PROIECT ATESTAT.doc
September 3, 2017 | Author: aally2000 | Category: N/A
Short Description
....
Description
COLEGIUL TEHNIC TRANSILVANIA BAIA MARE
PROIECT ATESTAT
INDRUMATOR: PROF.SALAGEAN GABRIELA
SISTEME AUTOMATE DE REGLARE A TEMPERATURII
CUPRINS:
1. Introducere..............................................pag. 2. Sisteme de reglare automata (SRA)........pag. 2.1. Definiţie şi reprezentare grafică......pag. 2.2. Schema de principiu a unui SRA......pag. 2.3. Reacţia negativă.................................pag. 2.4. Schema funcţională concentrată a SRA...pag. 2.5. Regimuri de funcţionare ale SRA.......pag 2.5.1. Tipuri de semnale utilizate în automatică.......pag. 2.5.2. Regimuri staţionare......pag. 2.5.3. Regimuri tranzitorii......pag. 2.6. Clasificarea SRA.....pag. 2.6.1.Clasificarea în funcţie de viteza de desfăşurare a proceselor tehnologice ....pag 2.6.2. Clasificarea în funcţie de gama de variaţie a semnalelor transmise...pag. 2.6.3.Clasificarea în funcţie de tipul semnalelor transmise..pag. 2.6.4.Clasificarea în funcţie de caracteristicile statice ale elementelor. ..pag 2.6.5.Clasificarea în funcţie de numărul regulatoarelor automate.pag. 2.6.6.Clasificarea în funcţie de numărul mărimilor reglate..pag. 2.6.7.Clasificarea în funcţie de legea de reglare............pag. 2.7. Perturbaţii........................................pag. 3. 3.Reglarea temperaturii..........................pag. 3.1.Exemple de SRA de reglare a temperaturii, cu structură evoluată 4. 4.Studiu de caz........................................pag. 4.1Funcţiile sistemului de automatizare a unei instalaţii frigorifice cu mai multe spaţii răcite.........................pag. 5. 5.Protectia muncii.....................................pag.
1.
Introducere
Operaţiile de conducere a proceselor tehnologice necesită un efort intelectual foarte mare (număr mare de comenzi, care necesită o viteză de reacţie mare), ceea ce poate duce la oboseală şi la comiterea unor erori. De aici a apărut necesitatea transferării unei părţi din funcţiile (operaţiile) de conducere de la om (de la operator) către echipamente (de obicei electronice) specializate, care lucrează în mod automat. Automatica este un domeniu al ştiinţei şi tehnicii care studiază principiile şi echipamentele care asigură conducerea proceselor tehnologice fără participarea directă a omului. Dispozitivele de automatizare (D.A.) sunt dispozitive care realizează comanda şi controlul unui anumit proces tehnologic (P.T.), în mod automat (fără intervenţia directă a omului), în funcţie de condiţiile impuse. Sistemul automat reprezintă un ansamblu format din: - procesul tehnologic (P.T.) sau instalaţia tehnologică (I.T.) automatizată - dispozitivul de automatizare (D.A.)
Schemabloc a unui sistem automat este următoarea: Intrare
Comandă, Conducere automată
Proces tehnologic sau Instalaţie tehnologică
Dispozitiv de automatizare
Programul prescris sistemului
Ieşire
Control, Măsurări
Dispozitivul de automatizare controlează (măsoară) mărimile de ieşire ale procesului tehnologic (de ex.: temperatura unui cuptor, presiunea întrun cazan, viteza de rotaţie a unui motor electric etc.), le compară cu cerinţele impuse de către programul prescris sistemului, şi în funcţie de rezultatul acestei comparaţii comandă intrarea procesului tehnologic astfel încât acesta să revină la starea impusă.
De exemplu: întrun frigider dispozitivul de automatizare reglează (comandă) temperatura din incintă astfel: un termometru măsoară temperatura reală din incintă, această valoare se compară cu cea prescrisă (prin comutatorul acţionat manual). Dacă temperatura măsurată este mai mare decât cea prescrisă, se comandă pornirea compresorului care răceşte incinta. În caz contrar se comandă oprirea compresorului, ceea ce duce la creşterea temperaturii din incintă. Astfel, cu foarte mici oscilaţii, temperatura din frigider se va menţine în apropierea valorii prescrise.
2. Sisteme de reglare automata (SRA)
2.1. Definiţie şi reprezentare grafică Definiţie: Sistemul de reglare automată (SRA) este un ansamblu format dintr o instalaţie tehnologică (IT) şi un număr de aparate şi echipamente de automatizare, care asigură funcţionarea automată a IT.
Reprezentarea grafică a SRA se realizează prin intermediul schemelor funcţionale, în care: -
Elementele componente (blocurile) din cadrul SRA se reprezintă prin dreptunghiuri
-
Mărimile fizice (semnalele) care se propagă între elementele SRA se reprezintă prin săgeţi.
Exemplu: Se consideră o instalaţie tehnologică (IT) formată dintrun cuptor de tratament termic, în care temperatura T trebuie menţinută constantă. Reglajul temperaturii se realizează prin intermediul debitului Q al gazului cu care se alimentează cuptorul. Între Q şi T există o legătură de cauzalitate, deoarece mărirea debitului Q are ca efect mărirea temperaturii T, şi invers, dacă Q scade, va scădea şi temperatura T. Deci Q este cauza (mărimea de intrare în IT) iar T este efectul (mărimea de ieşire din IT). În general, propagarea efectelor se produce întrun singur sens, de la cauză spre efect. Asupra funcţionării instalaţiei tehnologice mai acţionează şi anumite perturbaţii.
Perturbaţiile sunt influenţe de obicei externe, care influenţează în mod nedorit funcţionarea IT şi modifică valorile mărimilor de ieşire. În cazul exemplului dat principalele mărimi perturbatoare sunt: 2. puterea calorică Pc a gazului combustibil 3. numărul n de piese (de ex. lingouri de oţel) introduse în cuptor 4. temperatura ambiantă Ta din hală.
În reprezentarea grafică a IT din exemplul de mai sus mărimea de intrare Q se va figura printro săgeată orientată spre IT de la stânga, mărimea de ieşire T printro săgeată orientată dinspre IT spre dreapta, iar perturbaţiile Pc, n şi Ta prin săgeţi orientate spre IT de sus în jos.
Reprezentarea grafică a instalaţiei tehnologice:
P c
Q
n
Ta
IT
T
2.2. Schema de principiu a unui SRA
În exemplul prezentat anterior, cel al cuptorului de tratament termic, pentru a menţine constantă temperatura T din cuptor – indiferent de oscilaţiile nedorite ale diferitelor efecte perturbatoare – se utilizează următoarele elemente de
automatizare: rp +
EC
ε
c RA
e EE
IT y
r
Tr
Elemente componente : IT – instalaţia tehnologică (aici: cuptorul de tratament termic) EC – element de comparaţie RA – regulator automat EE – element de execuţie (aici: un servomotor şi un ventil) Tr traductor (aici: traductor de temperatură) Semnalele transmise între elementele schemei: rp – mărimea prescrisă ε – abaterea sau eroarea c – mărimea de comandă e – mărimea de execuţie y – mărimea de ieşire r – mărimea de reacţie.
Rolul elementelor componente: Traductorul (Tr): este un dispozitiv care transformă (converteşte) o mărime fizică de obicei neelectrică y (temperatură, presiune, debit, viteză etc.) întro
altă mărime fizică de obicei electrică r (tensiune, curent etc.). Elementul de comparaţie (EC): este de obicei un circuit electronic cu 2 intrări (+ şi )şi o ieşire. La intrarea „+” primeşte mărimea prescrisă rp (o mărime electrică, de obicei o tensiune), reglată printrun potenţiometru de către operator. Această mărime corespunde valorii prescrise a mărimii de ieşire y. La intrarea „” EC primeşte semnalul de reacţie r de la traductor, r fiind o mărime electrică de acelaşi fel ca şi rp. La ieşire EC furnizează semnalul de eroare sau eroarea ε, care se calculează astfel: ε = rp – r. Deci EC compară prin scădere valorile lui rp şi r). Abaterea ε va fi 0 atunci când mărimea de ieşire y (aici temperatura T) este egală cu valoarea prescrisă a acesteia (T=Tp, sau y=yp.
Regulatorul automat (RA): este de obicei un dispozitiv electronic, având rolul de a prelucra semnalul ε după o anumită „lege de reglare” (prin anumite operaţii matematice). Legea de reglare se alege în funcţie de caracteristicile tehnologice ale IT, sau în funcţie de performanţele impuse. La ieşire, RA furnizează semnalul c (mărimea de comandă), care se aplică la intrarea elementului de execuţie EE. Elementul de execuţie (EE): este comandat de semnalul c. Are rolul de a interveni prin intermediul mărimii de execuţie e – asupra IT în aşa fel, încât să readucă mărimea de ieşire y (aici: T) la valoarea sa prescrisă yp (aici: Tp). În cazul exemplului dat EE este format dintrun servomotor, care deplasează elementul mobil al unui ventil. La rândul său ventilul modifică debitul Q al gazului combustibil care asigură încălzirea cuptorului. Două exemplificări ale modului în care se efectuează autoreglarea
temperaturii din cuptor: 1. creşte n (nr. de lingouri introduse în cuptor) → scade T (scădere nedorită) → scade r → creşte abaterea ε = rp – r → creşte c → creşte e (aici debitul Q) → creşte T (această creştere compensează scăderea iniţială, deci practic T rămâne constantă, în jurul valorii sale prescrise Tp). 2. creşte Ta (temperatura ambiantă) → creşte T (creştere nedorită) → creşte r → scade abaterea ε = rp – r → scade c → scade e (aici Q) → scade T (această scădere compensează creşterea iniţială, practic T rămâne constantă).
2.3. Reacţia negativă
Transmiterea semnalelor în cadrul sistemelor de reglare automată (SRA) se realizează în două sensuri: 1. De la intrare spre ieşire (calea sau legătura directă): rp → ε → c → e → y adică prin elementele: EC → RA → EE → IT. 2. De la ieşire spre intrare (calea sau legătura inversă – numită şi reacţie):
y → r, adică prin traductor (Tr). Deoarece semnalul de reacţie r se aplică la intrarea minus („”) a elementului de comparaţie EC, se mai numeşte şi reacţie negativă (RN). Cele două căi de transmisie formează o buclă de reacţie (o buclă închisă).
Importanţa reacţiei negative (RN) în cadrul SRA: 1.
Prin RN se primesc la intrare informaţii despre starea mărimii reglate (deci despre starea ieşirii sistemului).
2.
Datorită caracterului negativ al reacţiei, sistemul poate compara (prin scădere) mărimea prescrisă (rp) şi cea de reacţie (r), şi astfel poate acţiona în direcţia anulării (sau măcar a reducerii acestei diferenţe (reprezentate de abaterea ε.
2.4. Schema funcţională concentrată a SRA p1 p2 ..... pn
i +
EC
a
c RA
y F
y
În cadrul acestei scheme concentrate semnificaţia notaţiilor este următoarea: F – partea fixată a SRA (EE, IT, Tr) IT este dată, iar tipul EE şi Tr este determinat de construcţia IT şi de natura mărimii reglate RA – regulatorul automat – elementul prin care proiectantul poate asigura funcţionarea dorită a SRA. Semnalele transmise între elemente: i – mărimea de intrare (sau de referinţă) y mărimea de ieşire (sau reglată)
c mărimea de comandă a – abaterea (sau eroarea): a = i – y RA prelucrează valoarea abaterii a şi furnizează la ieşire mărimea de comandă C, pe care o transmite către blocul F. p1, p2 .... pn – perturbaţii Deci din exterior SRA primeşte următoarele semnale: i, respectiv perturbaţiile p1, p2 .... pn.
2.5. Regimuri de funcţionare ale SRA 2.5.1. Tipuri de semnale utilizate în automatică
Principalele tipuri de semnale utilizate în automatică se vor studia pe baza unui exemplu, cel al unui cuptor de tratament termic. În cazul acestei instalaţii tehnologice temperatura din interiorul cuptorului trebuie să aibă o anumită variaţie în timp, descrisă cu ajutorul unui grafic ca cel din figura de mai jos:
T
T3 T2 T1
t t1
t2
t3
t4
t5
t6
Graficul reprezintă variaţia T=f(t), unde T este temperatura din cuptor (valoarea prescrisă a temperaturii), iar t reprezintă timpul (în ore). Se observă că există două tipuri de variaţie a mărimii T: momente de salt brusc (în sus sau în jos), respectiv de creştere sau descreştere liniară (cu viteză finită). Primul tip de variaţie se poate observa la momentele de timp t1 şi t6. La momentul t1 temperatura T creşte brusc, instantaneu de la valoarea T1 la valoarea T2. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie treaptă sau semnal treaptă. La momentul t6 temperatura T scade brusc, instantaneu de la valoarea T2 la valoarea T1. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie treaptă negativă. Între momentele de timp t2 şi t3 temperatura T trebuie să crească în mod liniar în timp, adică cu viteză de creştere constantă, de la valoarea T2 la valoarea T3. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie rampă sau semnal rampă. Între momentele t4 şi t5 temperatura T trebuie să scadă în mod liniar în timp, adică cu viteză de scădere constantă, de la valoarea T3 la valoarea T2. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie rampă negativă (cu pantă negativă).
Semnalele treaptă şi rampă sunt cele mai des utilizate tipuri de semnale în automatică.
2.5.2. Regimuri staţionare
Regimurile staţionare sunt regimuri sau stări de echilibru, în care mărimea de ieşire (y) a sistemului de reglare automată (SRA) are aceeaşi variaţie în timp ca şi mărimea de intrare (i), adică ieşirea urmăreşte variaţiile mărimii de intrare (mărimii prescrise). De exemplu, dacă mărimea de intrare i se menţine constantă (în cazul nostru valoarea prescrisă a temperaturii T), atunci şi mărimea de ieşire y este constantă (valoarea reală a temperaturii din cuptor), sau dacă mărimea de intrare i are o variaţie tip rampă, atunci şi mărimea de ieşire y are tot o variaţie de tip rampă (creşte sau scade cu aceeaşi viteză ca şi mărimea de intrare).
2.5.3. Regimuri tranzitorii
Sunt de fapt stări de dezechilibru, adică regimuri de trecere (de tranziţie) de la un regim staţionar anterior la un alt regim staţionar ulterior. Cauza apariţiei acestor regimuri tranzitorii este aceea, că în unele situaţii mărimea de ieşire y nu poate urmări în mod instantaneu (fără întârziere) variaţiile mărimii de intrare, deoarece efectul acestor variaţii se transmite cu o anumită întârziere între elementele SRA. În exemplul dat, vor apărea regimuri tranzitorii la momentele t1 şi t6, adică atunci, când mărimea de intrare (temperatura prescrisă T) are variaţii tip treaptă.
Pe durata regimurilor tranzitorii sistemul acţionează pentru a se putea trece de la vechiul regim staţionar (în care i=i1, y=y1) la noul regim staţionar (în care i=i2, y=y2). În acest interval mărimea de ieşire y are oscilaţii în jurul noii sale valori staţionare, cu amplitudine descrescătoare. Regimurile tranzitorii pot fi provocate şi de unele perturbaţii care scot temporar SRA din starea staţionară.
2.6. Clasificarea SRA
2.6.1. Clasificarea în funcţie de viteza de desfăşurare a proceselor tehnologice În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA pentru procese rapide SRA pentru procese lente SRA pentru procese rapide: Întârzierile care apar în transmiterea semnalelor între blocurile componente sunt foarte mici (secunde, zeci de secunde).
Instalaţiile tehnologice care intră în această categorie sunt: maşinile şi acţionările electrice. Mărimile fizice reglate în cazul acestora sunt de obicei: tensiunea, intensitatea curentului, turaţia (viteza de rotaţie), poziţia unghiulară (la servomotoare). SRA pentru procese lente: Întârzierile care apar în transmiterea semnalelor între blocurile componente sunt mai mari (minute, ore). Instalaţiile tehnologice care intră în această categorie sunt cele în care se produc schimburi de căldură, reacţii chimice sau transferuri de mase, de exemplu: cuptoare de tratament termic, reactoare chimice, instalaţii de ardere etc. Mărimile fizice reglate în cazul acestora sunt de obicei: temperatura, presiunea, nivelul sau debitul unor lichide, concentraţiile unor substanţe chimice etc.
2.6.2. Clasificarea în funcţie de gama de variaţie a semnalelor
transmise
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA unificate SRA neunificate
SRA unificate: Sunt acele SRA, care lucrează cu aşazisele semnale unificate, adică între elementele sistemului se transmit semnale de aceeaşi natură fizică şi cu aceeaşi gamă de variaţie. De exemplu: tensiuni continue în gama 1 ... 5 V, sau curenţi
continui în gama 2 ... 10 mA. SRA neunificate: Sunt acele SRA, care nu lucrează cu semnale unificate.
2.6.3. Clasificarea în funcţie de tipul semnalelor transmise
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA continue SRA discrete (discontinue). SRA continue: Sunt acele SRA, la care toate semnalele transmise între elementele sistemului sunt semnale analogice funcţii continue în timp (se transmit continuu, fără pauze). SRA discrete: Sunt acele SRA, la care semnalele transmise între elementele sistemului sunt mărimi eşantionate (succesiuni de impulsuri reprezentând eşantioane luate la intervale de timp regulate din semnalul analogic iniţial). Aceste mărimi se mai numesc şi mărimi discontinue sau discrete. În practică se utilizează SRA numerice, care lucrează cu impulsuri codificate cu ajutorul numerelor binare. În cadrul acestor SRA rolul regulatorului automat (RA) este preluat de microcalculatoare.
2.6.4. Clasificarea în funcţie de caracteristicile statice ale elementelor
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:
SRA liniare SRA neliniare. Caracteristica statică a unui element („X”) al SRA este de fapt reprezentarea grafică a dependenţei dintre mărimea de ieşire („e”) şi cea de intrare („i”) a elementului respectiv (în condiţiile unui regim staţionar), adică graficul funcţiei e = f(i). X
i
e
SRA liniare: Sunt acele SRA, în care toate elementele componente au caracteristici statice liniare, de forma: e
i
În acest caz există o relaţie de proporţionalitate între e şi i. SRA liniare: Sunt acele SRA, în care una sau mai multe elemente au caracteristici statice neliniare. Exemple tipice de caracteristici neliniare întâlnite în automatizări: e
e
i
i
2.6.5. Clasificarea în funcţie de numărul regulatoarelor automate
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA cu un singur RA (sistemele mai simple) SRA cu mai multe RA (sistemele mai complexe). SRA cu un singur RA: sistemele mai simple. SRA cu mai multe RA: sistemele mai complexe, în care aceste regulatoare automate acţionează (intervin) în funcţie de valoarea unor abateri (erori), sau în funcţie de valoarea unor perturbaţii.
2.6.6. Clasificarea în funcţie de numărul mărimilor reglate
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA monovariabile SRA multivariabile. SRA monovariabile: se utilizează în cazul instalaţiilor tehnologice care necesită reglarea automată a unei singure mărimi fizice (ex.: temperatura, turaţia etc.). SRA multivariabile: se utilizează în cazul instalaţiilor tehnologice mai
complexe, care necesită reglarea automată a mai multor mărimi fizice simultan (ex.: cazane cu aburi, unde trebuie supravegheată simultan presiunea şi temperatura aburilor).
2.6.7. Clasificarea în funcţie de legea de reglare
În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA: SRA cu legi de reglare obişnuite SRA cu legi de reglare speciale. SRA cu legi de reglare obişnuite: la care regulatorul automat (RA) efectuează asupra semnalului de eroare (ε) operaţii de calcul simple, cum ar fi înmulţire cu o constantă, derivare, integrare etc. SRA cu legi de reglare speciale: la care regulatorul automat (RA) efectuează asupra semnalului de eroare (ε) operaţii de calcul complexe, cum ar fi înmulţirea a două mărimi variabile în timp, căutarea minimului sau maximului unei funcţii etc.
2.7. Perturbaţii Perturbaţiile sau mărimile perturbatoare sunt influenţe externe sau interne, care intervin în funcţionarea instalaţiei tehnologice şi au ca efect abaterea mărimii reglate de la valoarea prescrisă. În cadrul unui SRA intervin de obicei mai multe mărimi perturbatoare. Exemple: -
La un cuptor de tratament termic (mărimea reglată fiind
temperatura) intervin următoarele mărimi perturbatoare: • numărul de piese (lingouri) introduse în cuptor • puterea calorică a gazului combustibil cu care se încălzeşte cuptorul • temperatura ambiantă La un motor de curent continuu (mărimea reglată fiind turaţia)
-
intervin următoarele mărimi perturbatoare: • tensiunea de alimentare a motorului • sarcina (cuplul de sarcină) maşinii de lucru antrenate de motor • variaţia rezistenţei electrice a bobinajului motorului cu temperatura. De obicei însă efectul uneia din aceste perturbaţii este predominantă, aceasta numinduse perturbaţie principală sau perturbaţie dominantă. În consecinţă acţiunea de reglare produsă de către elementele SRA se manifestă în reducerea abaterii datorate acestei perturbaţii principale. Dacă o mărime perturbatoare este măsurabilă (prin intermediul unui traductor adecvat), atunci se poate realiza o compensare a efectului acesteia printrun aşa numit regulator de perturbaţie suplimentar (pe lângă RA din schema obişnuită a SRA). schema de conectare a acestui regulator de perturbaţie (RP) este ilustrată în schemabloc de mai jos:
pm p1 p2
RP
rp +
EC
ε
c RA
e EE
IT y
r
TrP
Tr
Semnificaţia notaţiilor din schemă: • RP regulator de perturbaţie • p1, p2 perturbaţii nemăsurabile • pm perturbaţie măsurabilă • TrP traductor pentru măsurarea perturbaţiei pm
Avantajul acestei metode constă în rapiditatea acţiunii de reglare, fără a fi nevoie de parcurgerea întregii bucle de reglare a SRA pentru a compensa efectul perturbaţiei pm, ci doar a buclei formate din TrP, RP, EE şi IT.
3.Reglarea temperaturii Sistemele de reglare automată a temperaturii sunt printre cele mai utilizate atât în economie cât şi în aplicaţii casnice. Din punct de vedere al destinaţie sistemele de reglare automată a temperaturii pot fi sisteme pentru instalaţii frigorifice sau sisteme pentru instalaţii de încălzire. În multe situaţii, schemele pentru măsurarea temperaturii sunt incluse în bucle de reglare a temperaturii pentru incinte termostate. Dacă încălzirea se face electric, nu este indicat ca alimentarea schemei de măsurare să se facă de la aceeaşi sursă de putere ca şi rezistorul de încălzire, deoarece pot apare cuplaje parazite importante, care măresc histerezisul temperaturii reglate. În acest caz este indicat ca alimentarea pentru încălzire să se realizeze în curent alterenativ, iar
alimentarea schemei de măsurare în curent continuu. În cele mai simple instalaţii termice, schema bloc a unui sistem de reglare a temperaturii este cea din fig. 1.1. Sistemele de reglare a temperaturii din instalaţiile frigorifice sunt realizate, în majoritatea cazurilor, prin intermediul echipamentelor specializate cu acţiune continuă sau cu regulator bipoziţional. În instalaţiile termice la care timpul mort este mare, este necesară utilizarea sistemelor de reglare cu regulator PID sau PI. În unele situaţii, când timpul mort este foarte mare (Tm > T), se impune utilizarea unor regulatoare speciale (cu acţiune prin impulsuri).
Temperatura t din incinta 1 este realizată prin intermediul serpentinei 2, parcursă de agent termic (atunci când t > t0, unde t0 este temperatura mediului ambiant) sau de agent de răcire (atunci când t
View more...
Comments