Informatica industriala

1. Informatica industriala Cursul 7. Sisteme de reglaj automat

2. Notiuni introductive • Sistemele de reglare automată (sistem automat) • Definire: sistem ce realizează controlul unor parametri fizici ai unui sistem pe baza unei legi sau funcţii predefinite, fără intervenţia directă a omului • Obiective posibile: • menţinerea unui parametru la o valoare constantă sau într-un interval dat (reglaj automat), • modificarea valorii unui parametru după o lege de variaţie predefinită sau stabilită în timpul evoluţiei procesului (control secvenţial) • corelarea unor parametri de proces în vederea minimizării unei funcţii de cost (optimizare)

3. Clasificarea sistemelor de reglaj automat • după modul de realizare a controlului • sisteme automate în buclă deschisă • sisteme automate în buclă închisă – • după modul de variaţie a valorii prescrise: • sisteme automate de stabilizare • sisteme automate de urmărire • după viteza de evoluţie a parametrilor (gradul de inerţie al sistemului): • sisteme automate pentru procese lente • sisteme automate pentru procese rapide • după numărul de parametri urmăriţi şi reglaţi: • sisteme automate monovariabile (bucle simple de reglaj) • sisteme automate multivariabile • după legea de variaţie a parametrilor: • sisteme automate liniare • sisteme automate neliniare • după natura semnalelor implicate • sisteme automate continue sau analogice – semnalele sunt continue în timp • sisteme automate discrete sau discontinue – semnalele sunt discretizate în timp (semnale eşantionate, impulsuri, semnale modulate sau codificate, etc.)

4. ε m VE VP C Proces controlat Elem. de execuţie Regulator + - VM Traductor Schema unui sistem automat monovariabil simplu in bucla inchisa • Elementele unei bucle de reglaj sunt: • procesul controlat – instalaţia tehnologică sau echipamentul a cărui parametru se controlează • regulator – dispozitiv de automatizare care generează o comandă (c) pe baza abaterii (ε) dintre valoarea prescrisă (VP) şi valoarea măsurată (VM) a unui parametru de proces (VE - valoare de ieşire) • traductor – dispozitiv care transformă o mărime de proces într-un semnal electric • element de execuţie – dispozitiv care transformă un semnal de comandă într-o acţiune (m) de obicei de natură mecanică prin care se influenţează evoluţia procesului

5. Mărime fizică Semnal transmis Adaptor de semnal Senzor Componentele unui sistem de reglare automată • Traductoare • dispozitive de automatizare utilizate pentru măsurarea parametrilor ai unui proces • componente: • element sensibil – senzor • transforma o marime fizica intr-o marime masurabila (de obicei de natura electrica) • adaptor de semnal: • amplificarea şi filtrarea semnalului de intrare • eliminarea tensiunii continue reziduale (eng. offset) • compensarea comportamentului neliniar al senzorului • modularea şi codificarea informaţiei, etc.

6. Traductoare • semnalul transmis de traductor: • semnal analogic: • semnale unificate (standard): • de tensiune: [0-5V]; [0-10V],[ -5 - +5V] • de curent: [2-10mA], [4-20mA] • semnal digital: • de stare: 0/1 • in impulsuri: • cu frecventa variabila • cu latime de impuls variabila • mesaj digital (vezi retele industriale)

7. Traductoare “inteligente” • traductor clasic + microcontrolor • functii suplimentare: • afişarea locală a valorii măsurate • autocalibrarea dispozitivului de măsurare • codificarea informaţiei transmise • stocarea temporară a datelor • sintetizarea şi filtrarea logică a datelor măsurate, etc.

8. Principalele caracteristici ale unui traductor • natura mărimii fizice măsurate • foarte diversa: temperatura, presiune, nivel, deplasare, forta/cuplu, umiditate, concentratie de gaz, etc. • funcţia de transformare • relatia dintre mărimea fizica masurata si semnalul de ieşire: • liniara – cazul ideal • neliniara – cazul real (linearizabila pe portiuni): • in jurul valorii de nul • histerezis la urcare si coborare • gama de variaţie admisă a mărimii de intrare • valoare minima/maxima de masura • valoare minima/maxima absoluta (la care rezista)

9. Principalele caracteristici ale unui traductor(cont.) • sensibilitatea de măsurare • raportul dintre variatia semnalului de iesire si variatia marimii de intrare • ex: la senzor de temperatura: • jonctiune semiconductoare: 2mV/grad Celsius • termocuplu: 200µV/ºC • precizia de măsurare şi eroarea • eroare absoluta • eroare relativa: eroarea/valoarea nominala sau eroarea/domeniul de masura • caracteristica dinamică: • comportamentul in timp al traductorului: • ex: timpul mort al traductorului • natura semnalului de ieşire

10. Traductoare de temperatura • temperatura: cel mai important parametru de proces • tipuri de traductoare de temperatura: • termocupluri • termorezistenţe • termometre manometrice • pirometre

11. Termocupluri • se obţin prin alipirea într-un punct a două metale diferite • in punctul de contact apare o jonctiune ce dirijeaza purtatorii de sarcina intr-un singur sens • apare o tensiune electro-motoare ce depinde de natura metalelor si de TEMPERATURA punctului de contact e = e0 + k * ΔT unde: e – tensiunea electromotoare generată la o anumitătemperatură e0 – tensiunea generată de joncţiune la temperatura de0ºC ΔT – temperatura în ºC la care se află joncţiunea k – constanta termocuplului, indică variaţia tensiunii electro-motoare la o variaţie de un grad a joncţiunii

12. Tipuri de termocupluri

13. Cutie termostatată Termocuplu Cablu de transmisie e Termocupluri - caracteristici • Avantaje: • precizie foarte mare, liniaritate buna • repetabilitate in timp a masuratorilor • valorile masurate sunt universale, la înlocuire nu necesită reglaje suplimentare • plajă foarte mare de temperatură (- 200 - +1600ºC) • Dezavantaj: • problema “punctului rece” • valori mici ale tensiunii generate/grad Celsius • necesita contact fizic cu obiectul masurat

14. Termorezistenţele • variatia rezistentei cu temperatura • legea de variatie: R = R0(1+α Δt) unde: R – rezistenţa senzorului la temperatura t R0 – rezistenţa senzorului la 0ºC α – coeficientul de variaţie al rezistenţei cutemperatura Δt – temperatura măsurată în ºC • valorile nomonale sunt standardizate: R0 = 100, 200Ω • Caracteristici: • linearitate relativ bună a funcţiei de transformare • plajă mare de temperatură (-200 - 600ºC) • preţ relativ scăzut • precizie moderată • încălzirea termorezistenţei la trecerea unui curent de măsură afectează precizia de măsurare

15. Termistorii • variatie negativa si exponentiala a rezistentei cu temperatura R = R0*eβ(1/T-1/To) unde: R – rezistenţa la temperatura T R0 – valoarea de referinţă a senzorului T – temperatura măsurată în grade kelvin T0 – temperatura de referinţă ( 298ºKelvin = 20ºC) β – constanta de temperatură

16. Termometrele manometrice • se bazeaza pe legea gazului ideal: pV = γRT p = p0 (1+ α ΔT) unde: T- temperatura absolută măsurată în grade Kelvin p - presiunea gazului ideal p0 – presiunea la temperatura de 0ºC α – constanta de variaţie a presiunii cu temperatura γ – numărul de moli de gaz R- constanta universală a gazelor • Caracteristici: • precizie foarte mare • dificil de integrat in sisteme de automatizare • se folosesc pentru calibrarea celorlalte traductoare de temperatura

17. Pirometrele de radiaţie • masoara temperatura pe baza energiei (optice) radiante • doua tipuri: • pirometre de radiaţie totală • pirometre de radiaţie cromatică • Caracteristici: • masurarea de la distanta a temperaturii • plaja mare de variatie a temperaturii • pret relativ ridicat

18. p2 p1 Δh a. b. p p c. Traductoare de presiune • presiunea – un alt parametru important • se masoara fie pentru presiunea propriu-zisa fie pentru a determina indirect alte marimi (ex: nivelul de lichid intr-un recipient) • Variante constructive: • balanţa inelară (a) • presostate cu burduf (b) • presostate cu membrană (c)

19. N S p2 p1 e a. Măsurarea debitului: a. prin presiune diferenţială, b. prin cuplu mecanic, c. prin efect de rotaţie Debitmetru electromagnetic b. c. Traductoare de debit • Există mai multe metode de măsurare a debitului unui fluid: • prin măsurarea unei diferenţe de presiune • prin măsurarea unui cuplu mecanic sau a vitezei de rotaţie • prin măsurarea unui efect de inducţie electromagnetică

20. Traductoare de nivel • prin măsurarea presiunii lichidului la fundul rezervorului h = p/(ρ*g) unde: h - înălţimea coloanei de lichid p – presiunea statică la fundul rezervorului ρ – densitatea lichidului g – acceleraţia gravitaţională • prin măsurarea cu ultrasunete sau optic a distanţei la care se află suprafaţa liberă a lichidului (ex.: pentru baraje de acumulare) • cu plutitor şi senzor de deplasare • cu senzor capacitiv; se măsoară variaţia capacităţii unui condensator alcătuit din două armături verticale introduse în bazin; capacitatea depinde de permitivitatea electrică a lichidului şi de nivelul acestuia; lichidul trebuie să fie izolator

21. LED S1 S2 S1 Deplasare regletă spre stânga S2 S1 Deplasare regletă spre dreapta S2 Traductoare de deplasare şi de viteză • Tipuri: • cu inductanţă variabilă • cu capacitate variabilă • cu rezistenţă variabilă (potenţiometru) • cu senzor optic

22. 10110 Senzori optici 01110 00110 Riglă circulară Riglă liniară Figura 5.8 Senzori optici cu ieşire digitală Senzori optici cu valoare absoluta

23. Transformator de curent Traductor Hall I Câmp magnetic e Conductor Element culisant Traductoare pentru mărimi electrice • tensiune • curent • putere • factor de putere • rezistenta, capacitate, inductanta

24. Traductoare pentru mărimi fizice şi chimice speciale • analizoare de gaze pentru oxigen, monoxid de carbon şi bioxid de carbon • traductoare de umiditate relativă şi absolută • traductoare de vâscozitate • traductoare de pH