transfer ale rezervoarelor, rezultând o funcție de transfer de ordinul II, cu două constante de timp egale cu cele ale rezervoarelor.

O situație mai complicată este când cele două rezervoare sunt legate în serie, după cum putem observa și din figura 3.4. Reglarea nivelului se întâmplă tot în rezervorul al doilea, mărimea de execuție fiind debitul de intrare în primul rezervor.

Figura 3.4 Reglarea nivelului într-un proces cu două rezervoare legate în serie

Pentru calcule mai simple, se consideră că curgerea este laminară, adică debitele sunt proporționale cu căderea de presiune iar rezistențele la curgere sunt constante. În această situație, ecuațiile care descriu procesul sunt :

3.17

unde :

ha,hb – reprezintă înălțimea lichidului în cele două rezervoare.

Sa,Sb – secțiunea rezervoarelor presupusă constantă.

m,qa,qb – debite volumice de lichid.

Ra,Rb – rezistența la curgere între cele două rezervoare, respectiv la ieșirea din al doilea rezervor.

Evacuarea rezervorului al doilea se desfășoară la presiunea atmosferică. Dacă dorim să stabilim o relație între parametrul de reglat, hb, și mărimea de intrare în proces, m, trebuie să eliminăm din relațiile de mai sus parametrii ha, qa și qb și vom avea:

3.18

în care:

Ta=RaSa – constanta de timp caracteristică primului rezervor.

Tb=RbSb – constanta de timp cararcteristică rezervorului al doilea.

Notând rădăcinele ecuației termenului stâng al relației 3.18 cu  și 2 , constatăm că aceste rădăcini sunt reale și negative, deci constantele de timp caracteristice acestui proces sunt: T1= -1/și T2= -1/2 . Concluzia finală este, că constantele de timp T1 și T2 ale procesului cu două rezervoare legate în serie diferă de constantele de timp individuale Ta și Tb ale fiecărui rezervor luat în parte.

Din aceste situații ne rezultă o concluzie pe care se bazează calculele practice în stabilirea caracteristicilor proceselor în vederea controlului automat al acestora. Dacă un proces este alcătuit din mai multe subprocese, iar dacă mărimea de ieșire a unui subproces nu este influențat de un alt subpoces, atunci constantele de timp ale procesului sunt chiar constantele de timp ale subproceselor. Deseori în practică procese complexe se împart în subprocese simple, conectate în serie chiar dacă mărimea de ieșire a unui proces parțial este influențat de un alt proces parțial, dacă s-a constatat experimental că această influență este mică.[2]

3.2 Tipuri de sisteme pentru reglarea nivelului

În funcție de instalația tehnologică, pot exista mai multe situații în reglarea nivelului :

3.2.1 Reglare în amonte cu evacuare prin cădere liberă

Instalația se comportă ca un element aperiodic de ordinul I, deoarece evacuarea lichidul din rezervor se desfășoară prin cădere liberă. Reglarea în amonte – se acționează asupra debitului de intrare în funcție de nivelul lichidului din rezervor.

Figura 3.5 Reglare în amonte cu evacuare prin cădere liberă

3.2.2 Reglare în aval cu evacuare prin cădere liberă

Evacuarea lichidului din rezervor se face prin refulare cădere liberă. Reglarea se face prin mainpularea debitului de ieșire, a cărui valoare se modifică în funcție de nivelul lichidului în rezervor.

Figura 3.6 Reglare în aval cu refulare prin cădere liberă

3.2.3 Reglare în amonte cu evacuare prin pompă

Lichidul din rezervor este evacuat cu ajutorul unei pompe de debit constant, din această cauză sistemul se comportă ca un element integrator. Reglarea se face asupra debitului de intrare, în funcție de nivelul lichidului în rezervor.

Figura 3.7 Reglare în amonte cu evacuare prin pompă

3.2.4 Reglare în aval cu evacuare prin pompă

Evacuarea lichidului din rezervor se face cu o pompă cu debit constant, și pentru reglare se acționează asupra debitului de ieșire în funcție de nivelul lichidului din rezervor.

Figura 3.8 Reglare în aval cu evacuare prin pompă

În majoritatea cazurilor care se întâlnesc, se admite ca nivelul în rezervor să se încadreze între anumite limite, iar erorea staționară la poziție se admite să fie diferit de zero, caz în care s-ar impune un regulator PI, deci un regulator P este suficient pentru reglarea nivelului în această situație. [2]

3.3 Determinarea parametrilor procesului

Comportamentul dinamic al procesului de reglare a nivelului este echivalent cu al unui sistem de ordin întâi. Funcția de transfer cu timp mort, care descrie funcționarea sistemului de ordinul I în regim dinamic este:

3.19

unde : Kf – este constanta de proporționalitate a sistemului

Tf – constanta de timp a sistemului

Tm – constanta de timp mort al sistemului.

Pentru a determina modelul parametric din modelul neparametric folosim funcția indicială, care este o metodă clasică și reprezintă răspunsul sistemului când la intrarea sa aplicăm un semnal de tip treaptă unitară, în condiții inițiale nule.

Din punctul de vedere experimental, determinarea proprietăților dinamice ale unui proces, se referă la determinarea funcției indiciale, deoarece, în general, putem realiza fără probleme un semnal de tip treaptă unitară. [5]

Pentru a determina modelul dinamic al procesului folosim răspunsul indicial. Acest model dinamic este caracterizat printr-o funcție de transfer de ordinul I sau II.

Funcția de transfer este : , unde , deoarece este intrare de tip treaptă unitară.

Din relația anterioară rezultă că :

3.20

După ce determinăm constantele C1 și C2 , aplicăm transformata Laplace inversă și rezultă:

3.21

Dacă t=T atunci relația 3.21 devine :

Când valoarea răspunsului indicial Y(t) ajunge la 63,3% din valoarea de regim staționar, atunci valoarea timpului scurs este egală cu valoarea constantei de timp Tf , dacă sistemul nu are timp mort.

Într-un proces, timpul mort reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării semnalului de excitație pe intrarea procesului și momentul când semnalul de ieșire a procesului reflectă această excitație.Pentru a determina valoarea constantei de timp și a celei de timp mort, în cazul unui sistem cu timp mort, se trasează tangenta în originea răspunsului procesului și se translatează spre dreapta cu valoarea timpului mort. Valoarea constantei de timp Tf este distanța pe axa timpului dintre originea tangentei translatate și proiecția punctului de intersecție al acesteia cu paralela la abscisă dusă prin valoarea staționară a răspunsului. [5]

Figura 3.9 Răspunsul indicial al unui sistem de ordinul I cu timp mort

Constanta de proporționalitate a procesului se calculează după formula:

3.21

unde: Yst și Ust sunt valorile la care ajung cele două mărimi când sistemul este în regim staționar.

Capitolul 4 ANALIZĂ ȘI PROIECTARE

Analiza standului didactic și a elementelor componente

4.1.1 PLC-ul SIEMENS 314C-2DP

PLC – urile sunt calculatoare echipate cu circuite periferice de intrare, ieșire și comunicație. Automatele programabile(AP) sau controlerul logic programabil (PLC) au apărut ca o alternativă reutilizabilă, flexibilă, ieftină și sigură a panourilor cu relee cablate. PLC-urile moderne pot realiza o mulțime de funcții cum ar fi cele logice, de timp, de numărare, de secvențiere și de control. Pot efectua operații aritmetice, analiza datelor și pot comunica cu alte PLC-uri sau cu calculatoare. [6]

4.1.1.1 Date tehnice

În tabelul următor sunt prezentate date tehnice ale PLC-ului SIEMENS, menționate în [6]

Tabel 4.1 Date tehnice PLC SIEMENS

4.1.1.2 Elemente

Panoul frontal este alcătuit din 6 LED-uri care afișează starea automatului, dintr-un comutator cu trei poziții pentru selectarea modului curent de funcționare al CPU-lui și dintr-un slot pentru Micro Memory Card (MMC). CPU 314C-2DP are integrat două module de intrări/ieșiri analogice și digitale.

Figura 4.1 Panoul principal PLC

Pe figura 4.1 sunt numerotate cu 1-intrări/ieșiri analogice, 2-intrări digitale, 3-ieșiri digitale.

Semnificația LED-urilor este următoare:

SF (roșu) – eroare hardware sau software.

BF (roșu) – eroare de magistrală.

DC5V (verde) – alimentare cu 5V pentru CPU și magistrala S7-300 este bună.

FRCE (galben) – comanda forțată este activă.

RUN (verde) – CPU este în modul RUN, LED-ul pulsează la pornire cu frecvența de 2Hz, iar în HOLD cu 0.5Hz.

STOP (galben) – CPU este în modul STOP, HOLD sau pornire. LED-ul pulsează cu 0.5 Hz la începutul resetării memoriei și cu 2 Hz în timpul resetării efective.

Semnificația pozițiilor comutatorului este :

RUN – CPU execută programul încărcat de utilizator.

STOP – CPU nu execută un program.

MRES(resetare memorie) – poziție a comutatorului pentru mod, cu revenire.

4.1.2 Standul experimental FESTO

Standul didactic FESTO este o instalație compactă și este proiectată pentru a satisface diferite necesități de instruire, orientată pe industrie, și o bună cunoaștere a conținutului hardware a componentelor industriale. A fost conceput pentru realizarea a patru sisteme de reglare automată, fiecare având senzorii și elementele de execuție necesare. [7]

Cele patru sisteme sunt :

reglarea nivelului

reglarea debitului

reglarea temperaturii

reglarea presiunii

Pentru realizarea acestui proiect, folosim din componentele principale ale standului următoarele elmenete :

Senzor ultrasonic analogic

Debitmetrul magnetic inductiv

Comutator plutitor pentru funcția prag în rezervorul de sus

Comutator pentru monitorizarea alarmei de inundare în rezervorul de jos

Pompă centrifugă

Controller-ul motorului pentru funcționarea pompei

Terminal I/O

Terminale pentru semnale analogice

Convertoare de semnal : din curent în tensiune, din frecvență în tensiune

PLC Siemens

Panou de control

Sistem de țevi de legătură

Două rezervoare

Robineți manuali

Schema funcțională a instalației FESTO este prezentată în figura următoare:

Figura 4.2 Schema de funcționare a standului FESTO

Schema sistemului de control a nivelului este prezentată în figura 4.3. Din această figură reiese că sistemul este alcătuit din două rezervoare de apă, situate unul deasupra altuia. Nivelul se reglează în rezervorul de sus, și lichidul este adus din rezervorul de jos, rezervorul tampon, cu ajutorul pompei centrifuge. Astfel sarcina ce trebuie învinsă de pompă este egală cu de două ori înălțimea coloanei de apă în rezervorul principal, cel de sus. [2]

Pentru a evita scăderea nivelului din rezervorul de jos sub nivelul conductei de aspirație a pompei este necesar ca nivelul din rezervorul de sus să nu depășească 20cm.

Funcția de reglare a nivelului are rolul de a controla umplerea cu apă a rezervorului principal până la un anumit nivel în funcție de referința dată, și menținerea acestui nivel.

Pompa P101 pompează lichidul din rezervorul tampon în rezervorul principal prin țevile de legătură. Nivelul lichidului în rezervorul de sus este măsurat de senzorul ultrasonic în punctul de măsurare LIC 102. Această valoare dacă corespunde cu referința atunci trebuie menținută indiferent de perturbații care apar pe conducta de ieșire.

Perturbații se produc prin deschiderea sau închiderea robinetului V112. Aceste perturbații trebuie rejectate prin creșterea/scăderea tensiunii de alimentare aplicată pompei.

Figura 4.3 Schema sistemului de reglare a nivelului

4.1.2.1 Pompa centrifugă

Figura 4.4 Pompa centrifugă

Pompa P101 este elementul de execuție și este folosit în toate cele patru sisteme de reglare. În procesul de reglarea nivelului, cu ajutorul pompei ajunge apa din rezervorul tampon în rezervorul principal.

P101 este o pompă centrifugală cu auto-amorsare și înainte de utilizare trebuie inundată cu lichid, deoarece funcționarea acesteia fără lichid pentru o perioadă mai mare de 30 secunde duce la defectarea pompei.

Pompa este antrenată de un motor de curent continuu cu magneți permanenți alimentat de la controller-ul A4 prin releul K1. Tensiunea de alimentare este de 24 V , iar puterea este de 26 W. [7]

4.1.2.2 Controller-ul motorului pompei

Figura 4.5 Controller-ul pentru motorul pompei

Cu ajutorul controller-ului putem modifica tensiunea de alimentare a pompei și astfel putem varia și viteza pompei,și debitul lichidului furnizat de pompa centrifugă.

Pentru a reseta controller-ul pompei aplicăm 0 V pe intrarea de RESET.

Tensiunea de operare permisă : 24 Vcc.

Intrare : -10 la +10 Vcc.

Ieșire : -24 la +24 Vcc.

Curent de ieșire : 1 A.

4.1.2.3 Senzor ultrasonic Siemens BE.SI.0193

Figura 4.6 Senzor ultrasonic

Diagrama schematică a senzorului ultrasonic este cea din figura 4.7:

Figura 4.7 Diagrama schematică a senzorului ultrasonic

Componentele senzorului sunt :

Oscilator

Amplificator

Unitate de evaluare

Traductor de măsură

Tensiune externă

Sursă de alimentare internă

Convertor ultrasonic cu zonă activă

Ieșire: semnal în curent.

Senzorul ultrasonic funcționează pe principiul următor , se generează unde acustice și se urmărește reflecția acestora cu un obiect. Aceste unde se generează cu generator de sunet, care este acționat pentru o scurtă perioadă de timp și emite pulsuri ultrasonice care nu sunt auzite de om. Pulsul este reflectat de un obiect care se află în domeniul lui și este retransmis emițătorului, iar perioada sa este evaluată electronic. Semnalul de ieșire este proporțional cu perioada pulsului ultrasonic.

Deoarece nivelul lichidului la umplere crește iar distanța dintre obiectul măsurat și senzor se micșorează trebuie făcute anumite setări pentru măsurarea nivelului. Semnalul de ieșire trebuie schimbat de la caracteristicile de creștere la cele de scădere, iar intervalul de măsurare a fost schimbat astfel încât să avem semnal de ieșire maxim la nivel maxim și minim la un nivel minim.

Senzorul are domeniul de măsurare între 50mm și 345mm, semanalul de ieșire analogic : 4-20mA, tensiunea de alimentare 24 V maro, 0 V albastru, ieșirea analogică negru.

4.1.2.4 Debitmetru magnetic inductiv EFFU MID1

Figura 4.8 Debitmetru magnetic inductiv

Debitmetrul magnetic inductiv MID1 funcționează pe baza legii de inducție a lui Faraday, și anume, un tub de măsurare ce pătrunde în câmpul magnetic deviază purtătorii de sarcină liberă din mediul de măsurat spre pereții tubului. Doi electrozi montați lateral măsoară tensiunea creată prin separarea sarcinii, iar intensitatea acestei tensiuni este egală cu viteza de curgere sau cu debitul dacă câmpul magnetic este cunoscut.

Avantajele debitmetrului inductiv :

Măsurare independentă de concentrații, temperatură și presiune

Pierderi de presiune mai mici de-a lungul senzorului

Debitul poate fi măsurat indiferent de tipul de curgere, laminară sau turbulentă

Caracteristici :

Tensiunea de alimentare este 12-24 Vcc

Semnal de ieșire analogic 0-10V

Debitmetrul are un led galben, care semnalează dacă sensul de curgere este bună și dacă senzorul este alimentat în tensiune.

4.1.2.5 Transformator curent/tensiune

Figura 4.9 Transformatorul curent/tensiune

Acest transformator transformă valoarea măsurată de senzorul ultrasonic într-o tensiune de ieșire de 0-10 V. Tensiunea de alimentare este de 24 Vcc. Semnalul de intrare 4-20 mA.

Curent de intrare: 22mA.

Curent nominal 10A.

Detecție cablu întrerupt : Led verde off.

Rezistență de intrare : <400 Ω

Tensiune maximă pe linie : <8V.

4.1.2.6 Terminalul de I/O

Teminalul de I/O are în componența sa 8 intrări și 8 ieșiri, 24 de leduri pentru a afișa starea intrărilor și ieșirilor. Terminalele intrărilor și ieșirilor sunt combinate într-o unitate de bază. Acesta conține și terminale distribuitoare care furnizează 0V și 24V pentru alimentarea senzorilor.

În figura 4.10 este prezentat terminalul I/O

Figura 4.10 Terminalul I/O

Figura 4.11 reprezintă modul de alocare a pinilor de intrare și ieșire a terminalului I/O

Figura 4.11 Atribuirea pinilor terminalului I/O

4.2 Identificarea experimentală

4.2.1 Determinarea factorului de amplificare a controler-ului pentru motorul pompei

Controller-ul pompei centrifuge furnizează la ieșire o tenisiune minimă de 0 V dacă la intrare avem 0 V, iar o tensiune maximă de 24 V la ieșire dacă avem la intrare 10 V. Controller-ul are pe placa de bază un potențiometru care se poate ajusta cu o șurubelniță, iar rolul acestuia este de a ajusta valoarea maximă a tensiunii de la ieșire. Astfel, în cazul de față ajustăm tensiunea de ieșire în așa fel încât la valoarea maximă să fie 22V, iar cea minimă 0V.

Dacă considerăm că tensiunea de intrare este ui , iar cea de ieșire este notată cu ue, pe baza ajustării făcute, factorul de amplificare poate fi aproximat cu următoarea formulă: 4.1

4.2.2 Scalarea valorilor furnizate de senzorul ultrasonic

Pentru a determina experimental corespondența între valoarea nivelului furinzată de către senzorul ultrasonic, și citită de la PLC în decimal au fost achiziționate datele perzentate în tabelul 4.2.1 .

Pentru a determina valoarea nivelului în mm având valoarea acestuia în decimal sau invers, avem următoarele relații :

xoffset = 800

yoffset = 30

hdecimal = 17024

hmm = 200

hmm –yoffset = (hdecimal –xoffset )∙tg(α)

Rezultând, că valoarea nivelului în mm se obține cu formula :

Și valoarea în decimal :

Tabel 4.2.1 Date experimentale :

Reprezentarea grafică a caracteristicii nivel(mm)-nivel(decimal) este prezentat în figura următoare:

Figura 4.12 Caracteristica nivel(dec) – nivel(mm)

4.2.3 Analiza caracteristicilor echipamentelor

Dacă se cunoaște tensiunea la canalul analogic a PLC-ului se poate determina, cu ajutorul factorului de amplificare a controller-ului pentru motorul pompei, tensiunea de alimentare a pompei. Am aplicat o rampă de la 1V la 10V , la ieșirea PLC-ului, pentru controller-ul pompei, și au fost achiziționate o serie de date, cum ar fii : Uplc[V], Ucontroller [V], Debit de intrare Qi [DEC], Nivel [mm]. Aceste date sunt prezentate în tabelul 4.2.3 :

Tabelul 4.2.3 Date experimentale

\4.2.3.1 Caracteristica ieșire-intrare pentru controller-ul pompei

Pe baza datelor preluate din tabel s-a obținut caracteristica tensiunii de intrare-ieșire a controller-ului pompei. Aceasta se poate vizualiza în figura urnătoare:

Figura 4.13 Caracteristica tensiune de intrare-ieșire

Pe baza graficului obținut pentru variația tensinuii de intrare a controller-ului în funcție de tensiunea de la ieșirea PLC-ului, se poate concluziona că aceasta este liniară pe tot domeniul de funcționare.

4.2.3.2 Determinarea caracteristicilor debit-tensiune, nivel-tensiune, debit-nivel

Variația debitului de alimentare în raport cu tensiunea aplicată pompei este reprezentată în figura următoare:

Figura 4.14 Variația debitului de intrare în funcție de tensiunea de alimentare

Prin acest experiment se urmărește verificarea liniarității pompei în raport cu dependența debitului acesteia față de tensiunea de alimentare. Din analiza graficului putem observa că debitul dat de pompă crește o dată cu creșterea tensiunii de alimentare a pompei, iar caracteristica este liniară pe anumite domenii de funcționare.

Deoarece cu creștera debitului de intrare crește și nivelul lichidului în rezervorul principal, pe baza caracteristicii debit-tensiune, analizată anterior, putem concluziona că odată cu creșterea tensiunii de alimentare a pompei va crește și înălțimea coloanei de lichid din rezervor. Pentru a demonstra acest lucru s-au luat din tabelul 4.2.3 datele care reprezintă nivelul în mm și tensiunea controller-ului în V și s-a realizat graficul de nivel-tensiune de alimentare, prezentată în figura următoare :

Figura 4.15 Curba de variație a nivelului în funcție de tensiunea de alimentare

Reprezentarea grafică a variației debitului de alimentare în funcție de înălțimea coloanei de lichid este prezentată în figura 4.16

Figura 4.16 Variația debitului de intrare – nivel

Pentru a obține acest grafic, am aplicat pompei o tensiune de alimentare de 16,9V , de tip treaptă unitară, și am achiziționat datele de la senzorul ultrasonic, pentru nivel, și de la debitmerul pompei pentru valorile debitului de ieșire din pompă.

Din graficul din figura anterioară putem observa că, pentru aceeași tensiune de alimentare a pompei, debitul de intrare în rezervor scade, deoarece crește înălțimea coloanei de lichid. Pe domeniul de lucru al nivelului în rezervor, h=30-200 mm, se poate observa o liniaritate între debitul de intrare în rezervor și nivelul lichidului.

4.3 Proiectare

4.3.1 Modelarea procesului

4.3.1.1 Achiziția datelor

Pentru modelarea procesului suntem nevoiți să achiziționăm niște date de la senzorul ultrasonic. Deoarece semnalul de comandă transmis pompei se face printr-un canal analogic al PLC-ului, ca să comandăm acest element am folosit programul Simatic Step7. Achiziția datelor s-a produs cu ajutorul programului WinCC Flexible, pentru care am ales perioada de eșantionare de 1s.

Identificarea experimentală a procesului s-a realizat prin aplicarea a două semnale de tip treaptă, de valori diferite, elementului de execuție, robinetul de evacuare a fost deschis în proporție de 40%.

Cele două semnale de tip treaptă aplicate elementului de execuție au amplitudine : primul semnal de tip treaptă are valoarea de 4V, iar cel de al doilea de 5V, la ieșirea analogică a PLC-ului. Această tensiune dată de PLC este amplificată de controller-ul A4, și este transmis pompei prin releul K1.

Canalul analogic al PLC-ului generează tensiuni între 0-10 V. Dacă comandăm soft, acestor valori le corespund numere întregi cuprinse între 0-27648. Deci pentru semnalul de 4V la ieșirea PLC-ului îi corespunde valoarea 11059, iar pentru semnalul de 5V îi corespunde valoarea 13824.

Datele furnizate de senzorul ultrasonic, și citite cu programul creat în mediul WinCC Flexible, au fost salvate într-un fișier .csv .

După aplicarea celui de-al doilea semnal de tip treaptă, identificăm parametrii modelului sistemului prin interpretarea reprezentării grafice a sistemului. Cu această metodă vom avea un model dinamic al procesului descris de funcția de transfer de ordinul I, care are forma :

În cadrul identificării procesului se vor determina parametrii Kf și Tf , și se va compara răspunsul indicial al modelului obținut cu răspunsul real al sistemului.

După achiziția datelor, rezultă un set de 1000 de valori măsurate, iar din aceste date sunt prezentate câteva în tabelul 4.3.1.1

Tabelul 4.3.1.1 Date experimentale pentru identificarea procesului

4.3.1.2 Identificarea experimentală a procesului

Reprezentarea grafică a răspunsului procesului la cele două semnale de tip treaptă este prezentată în figura următoare:

Figura 4.17 Răspunsul procesului la cele două semnale de tip treaptă

Pentru determinarea parametrilor procesului vom folosi doar reprezentarea grafică a celui de al doilea semnal de tip treaptă, pe care îl translatăm în punctul 0 pe grafic.

Figura 4.18 Răspunsul sistemului la al doilea semnal de tip treaptă

Constanta de proporționalitate se calculează pe baza identificării parametrilor cu relația :

Valorile în regim staționar a intrării și a ieșirii se citesc de pe grafic, iar vor fi:

yst = yf – yi = 6688-0 = 6688

ust =uf – ui = 13824 – 11059 = 2764

Din aceste valori rezultă : 2.419

Constanta de timp se calculează cu metoda tangentei, și anume constanta de timp Tf este distanța pe axa timpului dintre origine și proiecția punctului de intersecție al tangentei cu paralela la abscisă dusă prin valoarea staționară a răspunsului procesului.[5] Adică este timpul în care răspunsul sistemului ajunge la 63.4% din valoarea de regim staționar, y634 = 0,635 ∙ yst = 4240.2, iar Tf în acest punct este 187.

Funcția de transfer a sistemului astfel rezultă :

Utilizând mediul de programare Matlab, reprezentăm răspunsul sistemului la al doilea semnal de tip treaptă cu datele achiziționate de la procesul real, și răspunsul sistemului obținut cu funcția de transfer anterior calculat la același semnal de tip treaptă. În figura următoare sunt reprezentate cele două răspunsuri, răspunsul real al procesului este cu linie albastră, iar răspunsul modelului calculat cu linie roșie.

Figura 4.19 Răspunsul real și cel calculat al sistemului

4.3.1.3 Acordarea regulatorului

Structura de reglare a sistemului este prezentat în figura următoare :

Figura 4.20 Structura de reglare

Calculul regulatorului se face considerând că toate componentele sistemului au comportament liniar, iar modelul matematic al acestora este exprimat în funcții de transfer. [3] Pentru acest proces de reglarea nivelului se va calcula un regulator de tip PI, care prin componenta P asigură rapiditate în generarea comenzii, iar prin componenta I asigură performanțe mai bune în regim staționar.

Funcția de transfer a părții fixate, compus din elementul de execuție, proces și elementul de măsură, este :

Structura sistemului în circuit închis se impune ca să aibă o comportare a unui element de întârziere de ordinul I, cu funcția de transfer de forma :

Valoarea lui T0 impunem să fie de 10 ori mai mic decât constanta de timp a procesului adică 18.7, deci funcția de transfer va fi : .

Știm că H0(s) = HR(s)∙Hf(s) , de unde rezultă că :

Funcția de transfer a regulatorului din calcule reiese ca fiind :

Forma generală a regulatorului PI este :

În cazul reglării nivelului funcția de transfer a părții fixate este :

Având funcția de transfer a sistemului în buclă închisă calculată mai sus, componentele regulatorului PI vor fi :

Factorul de proporționalitate :

Constanta de integrare :

Simularea răspunsului sistemului în buclă închisă s-a făcut în simulatorul Simulink, inclus în mediul de programare Matlab.

Figura 4.21 Simularea răspunsului sistemului în buclă închisă

Reprezentarea grafică a răspunsului în buclă închisă este prezentată în figura următoare:

Figura 4.22 Răspunusl sistemului la lintrare de tip treaptă unitară

Din figura 4.22 putem observa, că dacă se calculează valoarea constantei de timp ca fiind 0.634 din valoarea de regim staționar aceasta are valoarea aproximativ 18.7 secunde, așa cum a fost impusă la acordarea regulatorului, iar dacă citim timpul de răspuns a sistemului putem obserca că și acesta este egal cu aproximativ de 4 ori constanta de timp, acesta fiind 75 de secunde. Din aceste analize asupra răspunsului sistemului în buclă închisă putem concluziona că regulator PI calculat îndeplinește performanțele impuse.

Reprezentarea grafică a comenzii date de regulator este prezentată în figura 4.23:

Figura 4.23 Comanda regulatorului

Semnalul de comandă, cum se poate observa în figura anterioară, are valori mari la început, dar cu cât valoarea semnalului de ieșire este mai aproare de regimul staționar, cu atât valoarea semnalului de comandă scade.

Problema care trebuie rezolvată este introducerea unui semnal de perturbație în sistemul de reglare și analizarea comportamentului semnalului de ieșire. Semnalul de perturbație este echivalent în realitate cu acționarea asupra robinetului de pe conducta de evacuare. Acest lucru putem modela prin introducerea unui semnal de tip treaptă negativă cu valoare -0.4 la timpul t=200 de secunde și să analizăm comportamentul sistemului.

Schema procesului de reglare cu semnalul de perturbație este prezentată în continuare:

Figura 4.24 Simularea răspunsului la perturbație

Răspunsul sistemului în urma aplicării preturbației :

Figura 4.25 Răspunsul sistemului la perturbație

Din răspunsul sistemului putem observa că sistemul împreună cu regulatorul rejectează efectul pertubației și valoarea răspunsului ajunge înapoi în regim staționar(±1% față de valoarea de regim staționar) după 75-80 de secunde.

Semnalul de comandă generat de regulator pentru rejectarea perturbației este reprezentat în figura următoare:

Figura 4.26 Comanda regulatorului la perturbație

Din analiza comportării regulatorului, observăm că semnalul de comandă este stabilizat la o anumită valoare, iar când apare perturbația crește ca să rejecteze perturbația și apoi se stabilizează la o valoare mai mare pentru a compensa efectul pertutbației.

Pentru compensarea perturbațiilor, înainte ca acestea să influențeze comportamentul procesului, avem nevoie de structuri de reglare evoluate. În practică sunt întâlnite mai multe tipuri de structuri de reglare cu compensarea perturbației, dar în cazul nostru pentru a elimina influența perturbațiilor asupra răspunsului sistemului, se va folosi un sistem de reglare cu compensarea perturbației de tip feedforward.

Regalrea de tip feedforward îmbunătățește semnificativ performanțele procesului atunci când acesta este afectat de perturbații, care pot fi măsurate. Structura sistemelor de reglare cu feedforward este o structură în buclă deschisă și conține încă o structură în buclă închisă, care are rolul de a urmării schimbările mărimii de referință și de a anula influențele perturbațiilor nemăsurabile care sunt prezente în orice proces real. Acest tip de reglare are avantajul că readuce efectul perturbațiilor mai bine decât o structură de reglare în buclă închisă cu reacție negativă, în situații ideale elimină chiar în totalite, chiar și când există anumite erori de modelarea procesului.[5]

Schema funcțională unui sistem de reglare feedforward cu compensarea perturbațiilor este prezentată în figura următoare:

Figura 4.27 Schema de reglare feedforward

Efectul perturbației este compensat cu ajutorul blocului de corecție (BC), care este însumat cu semnalul de comandă a regulatorului calculat, iar semnalul de ieșire a sistemului va fi modificat, prin intermediul lui BC și Hf, modificare egală ca amplitudine și de semn contrar cu cea produsă de perturbația P.[2]

Pentru a realiza structura de reglare cu feedforward trebuie să calculăm o funcție de transfer pentru blocul de corecție pornind de la condiția de compensare a efectului perturbației pe reacție în raport cu perturbația :

Pentru ca acest compensator să fie realizabil în practică, alegem ca acesta să fie de tip proporțional. Adică :

y1(s) = Kp∙ p(s)

Pentru a realiza acest lucru a fost nevoie să achiziționăm un set de date de la senzorul de debit de ieșire. Această achiziționare s-a realizat prin pornirea procesului împreună cu regulatorul calculat și cu robinetul de evacuare închis. După intrarea sistemului în regim staționar s-a deschis robinetul într-o anumită poziție mediană, regulatorul rejectând perturbația, iar când sistemul a ajuns iar în regim staționar a fost deschis și mai mult robinetul de evacuare și s-a așteptat ca sistemul să ajungă din nou în regim staționar.

Factorul de amplificare se calculează cu relația :

Unde :

, Ui fiind valoarea unde se stabilizează semnalul de comandă după aplicarea primului semnal de perturbație, Uf este valoarea la care se stabilizează comanda după al doilea semnal de perturbație.

∆Q= Qf – Qi , Qi este valoarea la care se stabilizează debitul de ieșire după primul semnal de perturbație, iar Qf este valoarea la care se stabilizează debitul după ce aplicăm al doilea semnal de perturbație.

Factorul de amplificare astfel obținut este :

Acest factor de amplificare este multiplicat cu valoarea cu care crește debitul de ieșire de la mometnul de timp t la momentul de timp t+1, iar valoarea compensatorului feedforward este adunată la comanda regulatorului PI.

Capitolul 5 IMPLEMETARE SOFTWARE

5.1 Mediul Simatic Step7

Programarea și configurarea automatelor programabile SIMATIC se face cu ajutorul pachetului software standard și anume cu mediul de programare Step7. Există mai multe versiuni pentru pachetul Step7 , corespunzând diferitelor versiuni de automate programabile Siemens. În cadrul acestei lucrări se va utiliza pachetul Step7 pentru seria de automate SIMATIC S7-300/S7-400.

Mediul SIMATIC Step7 se pornește din Windows→Start→SIMATIC→SIMATIC Manager.

Prima fereastră care se deschide este Simatic Manager, de unde utilizatorul poate accesa funcțiile oferite de pachetul Step7. Instrumentele necesare pentru automatizarea datelor selectate sunt pornite automat de Simatic Manager.

La crearea unui nou proiect utilizatorul trebuie să parcurgă patru pași, și anume, alegerea tipul unității centrale, blocurile de organizare utilizate în proiectul de față și limbajul de programare utilizat: LAD (Ladder Logic), STL (Statement List) sau FBD (Function Block Diagram). În cazul nostru tipul unității centrale este : CPU314C-2DP, blocurile de organizare incluse sunt OB1 și OB35, iar tipul de programare LAD (Ladder Logic).

Figura 5.1 Creare proiect Step7

După crearea noului proiect trebuie efectuat configurarea hardware. În partea dreaptă a ferestrei care se deschide pentru configurare se găsesc librăriile cu componentele hardware de unde vor fi selectate acele componente de care avem nevoie în realizarea proiectului. În partea stângă a ferestrei sunt afișate două tabele în care sunt puse componentele selectate din librării.

Primul pas a configurării hardware este selectarea unei sine (rack), ce depinde de stația Simatic folosită și pe care sunt atașate modulele componente. În cazul nostru, lucrând cu un PLC din gama SIMATIC 300 componentele vor fi alese din librăria respectivă. Pasul următor este alegerea CPU-ului dacă acesta nu a fost ales la crearea proiectului, sau dacă este necesar înlocuirea lui. Standul didactic FESTO folosește un CPU 314C-2DP. Acesta suportă comunicție atât pe MPI cât și pe Profibus. În continuare se aleg modulele de intrare-ieșire, și cum pentru reglarea nivelului numărul de intrari și ieșiri nu este mult prea mare, alegem un modul cu 24 de intrări digitale și 16 ieșiri digitale, iar pentru mărimi analogice se va alege un modul analogic cu 5 intrări și două ieșiri.[6]

Figura 5.2 Configurația hardware

Adresele modulelor digitale și analogice pot fi modificate de către utilizator, însă trebuie avut în vedere faptul că acestea nu trebuie să se suprapună. În consecință adresele vor fi :

Pentru intări digitale de la 0 la 2 : I0.0 până la I0.7,

I1.0 până la I1.7,

I2.0 până la I2.7.

Pentru ieșiri digitale de la 0 la 1 : Q0.0 până la Q0.7,

Q1.0 până la Q1.7.

Pentru intrări analogice de la 256 la 265 : PIW 256 până la PIW 265.

Pentru ieșiri analogice de la 256 la 259 : PQW 256 până la PQW259.

Figura 5.3 Atribuire adreselor intărilor/ieșirilor analogice

În etapa de configurare hardware se mai poate seta și timpul de întrerupere pentru blocul de organizare cu întrerupere ciclică OB35, prin dublu click pe CPU și alegerea tabu-ului Cyclic Interrupts unde modificăm valorare din câmpul Execution. Pentru această aplicație această valoare rămâne cea setată implicit, adică 100 ms.

În figura următoare este prezentată fereastra SIMATIC Manager în care este vizibilă structura programului.

Figura 5.4 Structura programului

Pentru a rula programul trebuie mai întâi încărcat în automatul programabil. În urma compilării, ca să nu aibă erori, automatul trebuie să fie într-unul de modurile de operare (RUN sau STOP) ca să putem încărca programul. Totuși este recomandat ca automatul să fie în modul STOP, ca să nu apare conflicte la suprascrierea unui program când acesta este reîncărcat, iar apoi punerea automatului în modul RUN. Când se dorește încărcarea programului se selectează din meniul proiectului aflat în partea stângă a ecranului secțiunea Blocks, și apoi se apasă butonul Download de pe bara de instrumente. În cazul în care se dorește încărcarea numai a anumitor blocuri, se vor selecte doar acestea.

5.1.1 Blocuri componente ale programului

Programul are în componență blocuri de organizare, blocuri de instanțiere și funcții, cum ar fi :

– OB1, OB35.

– FC1, FC2, FC3, FC4.

– DB1, DB2, DB3, DB41.

Blocul OB1 :

Blocul de organizare principal în care poate fi scris programul sau pot fi apelate funcțiile bloc din care este alcătuit programul.

În blocul OB1 este apelată funcția FC4 pentru scalarea intrării de la senzor și a referinței. Este scalata valoare primită de la senzor în decimal pentru a intra în domeniul de lucru al regulatorului.

Funcția de scalare FC4 :

Semnalul primit de la senzor este stocat într-o variabilă MW10 (Memory Word) , această valoare este scalată în decimal deoarece referința introdusă manual de către utilizator este în milimetrii și ca să fie transmisă regulatorului trebuie scalată în intervalul 0..100.

Blocul OB35:

Acest bloc de organizare este un bloc de întreruperi ciclice, având rolul de a întrerupe programul la intervale fixe de timp

În cadrul acestui bloc este apelată funcția FB41, care este funcția bloc a regulatorului. Deoarece blocul OB35 întrerupe programul la perioade de timp de 100 ms regulatorul este apelat de fiecare dată succesiv și astfel putem considera reglarea procesului ca fiind o reglare continuă.

Tot în acest bloc este apelată și funcția FC1, care are rolul de a calcula valoarea compensatorului feedforward. Datorită perioadei de întrerupere a acestui bloc este posibilă verificarea valorii senzorului de debit la intervale de timp de 100ms.

O altă funcție apelată în acest bloc este funcția FC2, care are rolul de a converti o valoare din decimal în mm.

Funcția FC1 –funcție pentru calculul compensatorului feedforward

Această funcție are ca variabilă de intrare un vector de 10 elemente, care sunt valori citite de la senzorul de debit montat pe conducta de evacuare a rezervorului. Se parcurge tot vectorul și se face o medie a valorilor de pe fiecare poziție,iar pe ultima poziție se pune valoarea curentă a senzorului. Dacă modulul diferenței dintre media acestor elemente și valoarea citită de la senzor când robinetul este închis este mai mare sau egală cu 300, atunci această valoare este scalată să intre în domeniul de lucru al regulatorului, iar apoi este adăugată la comanda reglatorului, adică este memorată în variabila de ieșire. La apelarea funcției la variabila de ieșire este conectată intrarea DISV a blocului de date DB41 asociat regulatorului, iar la variabila de intrare este conectată înregistrarea din DB1 care conține vectorul cu valorile citite de la senzorul de debit.

Funcția FC2 – funcție care realizează conversia valorilor din decimal în milimetri

Funcția are ca parametru de intrare o valoare reprezentând un număr în decimal și returnează un număr real reprezentând valoarea în mm, calulată cu formula din capitolul precedent. În blocul OB35 această funcție este folosit pentru a transforma valoarea semnalului de referință, a comenzii și a variabilei de proces în unități de lungime. Înainte de a fi aplicați ca variabile de intrare ale funcției aceste parametrii au fost transformați în format decimal prin folosirea unui bloc MUL, care a avut pe o intrare aceste parametrii pe rând, iar pe cealaltă intrare numărul 27648. Rezultatul este memorat într-o variabilă temporară, care este una dintre intrările blocului DIV, care mai are ca parametru de intrare și numărul 100. Ieșirea blocului DIV este un număr în decimal, care este aplicat ca parametru de intrare al funcției FC2 de unde rezultă variabila de ieșire în milimetru.

Bloc de date DB41

Acest bloc este creat atunci când este aplată funcția FB41, și conține toți parametrii regulatorului și valorile acestora. Din acest bloc putem configura regulatorul.

Bloc de date DB1 – bloc de date în care este memorat vectorul cu datele citite de la senzorul de debit de pe conducta de ieșire.

Bloc de date DB2 – bloc în care este memorată valoarea comenzii în milimetru.

Bloc de date DB3 – bloc în care este memorată valoarea în mm a referinței procesului.

Funcția bloc FB41 – funcție pentru controlul continuu

Această funcție este folosită pentru controlul proceselor care au intrări continue și ieșiri variabile. Funcția FB41 implementează un regulator PID care influențează continuu variabilele de ieșire oferind și posibilitatea unui control manual al ieșirii. Efectele proporțional (P), integrator (I) iar derivativ (D) sunt conectate în paralel și pot fi activate sau dezactivate individual, ceea ce permite utilizarea regulatoarelor de tip P, PI, PD, I, D, PID.

Deoarece în procesul de față avem nevoie de un regulator de tip PI, au fost utilizate următoarele intrări ale funcției: variabila de intrare a procesului, valoarea de referință, efectul proporțional, efectul integrator și timpul dintre apelurile succesive ale blocului, iar parametrul de ieșire fiind variabila manipulată.

Schema bloc a funcției bloc FB41 este prezentat în figura următoare:

Figura 5.5 Schema bloc a regulatorului

Descrierea variabilelor funcției :

Referința SP_INT : semnalul de referință, se introduce ca un număr real în intervalul 0…100.

Variabila de proces PV_PER : semnalul de măsură de la proces, poate fi sub forma unei intrări analogice (PV_PER) sau sub forma unui număr real (PV_IN)

GAIN : factorul de proporționalitate a regulatorului.

TI : constanta de integrare a regulatorului.

TD : constanta de derivare a regulatorului.

DISV : variabila perturbatoare.

CYCLE : perioada de timp dintre apelurile succesive ale funcției.

PVPER_ON : comutator pentru selectarea semnalului de măsură internă/proces.

MAN_ON : Regulatorul poate fi folosit atât în mod manual cât și în mod automat. În modul manual comanda poate fi corectată prin introducerea unor valori manuale pe această intrare.

Variabile de ieșire ale funcției:

LMN : comanda regulatorului în intervalul 0…100.

LMN_PER : comanda regulatorului într-un format periferic care poate fi aplicat elementului de execuție, în intrevalul 0…27648.

Semnalul de măsură de la proces este scalat pentru a intra în domeniul de lucru al regulatorului.

CRP_IN = PV_PER ∙

Semnalul de comandă a regulatorului este scalată pentru a putea fi aplicată elementului de execuție, cu următoarea formulă:

LMN_PER = LMN∙

Forma standard a regulatorului PID este :

5.1.2 Programul pentru achiziția datelor

Pentru achiziția datelor a fost creat un nou proiect în mediul Simatic Step7, s-a efectuat configurația hardware a automatului, s-a creat un bloc OB35 cu o perioadă fixă de întreruperi de 100ms. Cu ajutorul acestui bloc s-a apelat funcția FB41, blocul regulatorului, unde prin selectarea modului manual s-a permis aplicarea unei valori dorite pentru mărimea de execuție, adică o tensiune dorită la alimentarea pompei. FB41 are în componență un bloc de date, DB41, unde pot fi modificați parametrii acestuia. Pentru achiziția datelor în DB41 s-a setat următorii parametrii :

MAN_ON = TRUE.

MAN = 40% pentru 4V , și 50% pentru 5V.

P_SEL, I_SEL; D_SEL = FALSE.

PV_PER = PIW256 –senzor ultrasonic.

LMN_PER = PQW256 –controller pompă.

5.2 SIMATIC WinCC Flexible

5.2.1 Introducere

Procesele de automatizăre cu care interacționează un operator cu timpul devin tot mai complexe și mai greu de urmărite. Din această cauză s-a ajuns la dezvoltarea unor interfețe dintre operator și proces, așa numite interfețe om-mașină (Human Machin Interface). Aceste interfețe oferă utilizatorului o transparență, care este esențial în controlul și funcționarea proceselor automatizate.

Aceste sisteme HMI oferă utilizatorului anumite avantaje cum ar fi, vizualizarea procesului pe dispozitive HMI, pe care poate fi urmărit procesul, imaginea afișată este acualizat dinamic în funcție de comportamentul procesului. Tot cu acest sistem operatorul este atenționat vizual dacă se declanșează o alarmă când procesul intră în starea critică. Un alt avantaj constă în faptul că operatorul poate controla procesul prin intermediul interfeței grafice, poate de exemplu seta valori de referință pentu controlul unui motor sau poate controla direct ventile, robinete fără contact direct cu acestea.

Sistemele de interfață om-mașină oferă posibilitatea stocării parametrilor proceselor și a echipamentelor, care pot fi descărcate de la dispozitive HMI la PLC facilitând astfel schimbarea versiunii produsului pentru producție.

În această lucrare software-ul HMI utilizat este WinCC Flexible care este conceput pentru echipamente automatizate. Acest mediu de programare poate fi folosit atât pentru controlul și monitorizarea proceselor automatizate, cât și pentru achiziția de date de la procesele automatizate.

Conexiunea între PC și PLC este realizată printr-un adaptor MPI/RS232, interfața PLC-ului fiind una MPI iar intrefața PC-ului RS232.

5.2.2 Crearea unui proiect

Proiectul creat în WinCC Flexible se integrează proiectului creat în Step7 la secțiunea 5.1. Acest lucru are avantajul că permite stocarea tuturor datelor de configurare referitoare la un proiect, în baza de date a proiectului.

Crearea unui proiect poate fi executat în 8 pași, care sunt prezentate în continuare:

Pasul 1 : Crearea unui nou proiect prin intermediul opțiunii ”Project Wizard”.

Pasul 2 : Din listă se alege opțiunea ”Small Machine” care reprezintă tipul de proiect pentru o legătură directă PLC – Panou Sinoptic. Se integrează programul Step7 pentru care se crează interfața grafică.

Pasul 3 : Se selectează tipul dispozitivului HMI – WinCC Flexible Runtime și se setează rezoluția. Se selectează tipul conexiunii – MPI/DP și se alege automatul programabil – SIMATIC S7 300/400

Pasul 4 : Se specifică crearea unui header, butoane de control pentru navigație, linie/fereastră pentru alarme, tipul conexiunii – MPI/DP. Se selectează elementele ce vor fi introduse în header, și se selectează poziția și stilul barei de navigație și a alarmelor.

Figura 5.6 Primi 4 pași din crearea proiectului.

Pasul 5 : Alegerea numărului de ecrane și detalii fiecărui ecran.

Pasul 6 : Specificarea dacă este necesar crearea unui ecran principal pentru toate ecranele din sistem, sau dacă ecranele ar trebui afișate direct în poziție specifică.

Pasul 7 : Adăugarea librăriilor necesare.

Pasul 8 : Se adaugă comentarii, iar apăsând pe butonul ”Finish” este generat proiectul ce conține toate setările specificate în pașii anteriori.

Figura care conține ultimele pași este prezentat în continuare:

Figura 5.7 Ultimele 4 pași din crearea unui proiect.

După crearea proiectului sunt definite tag-urile, care sunt defapt variabile de lucru ce corespund obiectelor create în WinCC. Cu ajutorul tag-urilor se face legătura între obiectele create și adresele utilizate în Step7. Tag-urile trebuie definite să fie externe și de tipul conexiunii cu PLC-ul, dar pot fi și interne, numai că atunci nu se pot referi la adrese folosite în programul Step7, sunt folosite numai în WinCC.

Interfața construită pentru reglarea nivelului este alcătuită din două părți, prima este ecranul cu funcționarea tuturor echipamentelor ale procesului, folosită pentru monitorizarea, și una în care utilizatorul poate observa reprezentări grafice ale unor semnale din porces și poate modifica anumite parametrii ai procesului. Navigarea între cele două pagini se face cu ajutorul unor butoane.

În continuare se va face o prezentare mai în amănunte a celei două ecrane folosite în acest proiect.

În prima pagină, conform standului Festo, sunt modelate cele două rezervoare, sistemul de țevi care face legătura între cele două rezervoare, o pompă centrifugă și robinetul de pe conducta de evacuare. În partea dreapta a primei pagini este afișată valoarea actuală a nivelului și a referinței, fiecare valoare fiind afișată într-un obiect IOField. Pentru aceste obiecte le corespund următoarele tag-uri : nivelmm pentru câmpul în care este afișată valoarea nivelului și refmm pentru câmpul în care este afișată referința setată de utilizator. Rezervorul din partea de sus a ecranul, rezervorul principal este echipat cu o bară gradată de pe care putem citi valoarea nivelului, care deasemenea este legată de tag-ul care face conexiunea cu adresa din Step7 unde este memorată valoarea variabilei de proces.

Butoanele Star/Stop sunt pentru pornirea/oprirea procesului. Butonului Start și celui Stop le corespunde tag-ul pornire, care face conexiunea cu un bit de memorie din Step7 care activează/dezactivează execuția blocului FB41. Setarea bitului de memorie ”1” se face prin comanda SetBit dat butonului Start în submeniul Events/Click. Pentru butonul Stop în submeniul Events/Click se selectează comanda ResetBit astfel resetând valoarea bitului de memorie și oprind procesul. Al treilea buton este pentru navigarea între pagini, și pentru acesta în submeniul butonului la Events/Click a fost selectată comanda ActivateScreen, și astfel la apăsarea butonului programul va trece în pagina a doua a aplicației.

Sistemul de țevi este legat de tag-ul de pornire, astfel traseul își va schimba culoarea atunci când pompa este pornită.

Prima pagină a intrefeței grafice este :

Figura 5.8 Prima pagine a proiectului de monitorizare.

A doua pagină este pentru vizualizare unui grafic pe care sunt afișate în funcție de timp referința procesului, valoarea actuală a nivelului și comanda dată de regulator. Sub grafic este un tabel în care sunt afișate valorile ale acestor variabile. Valoarea nivelului și a referinței sunt legate de aceleași tag-uri ca și în pagina anterioară, iar valoarea comenzii este legată de tag-ul comandă, care face conexiune cu adresa din Step7 unde este memorată și transformată în mm valoarea comenzii dată de regulator.

În partea de jos a ferestrei se află un obiect IOField în care utilizatorul poate să introducă o altă valoare pentru referința de nivel. Lângă acest obiect mai este un buton, care permite întoarecere pe prima pagină a proiectului, fiind setat la fel ca butonul de pe prima pagină.

A doua pagină este prezentată în figura următoare:

Figura 5.9 A doua pagina a interfeței grafice.

Ambele ferestre au câte un buton în colțul dreapta sus, care este pentru închiderea aplicației, are setat în submeniul Events/Click comanda StopRuntime.

Capitolul 6 Testare și validare

6.1 Testarea sistemului de reglare în buclă închisă

Testarea regulatorului PI calculat în capitolul 4 a fost realizată cu ajutorul programului din Step7, descris în capitolul anterior. Semnalul de referință al procesului s-a ales în jurul punctului unde s-a făcut indetificarea, adică 164.6 mm. După pornirea procesului de reglare al nivelului de lichid, s-au achiziționat două seturi de date, cu ajutorul cărora a fost reprezentată grafic evoluția nivelului și a semanalului de comandă generat de regulator.

Reprezentarea grafică a răspunsului sistemului:

Figura 6.1 Răspunsul sistemului de reglare a nivelului

Deoarece la proiectare s-a impus ca sistemul să fie un sistem de ordin I în buclă închisă, cum se poate observa și din grafic, avem un suprareglaj aproximativ 6,56%. Abaterea dintre semnalul de referință și semnalul de ieșire în regim staționar, reprezentând eroarea staționară la poziție, este nulă.

Timpul de răspuns, reprezentat de valoarea perioadei de timp de la începutul simulării și până când sistemul ajunge la ±1 față de valoarea de regim staționar, este egal cu aproximativ 120 secunde .

Din al doilea grafic din figură, se poate observa că domeniul de variație al comenzii este între [0,100], în funcție de abaterea dintre referința impusă și valoarea variabilei de proces. Putem observa că la început valoarea comenzii este 100%, deoarece nivelul din rezervor este foarte scăzut, diferența între valoarea impusă și această valoare de 20 mm este foarte mare, iar pe măsură ce nivelul din rezervor crește semnalul de comandă se stabilizează la o anumită valoarea pentru menținerea nivelului în rezervor.

Principala perturbație a sistemului constituie deschiderea sau închiderea robinetului de pe conducta de evacuare, scăderea nivelului din rezervor are ca urmare creșterea debitului de evacuare. Cu scăderea nivelului, crește eroarea între valoarea de referință a procesului și valoarea nivelului, astfel va crește și semnalul de comandă a regulatorului pentru a reduce această eroare, altfel spus, sistemul va încerca să rejecteze perturbație prin creșterea semnalului de comandă.

În figura următoare este prezentat răspunsul sistemului de reglarea nivelului la aplicarea unei perturbații.

Figura 6.2 Răspunsul sistemului la perturbație

Din reprezentarea grafică a evoluției semnalului de comandă putem observa că regulatorul sesizează apariția pertubației aproximativ dupa 10 secunde. Semnalul de comandă a regulatorului crește și după ce sistemul ajunge în regim staționar semnalul de comandă se stabilizează la o valoare mai mare decât cea la care s-a stabilizat înainte de aplicarea perturbației.

6.2 Testarea structurii de reglare feedforward

Pentru a detecta perturbațiile, produse din deschiderea/închiderea robinetului de pe conducta de evacuare, înainte ca aceste pertrubații sa afecteze răspunsul sistemului trebuie utilizat reglarea de tip feedforward. Reprezentarea grafică a răspunsului sistemului de reglare folosind structura de tip feedforward și comanda dată de regulatorul PI cu această structură poate fi vizualizată în următoarea figură :

Figura 6.3 Răspunsul sistemului de reglare cu feedforward

Din prima parte a reprezentării grafice putem observa că această metodă de reglare este mai eficientă când este vorba de rejectarea pertubațiilor, deoarece compensează efectul perturbațiilor înainte ca acesta să afecteze foarte tare răspunsul sistemului. Timpul în care semnalul de ieșire ajunge din nou în banda de ±1 % față de valoarea în regim staționar este aproximativ 65 de secunde.

În a doua parte putem urmării semnalul de comandă dat de regulator, și putem observa că la apariția perturbației semnalul de comandă crește brusc la o valoare mai mare pentru a rejecta perturbația și a readuce sistemul în banda de staționare. După ce sistemul ajunge în banda de staționaritate semnalul de comandă începe să scadă la o valoarea mai mare decât cea anterioară pentru a menține această nouă valoare a răsunsului sistemului.

Din reprezentarea grafică a răspunsului sistemului observăm că avem un suprareglaj de aproximativ 9%, acest lucru se datorează faptului că semnalul de la ieșirea senzorului ultrasonic este însoțit de zgomote datorate turbulenței apei care intră în rezervor, deci măsurătorile obținute de la senzorul de nivel vor fi afectate în permanență de perturbații prin curgere.

6.3 Validarea rezultatelor

Pentru a alege corect structura pe care dorim să utilizăm pentru un asemenea sistem

s-a făcut o comparație între performanțele sistemului cu structura de reglare cu reacție negativă, și performanțele sistemului cu structură de reglare cu feedforward.

Pentru a se putea observa și mai bine diferențele sau avantajele unuia față de celelalt, răspunsurile lor au fost suprapuse pe aceeași grafice. Pe figură cu culoarea roșie este reprezentată răspunsul sistemului de reglare cu reacție negativă și cu culoarea albastră răspunsul sistemului cu reglare feedforward.

Comparația grafică este prezentată în figura următoare:

Figura 6.4 Comparația sistemului cu reacție negativă cu sistemul cu reglare feedforward

Putem observa că ambele sisteme rejectează perturbația însă efectul acesteia asupra răspunsului sistemului este resimțit mai tare în cazul sistemului de reglare cu reacție negativă. Chiar dacă efectul perturbației este vizibil și în cazul sistemului de reglare cu feedforward, acesta este rejectat într-un timp mai scurt decât în cazul sistemului de reglare cu reacție negativă. Sistemul de reglare cu feedforward este mai rapid deoarece nu se așteaptă modificarea valorii semnalului de ieșire din poces sub influența perturbației. Acest tip de sistem încearcă să rejecteze perturbație în același moment de timp în care acesta apare.[5]

Pentru a putea decide care sistem de reglare satisface mai bine cerințele procesului de reglare a nivelului, este necesar să analizăm și comenzile regulatoarelor aplicate elementului de execuție în fiecare dintre cele două sisteme. Am procedat asemănător și cu semnalele de comandă,suprapunând ambele pe aceeași grafic, care este prezentat în figura următoare:

Din figura de mai sus rezultă că sistemul de reglare cu feedforward detectează mai repede perturbația și încearcă să o compenseze prin creșterea bruscă a comenzii, pe când sistemul de reglare cu reacție negativă detectează perturbația, dar creșterea comenzii este mai lentă fapt pentru care efectul perturbației influențează răspunsul procesului.

Din analiza răspunsurilor celor două sisteme rezultă că ambele sisteme au eroare staționară la poziție nulă, iar ambele sisteme rejectează într-un timp finit efectul perturbației, însă reglarea cu feedforward are avantajul că detectează perturbația mai repede decât sistemul de reglare cu reacție negativă.

Pe baza acestor comparații s-a ales folosirea sistemului de reglare cu feedforward, chiar dacă această reglare necesită în plus un traductor de debit pe conducta de ieșire.

Capitolul 7 CONCLUZII

Scopul acestei lucrări era realizarea unui sistem de reglarea și monitorizare a nivelului fluidului dintr-un rezervor. Pentru a realiza acest obiectiv s-a folosit standul didactic FESTO și PLC-ul Siemens CPU 314-2DP.

La început au fost identificate componentele instalației, a fost studiat modul lor de funcționare, și rolul pe care îl îndeplinesc în cadrul structurii de reglare. În continuare au fost achiziționate o serie de date de la proces care erau de folos ca să putem determina modelul matematic al acestuia reprezentat printr-o funcție de transfer, cu ajutorul căreia s-a calculat regulatorul PI prin impunerea funcției de transfer a sistemului în buclă închisă. Rezultatele obținute au fost testate atât în simulatorul Matlab Simulink, dar și pe standul didactic, acordând o valoare de referință sistemului, care reprezenta valoarea nivelului în jurul căreia s-a făcut identificarea asigurându-se astfel o cât mai bună respectare a performanțelor impuse.

Perturbația produsă de acționarea robinetului de pe conducta de ieșire influențează puternic nivelul lichidului din rezevorul principal, din această cauză a fost implementat o structură de reglare cu compensarea perturbației, reglare cu compensare feedforward. Cu ajutorul acestei structuri de reglare perturbația poate fi detectată în momentul în care apare și poate fi rejectat foarte repede cu creșterea bruscă a semnalului de comandă, astfel diminuând efectul lui asupra răspunsului procesului.

Structura de reglare cu feedforward este o structură mai avantajoasă decât o structură cu reacție negativă, dar trebuie precizat că necesită și anumite costuri suplimentare deoarece pentru a măsura perturbația imediat după ce apare este necesar, în acest caz montarea unui debitmetru magnetic inductiv pe conducta de evacuare a rezervorului. Chiar dacă cu montarea unui traductor în plus, costurile cresc, sistemul de reglare cu feedforward este, în această situație mai eficient, deoarece reduce vizibil efectul perturbațiilor generate de variațiile mari de debit de pe conducta de evacuare.

După ce a fost implementată aplicația pentru reglarea nivelului în mediul de programare Simatic Step7, pe baza rezultatelor obținute a fost validată structura de reglare folosită, a fost implementată o aplicație de monitorizare a nivelului folosind soft-ul WinCC Flexible, cu ajutorul căruia procesul poate fi monitorizat în timp real. Cu acest sistem de monitorizare operaturului este permis startarea sau oprirea oricând a procesului, când acesta consideră că este necesar acest lucru.

Procesele automatizate moderne din prezent dispun de aplicații pentru monitorizarea procesului, care oferă o eficiență mai mare prin transparența, manipularea simplă și flexibilitatea prin care se caracterizează, dar și prin faptul că sunt construite pentru necesitățile fiecărui proces în parte. Utilizatorului este oferit cu ajutorul acestor sisteme de monitorizare informații clare și de timp real despre starea actuală a procesului, este avertizat în legătură cu eventuale defecțiuni, dar are și posibilitatea de a modifica anumite parametrii ai procesului fără a fi nevoie ca utilizatorul să se deplaseze în câmp pentru acestea. Sunt situații în care operatorului este absolut necesar un astfel de sistem de monitorizare al procesului, un exemplu de astfel de situație este cea a procesului de reglare a nivelului unui fluid depozitat în rezervoare închise sau de dimensiuni mari, unde operatorul nu are acces. Pot exista în aceeași timp și procese în care sunt implicate lichide toxice sau care ar putea pune în pericol sănătatea utilizatorului dacă acesta este în contact permanent cu instalație pentru a urmării procesul.

Procesul cu acest sistem HMI poate fi monitorizat și controlat în permanență, datele care descriu starea sistemului și eventualele erori pot fi stocate fie pentru memorarea valorilor, fie pentru urmărirea datelor de producție.

Regulatoarele de tip PID sunt răspândite într-o gamă foarte largă de procese din domeniul reglării automate. Aceste regulatoare sunt implementate eficient de majoritatea PLC-urilor, care sunt de neînlocuite în instalațiile de automatizare. PLC-urile au avantajul că sunt reziztente la medii industriale dificile din cauza construcției lor, și pot controla o gamă variată de procese, cu capacitatea de a rezolva funcții complexe. Dimensiunile lor scade odată cu avansarea tehnologiei și datorită dimensiunilor reduse ele pot fi plasate lângă procese ce trebuie automatizate.

Cu ajutorul software-ului din PLC-uri utilizatorul are posibilitatea de a crea aplicații complexe pentru controlul și monitorizarea proceselor, poate dezvolta subprograme, poate crea funcții pentru fiecare dispozitiv care se dorește a fi controlat, iar programele create sunt ușor de depanat.

Datorită faptului că standul didactic FESTO cuprinde elemente care se întâlnesc în procese reale, cum ar fi achiziția de date prin intermediul senzorilor și a programului software specializat și acționarea asupra procesului prin aplicarea unor semnale de comandă elementelor de execuție, în cadrul acestui lucrări am dobândit o serie de cunoștințe aplicabile într-o gamă variată de domenii.

Bibliografie

[1] Ioan Nașcu, „Echipamenete de automatizare electrice și electronice”, Curs EAEE, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;

[2] Ioan Nașcu, „Sisteme de conducere a proceselor continue”, Curs SCPC, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;

[3] Petru Dobra, „Identificarea proceselor”, Curs IP, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;

[4] Clement Feștilă, „Ingineria reglării automate”, Curs și Laborator IRA, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;

[5] Vlad Mureșan, „Conducerea Proceselor Industriale”, Îndrumător de laborator, Editura UTPRESS, Cluj-Napoca, 2011;

[6] Documentație PLC Siemens;

[7] Documentație Stand FESTO;

Acronime

PLC – Programable Logic Controller

SRA – Sistem de Reglare Automată

PID – Proporțional Integrator Derivativ

HMI – Human Machine Interface

AP – Automate Programabile

Anexă