MODULUL 3: SISTEME NUMERICE DESTINATE CONDUCERII …Interfata cu echipamentele periferice ... Dupa marimea de intrare z Dupa marimea de iesire y Electrice Neelectrice Analogice Numeric

Curs Sisteme Informatice în Energetică – prof.dr.ing. Sergiu St. Iliescu

1

MODULUL 3: SISTEME NUMERICE DESTINATE CONDUCERII PROCESELOR

1. Subsistemele de baza ale unei structuri de conducere cu

SCPEN/CP Calculatorul de proces

Subsistemul I / E

Unitatea aritmeticasi logica

Unitatea de comanda Consola operatoruluide proces

Memoria de lucru

Subsistemul dealimentare cu

energie electrica

Interfata cu echipamentele periferice

Schema bloc a unitatii centrale

Traductoare

Rolul şi locul traductorului intr-un SRA. Clasificari

Traductorul (T) este acel subsistem al unui sistem de reglare automata sau de conducere

care are rolul de a stabili o corespondenţa intre marimea de calitate z (sau marime de masurat) şi marimea de ieşire y ( sau marimea masurata) ce este apta de a fi prelucrata de sistemele de prelucrare automata a datelor.


2

TRADUCTOARE

Dupa marimea de intrare z Dupa marimea de iesire y

Electrice Neelectrice NumericAnalogice

Parametrice Generatoare

Piezoelectrice

Inductiv

Termoelectrice

Hall

Fotovoltaice

RezistiveInductive Capacitive

Criterii de clasificare pentru traductoare

SC(RA)

EE P T+

_

yr

y

Rolul şi locul traductorului intr-un SRA

ES A

Traductor (T)

z w yElement sensibil (Detector)

Convertor de iesire (Adaptor)

Subsistemele constituente ale unui traductor

Un traductor este constituit din doua subsisteme: elementul sensibil (detectorul) (ES) şi convertorul de ieşire (adaptorul) (A).


3

Elementele caracterizante ale unui traductor

Elementele ce caracterizeaza un traductor şi pe baza caruia se pot compara intre ele diferitele traductoare sunt urmatoarele :

a) natura fizica a marimii de intrare şi de ieşire; b) puterea consumata la intrare şi cea transmisa sarcinii; c) caracteristica statica; d) caracteristica dinamica; e) pragul de sensibilitate; f) gradul (clasa) de precizie; g) nivelul de zgomot.

Traductoare. Studii de caz

Traductoarele se pot clasifica in funcţie de marimea de intrare in traductoare pentru marimi electrice şi neelectrice sau in funcţie de marimea de ieşire in traductoare analogice şi numerice.

i) Traductoarele analogice se impart la rândul lor in doua categorii: parametrice şi generatoare.

a) Traductoarele parametrice (modulatoare) sunt acele traductoare in care sub influenţa marimii de intrare se modifica dupa o lege bine determinata, unul din parametrii electrici (rezistenţa, inductanţa sau capacitate) ai circuitelor electrice a traductorului. Pentru detectarea acestei modificari traductorul trebuie sa aiba o sursa de energie auxiliara şi o schema de masura a parametrului care se modifica.

1. Traductoare parametrice rezistive

- Traductoarele reostatice

+

_

z = ui

y = uy

R0, lRx x

+

_

z = ui

y = uy

R0, lRx, x

o

o o

o

o

p

ES

uIES

WE

A

a) b) Traductoare reostatice: a) de deplasare; b) de presiune


4

- Traductoare termorezistive - Traductoare tensiometrice

oo

R1

P1

R2

UALIM

z

TC (Compensator)

TA(Activ)

P1

UALIM

z

TCTA

o o

R1 R2

P2

A

SM

a) b)

Punţi de masura: a) metoda prin derivaţie; b) metoda de zero

2. Traductoare parametrice inductive - Traductoare cu intrefier variabil

U

Ix

Lx

R

N

F

L

U

Ix

Lx1

R

N

+F

Lx2-F

R0 R0

L

Lx1

Lx2

Lx1-Lx21 2

Traductor inductiv in montaj simplu(a1) şi caracteristica statica(a2). Traductor inductiv in montaj diferenţial (b1) şi caracteristica statica (b2)

a1 a2

b1b2


5

- Traductoare de tip transformator

o

o

Wo

o

oUalim

UIES

Traductor inductiv tip transformator diferential - Traductoare inductive cu miez mobil

B1

d

B2 oo

L1

L2

R3

R4

A V

Ualim

a) b) Traductor inductiv cu miez mobil

a ) schema constructiva; b) schema electrica de masura

3. Traductoare parametrice capacitive

b) Traductoarele generatoare (energetice) sunt dispozitive in care marimea de

intrare este transformata intr-o tensiune electromotoare ce poate fi utilizata nemijlocit de sistemul de conducere. Aceste traductoare nu necesita surse exterioare de alimentare.

Aceste traductoare sunt realizate in mai multe variante in funcţie de principiul care sta la

baza transformarii marimii de intrare intr-o tensiune de ieşire : - inductive : funcţioneaza pe principiul maşinilor de c.c. sau c.a. ; - termoelectrice (termocupluri) : au la baza efectul Seebeck ; - traductoare de tip Hall ; - pH-metre ; - piezoelectrice, etc.


6

Regulatoare

Rolul si locul regulatorului automat intr-un SRA. Clasificari.

RA PROCES+

_

ECyr o

o

A

B

u

y++

vCalea directa

Calea inversa Rolul şi locul RA intr-un SRA

Cele mai importante criterii pentru clasificarea regulatoarelor automate sunt:

Regulatoare automate dupa:

tipul actiunii agentul purtator de semnalsursa de energie externacaracteristicile constructive

unif

icat

e

cuac

tiun

e co

ntin

ua

disc

rete

spec

iali

zate

dire

cte

indi

rect

e

elec

tron

ice

pneu

mat

ice

hidr

aulic

e

linia

re: P

,I,P

I,P

D,P

ID

nelin

iare

:bip

oziti

onal

e,tr

ipoz

ition

ale

cuim

puls

urile

mod

ulat

e

num

eric

e

Criterii de clasificare pentru RA

Elementele caracterizante ale unui RA

Elementele care caracterizeaza un regulator automat şi pe baza carora se pot compara intre ele diferitele regulatoare, in scopul alegerii celui mai adecvat tip, sunt urmatoarele:

natura fizica a marimii de intrare şi ieşire; mediul in care vor lucra regulatoarele;


7

gradul de complexitate al procesului şi performanţele ce se impun marimii reglate. In general, pentru majoritatea proceselor, legile de reglare P, PI, PD sau PID sunt satisfacatoare, dar exista procese la care se impun, datorita strategiilor complexe de conducere, regulatoare cu structuri speciale, cum ar fi cele de tip extremal, adaptiv etc. Astfel de structuri se realizeaza, insa, de cele mai multe ori, cu structuri numerice;

posibilitaţile de integrare in sisteme numerice complexe de conducere (calculatoare de proces);

parametrii legii de reglare : constanta de timp de integrare TI, constante de timp de derivare TD, banda de proporţionalitate BP ;

transferul funcţionarii «automat-manual» şi invers, fara şoc şi fara echilibrare prealabila; viteza de raspuns a procesului automatizat (proces rapid sau lent); numarul de elemente de execuţie ce pot fi comandate simultan, in paralel, de catre un

regulator; tipul elementului de acţionare; tipul organului de reglare (normal inchis sau normal deschis); caracteristica statica a organului de reglare; realizarea siguranţei in funcţionare a procesului la intreruperea semnalelor de masura şi de

comanda.

Regulatoare automate. Studii de caz.

A. Regulatoare continue i) Regulatoare continue liniare a. Regulatoare liniare standard Tipurile de regulatoare cele mai utilizate astazi in industrie sunt regulatoare standard, a

caror comportare se poate explica prin cele trei forme de baza idealizate ale elementelor P, I şi D. Regulatorul standard cel mai important şi cel mai complex are o comportare PID. Modul de acţiune al unui regulator PID poate fi explicat printr-o schema de conectare in paralel a câte unui element P, I şi D.

s

KI

RK

sKD

sTI

1

sTD

RK

+

++

uSAU

+

+

u+

Scheme bloc echivalente pentru un regulator PID


8

Componenta I

Componenta P

Componenta D

-TI t

a)

0

KR(1-TD)

KR

u(t)

Componenta I

Componenta P

Componenta D

-TI t

b)

0

KR

KR(1-TD/T)

u(t)

T

0 t

KR

u(t)

c)

0 td)TI

u(t)

KR

0 te)

u(t)

KR(1-TD)

KR

KR(1-TD/T)

0 tT

u(t)

KR

f)

Raspunsul indicial a) ideal; b) real al uni RA de tip PID. Raspunsul indicial pentru un RA de tip c) P; d) PI; e) PD (ideal) şi f) PDT1 (PD real)

Observaţii:

1. Menţionam ca RA continue liniare realizeaza o dependenţa intrare - ieşire de tip continuu, cea mai complicata expresia; legii de reglare ideala fiind legea PID:

1 ( )( ) ( )R D

I

d tu t K t t dt T

T dt

P I D

Din relaţia de mai sus putem sa definim parametrii legii de reglare (comanda), care sunt in acelasi timp şi parametrii pentru regulator:

KR – factorul de amplificare exprimat prin banda de proporţionalitate BP.

RR kukBP

100100%

unde si u sunt domeniul de variaţie a lui si u. Pentru regulatoarele unificate avem u .

Banda de proporţionalitate BP poate fi definita ca variaţie procentuala a marimii de intrare necesara pentru a produce o variaţie de 100% a marimii de ieşire a regulatorului.

TI – constanta de timp de integrare care defineşte componenta integrala şi care are semnificaţia timpului in secunde sau minute necesar integratorului pentru a dubla raspunsul proporţional original corespunzator unei perturbaţii a procesului sau ceea ce este echivalent, numarul de secunde (minute) necesar pentru repetarea raspunsului proporţional (MPR: minute pe repetare, revenire sau egalare). MPR este echivalent cu TI.


9

Unii fabricanţi de aparatura masoara comportarea integrala prin viteza de integrare (repetari pe minut rata de integrare sau revenire/minut) RPM, cu observaţia ca, RPM = 1/MPR.

t (min)

4%

t (min)

0 21

510

15

%

%

% 80%

1, 25

4 1, 25 5%

1min(1 )

1/1 1

R

I

BP

K

u

T MPR

RPM

Interpretarea fizica a constantei de integrare TI TD – constanta de timp de derivare: interpretarea fizica a cestei constante este ca

raspunsul reglajului derivativ va fi egal cu cel al reglajului proporţional ce va apare dupa un timp TD minute (secunde) şi se va aplica imediat la ieşire (real dupa o mica intârziare).

t

%

0 1 2 3 4

5

10

t0 1 2 3 4

5

10

%

% 100%

1

2min

R

D

BP

K

T

Interpretarea fizica a constantei de derivare TD

Un regulator automat este constituit din mai multe subsisteme, principale fiind elementul de comparaţie şi subsistemul care relizeaza legea de reglare.

Comparatorul cel mai simplu al unui regulator este dat in figura de mai jos, marimile de comparaţie fiind semnale in curent. Aceste semnale sunt convertite in tensiuni. Comparatorul permite determinarea marimii şi sensului erorii: in fig.11.b se da o schema mai completa care cuprinde şi un comutator al modului de acţiune direct sau invers

CD/I. Alegearea tipului de acţiune este dictata, in general, de tipul organului de reglare.


10

.

+

-

ø

øø ø

250 ΩR1

250 ΩR2

ø

4 20 mA

4 20 mA

x

y

+

-

ø

ø

ø

uyr

uy

o

oo

1

2

o

oo

1

2

CD/I

u

a) b)

Element de comparaţie

a) element de comparaţie simplu; b) element de comparaţie şi comutator al acţiunii direct-invers Blocul de reglare este realizat cu ajutorul unui amplificator, de obicei amplificator

operaţional, prevazut cu circuite specifice pe reacţie şi intrare pentru a se realiza legea de comanda dorita.

2. Termenul de polarizare.

Termenul de polarizare se ia frecvent egal cu 50% din marimea de comanda. Deci, marimea de comanda la un regulator P trebuie sa fie egala cu 50% atunci când ryy independent de amplificarea regulatorului.

3. Prezenţa componentei I conduce la o valoare a comenzii care va ieşi din plaja de reglaj, aparând aşa-numitul fenomen de saturaţie.

b. Aspecte privind realizarea legilor de reglare

O problema importanta in funcţionarea unui regulator este problema comutarii referinţei. In funcţionarea regulatoarelor ne intâlnim destul de des cu problema comutarii marimii de

comanda. ii) Regulatoare continue neliniare

La regulatoarele continue neliniare, dependenţa dintre marimea de comanda u(t) şi

eroarea ( )t este neliniara. Principalele tipuri de regulatoare neliniare sunt:

- regulatoarele bipoziţionale (“tot sau nimic”); - regulatoarele tripoziţionale.


11

Daca la un regulator continuu in funcţiune, marimea de la ieşire a regulatorului in domeniul admis poate accepta orice valoare, marimea de ieşire a regulatorului bi- si tripoziţional poate avea intotdeauna numai 2 sau 3 valori determinate (stare de comutare).

u +

-

y

v

+

+Regulator bi-

sau tripozitional PROCES

Sistem de reglare automata cu regulator bi- sau tripoziţional

Un regulator bipoziţional poate fi pe rând pe una din poziţii “conectat” şi “deconectat” ale

unui comutator, iar un regulator tripoziţional, de exemplu, pe una din cele trei pozţii “inainte”, “inapoi” şi “repaus” ale unui motor. In acest fel acest regulator se realizeaza printr-un simplu element comutator, a carui caracteristica statica este indicata in tabelul 2.

Acest tip de regulator poate fi prevazut cu o reacţie interna cu o comportare in timp

ajustabila.

-a

a

b

-b

xi

Kr, Tr

xr

_

+ u

PD

a)

xi

Kr, Tr

xr

_

+

PID

Tr1

b)

xi

Kr, Tr

xr

_

+

PI Tm

mu

c)

Principalele regulatoare bi- si tripoziţionale cu reacţie interna


12

a. Regulatoare bipoziţionale

u()

+um

-um

0

u()

+um

-um

0-P P

a) b)

Regulator bipoziţional: a) caracteristica ideala a unui regulator bipoziţional; b) caracteristica reala a unui regulator bipoziţional

b. Regulatoare tripoziţionale Regulatorul tripoziţional ofera posibilitatea stabilirii unei valori suplimentare intre – um şi

+um pentru marimea de comanda. Caracteristica statica a regulatorului tripoziţional ideal este redata in figura de mai jos:

u( )

+um

-um

0-P P

u( )

+um

-um

0-P P

-P +P-

a) b)

Regulator tripoziţional: a) caracteristica ideala; b) caracteristica reala

Clasificarea elementelor neliniare ale unui sistem de reglare automata

1.

- a a- b

b

xi

xe

xi xe

Limitare

2.

- b

b

xi

xe

xexi

Comportare bipozţtionala (tip releu)

3. -a

a-b

b

xi

xe

xi xe

Comportare tripoziţionala

7.

xi

xe

xi xe

Histerezis (in angrenaje)

8.

xi

xe

xi xe

Caracteristica neliniara oarecare

9.

xi

xe

xexi

Cuantizare


13

4. - a

a xi

xeα

αxi xe

Zona moarta (cu insensibilitate)

5. - a

a xi

xeα

αxi xe

Cu histerezis

6. - a

a xi

xeα

αxi xe

Comportare tripoziţionala cu histerezis

10.

xi

xe

xi xe

Formarea modulului

11.

xe

xi1

xi2 Multiplicare

12.

••

xe

xi1

xi2 Imparţire

B. Regulatoare discrete (regulatoare numerice) Se cunosc doua versiuni de regulatoare discrete: regulatoare cu impulsuri şi regulatoare

numerice, ultimele fiind cele mai utilizate deoarece ele funcţioneaza pe principiul microsistemelor de calcul, similare calculatoarelor de proces.

i) Regulatoare in impulsuri

Un regulator funcţionând in impulsuri nu primeşte eroare )(t in mod continuu, ci in mod

discret.

Prin eşantionare, se preiau valorile instantanee ale marimii continue ( )t la intervale de

timp fixe, T , pe o durata foarte scurta,T , obţinându-se astfel semnalul discret ( ).t Acest semnal constitue intrarea in regulator, care dupa prelucrarea erorii discrete conform algoritmului

implementat prin structura, produce la iesire o marime de comanda u t ( ), tot sub forma de impulsuri, de aceeaşi frecvenţa 1 /T ca cele de intrare. Intr-un sistem automat in care toate

celelalte blocuri sunt continue, semnalul de comanda u t ( ) al regulatorului in impulsuri este reţinut pe durata T , pâna la sosirea unui nou impuls, prin intermediul unui element de reţinere. Dispozitivele de esantionare a marimilor de intrare şi ieşire sunt de cele mai multe ori incluse constructiv in regulatorul discret.

ii) Regulatoare numerice

Realizarea numerica a unei legi de reglare este justificata in principal de urmatoarele

cauze: a. posibilitatea de incadrare a regulatorului numeric intr-un SRA numeric complex, in care

sa se realizeze şi funcţii de supraveghere, testari de limite, analize şi rapoarte periodice, afişari grafice ale unor marimi calculate sau de proces;

b. pentru procese lente, cu constante de timp mari, devine posibila conducerea cu acelaşi regulator numeric, in timp divizat a mai multor bucle de reglare;


14

c. posibilitatea de integrare a regulatorului numeric intr-un sistem ierarhizat, condus prin calculator;

d. posibilitatea modularizarii prin program (software) a structurilor de reglare (P,PI,PID, neliniare) şi a configurarii simple, prin cuplarea rutinelor menţionate, a unor structuri de reglare in cascada, de raport, multipla, s.a.

e. posibilitatea implementarii unor algoritmi de reglare evoluaţi (ex: conducerea dupa stare).

Marimile cu care opereaza un regulator numeric sunt marimi eşantionate in durata şi eşantionate in amplitudine:

Eşantionarea in durata: se preiau valorile marimilor la momente discrete de timp. Condiţia este ca frecventa de eşantionare sa fie de cel puţin de doua ori mai mare ca

frecventa maxima continuta in semnalul analogic pentru a nu apare pierdere de informaţie utila. Practic aceasta frecventa se ia de 8 – 10 ori mai mare decât frecvenţa proprie a procesului condus.

Eşantionarea in amplitudine consta in inlocuirea mulţimii continue a valorilor semnalului cu o mulţime discreta, finita de valori. Algoritmii de reglare se pot prezenta in doua forme: algoritmi de poziţie şi de viteza.

Pentru o lege de comanda PID avem urmatoarele expresii: - algoritmul de poziţie (absolut)

00

)1()()()()( u

T

nnTj

T

TnKnu

n

jD

IR

- algoritmul de viteza (incremental)

)2()1(2)()()1()(

)1()()(

nnnT

Tn

T

TnnK

nununu

D

IR

cu T – perioada de esantionare; )()();()( nTununTn

ou - valoarea initiala a comenzii (polarizare);

RK - factorul de amplificare;

DT - constanta de derivare;

IT - constanta de integrare.

Pe linga numeroasele şi evidentele avantaje, reglajul numeric are şi o serie de dezavantaje, cum ar fi:

- sensibilitate la zgomot, ceea ce impune o filtrare numerica sau analogica; - introduce timp mort datorita procesului de eşantionare, fapt ce se poate evita prin marirea

frecvenţei de eşantionare; - eroarea de discretizare, in special evidenţa la acţiunea derivativa: se cauta sa fie evitate

astfel de componente in legea de comanda.


15

Observatii: 1. In general, modelul discret a unui sistem se poate obţine printr-o procedura de discretizare

a funcţiei continue (exemplu: metoda dreptunghiului, metoda trapezelor, metoda Runge-Kutta, etc.) sau direct din transformata Laplace sau cu ajutorul transformatei z.

2. Prin semnal numeric (in cadrul acestei lucrari) vom inţelege semnalele cuantizate in valoare (amplitudine) in cuante echidistante şi eşantionate in timp.

3. Vom prezenta câteva aspecte legate de reglarea numerica:

Rezoluţia ieşirii din CAN depinde de lungimea cuvântului in biţi. Intrucât fiecare bit poate avea valoarea 0 sau 1 şi n biţi pot genera 2n stari. De exmplu un CAN poate genera 1 bit ce ne poate indica daca o temperatura se afla in jumatatea de jos a domeniului (valoarea 0) sau in cea de sus (valoarea 1): rezoluţia va fi 0,5 sau 50%.

In practica ieşirea lui CAN este pe 11 sau 12 biţi cu rezoluţia 0,05% (1/2048) sau 0,0025% (1/4096).

Algoritmul de reglare numeric convenţional PID se foloseşte in special, in forma

algoritmului de viteza )2()1()()( 321 nanananu

unde a1, a2, a3 sunt constante ce depind de T, TI, TD, K. Aceasta forma necesita opt locaţii de memorie (valoarea polarizarii, deci a valorii de regim staţionar poate fi atribuita ca valoare iniţiala) şi efectuarea a şapte operaţii.

Semnalul inainte de a fi introdus in sistemul numeric de conducere trebuie sa fie filtrat

analogic şi/sau numeric. Intradevar, fie un semnal continuu care conţine şi un semnal de inalta frecvenţa :

0 T 3T 4T 5T2T 6T

Zgomot de joasafrecventa

Zgomot de inaltafrecventa

Nivel mediu de zgomot

Generarea zgomotului de joasa frecvenţa

Intr-un semnal continuu, nivelul de zgomot nu afecteaza, in general, marimea de ieşire

deoarece frecvenţa sa este prea mare pentru a influenţa funcţionarea componentelor relativ lente ale sistemului. Intr-un sistem numeric zgomotul poate fi şi el eşantionat la momentele kT. Se poate observa generarea unui zgomot de joasa frecvenţa; de frecvenţa mai mici decât a celui original. Prezenţa acestuia afecteaza performanţele echipamentului numeric, deoarece intra in


16

domeniul frecvenţei de eşantionare şi deci in spectrul de frecvenţa al raspunsului procesului. Acest efect este cunoscut sub numele de eroare de reprezentare.

Se impune deci filtrarea semnalului inainte de eşantionare. Cea mai simpla forma a unui filtru numeric poate fi descrisa prin relaţia:

)()1()1()( nyqnyqny ff

unde

)(ny f - marimea filtrata la a n-a eşantionare;

)(ny - marimea de la intrarea filtrului (inclusiv zgomotul) la a n-a eşantionare; 10 q - parametrul filtrului.

Se observa, ca la q = 0, nu evem filtrare, iar la q = 1 marimea masurata este ignorata. O valoare curenta este q = 0,15.

Intre doua eşantionari succesive CAN are ieşirea menţinuta la o valoare constanta de

extrapolatorul de ordinul zero. In figura de mai jos se ilustreaza comparaţia dintre un semnal continuu analogic şi semnalul eşantionat de ieşirea CAN. Extrapolatorul va introduce un timp mort egal cu T/2, ceea ce reduce marginea de amplitudine (amplificare) a buclei. Efectul este cu atât mai redus cu cât frecvenţa de eşantionare este mai mare.

0 T 2T 7T6T5T4T3T

Iesire de la CNA

( ),u t tSemnal continuu

Semnal intarziat

)2

(T

tu

)(~ tu

u

t

Apariţia timpului mort in urma eşantionarii şi extrapolarii (de ordin zero)

Datorita eşantionarii semnalului continuu analogic va aparea o eroare de eşantionare. In cazul unei marimi analogice, exista un prag inferior (cel mai puţin bit semnificativ –

cmpbs) sub care nu mai pot fi detectate variaţiile marimii. In figura de mai jos se exemplifica acest lucru pe contribuţia acţiunii derivative, când viteza de variaţie a marimii analogice este mai mica de un bit pe un interval de eşantionare. La depaşirea pragului de insensibilitate, intrarea se modifica cu un bit pe eşantion. La urmatoarea


17

eşantionare, derivata este din nou zero, deoarece variabila continua s-a modificat cu o cantitate sub pragul de insensibilitate. Din acest exemplu rezulta şi faptul ca, acţiunea derivativa se foloseşte rar deoarece produce pulsaţii nedorite la vanele de reglaj.

T

Iesire derivativa

Marime analogica

Eroare de discretizare

Revenind la cele doua forme ale unui algoritm de reglare numeric, de poziţie şi de

viteza, remarcam ca al doilea prezinta avantajul ca nu necesita iniţializari ca primul pe de o parte, iar pe de alta parte permite comutari AUTOMAT-MANUAL fara şocuri la elementul de execuţie. Algoritmul incremental se foloseşte cu elemente de execuţie de tip integrator.

Pentru realizarea legilor de reglare numerica, se prezinta doua variante constructive:

a) Elementul de execuţie ce urmeaza blocului de reglare are o funcţie de transfer aproximativ proporţionala. In acest caz legea de reglare se realizeaza in intregime in interiorul regulatorului. In figura de mai jos este prezentat un dispozitiv de reglare PI, in varianta in care eroarea este analogica.

y

-

+

+

+

u m

+-

yr* u*

Comparator analogic CA/N

P

I

CN/A EE

Regulator numeric PI b) Elementul de execuţie are un caracter integrator. In acest caz se prefera ca şi

elementul de execuţie sa fie introdus in blocul de reglare.


18

In figura urmatoare se prezinta o varianta de realizare a unui regulator PI, cu elementul de execuţie de tip I.

+

+

u mu*

D

P

CN/A EE

Regulator PI cu element de execuţie I Pentru obţinerea unui bloc de reglare PID se pot utiliza schemele bloc din figura de mai

jos. In cazul utilizarii motoarelor pas cu pas ca elemente de execuţie discrete, prezenta convertoarelor numeric-analogice nu mai este necesara.

I +

+

D

*

+

u*

P

+

+

D

*

+

u*

I

Regulatoare numerice PID

Exemplificare: Regulatorul multifunctional SIPART DR 24 Se va face o prezentare generala a echipamentului, cu scopul de a se pune in evidenta

modul de operare, facilitatile oferite de echipament si posibilitatile de utilizare. Utilizarea sa nu necesita cunostinte de programare; Se poate utiliza in orice structura de conducere: individual, cu echipamente

analogice si numerice, in sisteme distribuite sau cu calculator de proces. Constructie modulara, ceea ce asigura un service rapid; In memorie sunt stocate o serie de functii de baza si complexe ale unitatii

functionale: a) Functii matematice: , , , , valoare absoluta, valoare reciproca, generator

de functii, logaritm, functia putere, negare, radical etc.; b) Functii de timp: filtru adaptiv, ”trecere sus”, ”trecere jos”, integrator (cu

intrare analogica si/sau binara), timp mort, timer etc.; c) Functia de comparatie: selectie de max - min, limitare etc; d) Functia de reglare: PID cu iesire continua, neliniar tripoziional, reactie; e) Functie logica: SI, SAU, NAND, NOR, bistabil D, numarator, etc;


19

f) Comutator: de marimi binare si analogice, multiplexor g) Functii de memorare: analog, Max, Min, integrator, etc; h) Generator programabil.

Aspectul de baza este constituit din urmatoarele elemente de baza: Panoul frontal cu elemente de afisare si manevra (service); Placa de baza cu CPU si clemele de legaturi; Carcasa si sursa de alimentare.

FIC-105 (m3/h)

Revine la modulde operare proces

Modificare referinta

Comutare automat/ manual

Start configurare

Reglarea marimii de executie("creste"/"scade")

Numeparametruy (digital)

Valoareparametru yr

(digital)

y(analogic)

Referinta interna

Nefunctionare

Adaptare: continuu(terminat),intermitent (adaptare in funtiune)

Semnalizare "manual":continuu(intern),intermiternt(extern)

Semnalizare la comanda externa

OUT

%

Marimea de iesire dinregulator (%)

A1

A2

A3

A4

Panoul frontal al SIPART DR24 Regulatorul dispune de:

Intrari: 3 analogice, 4 digitale; Iesiri: 3 analogice, 8 digitale; Pâna la 4 bucle de reglare.


20

Elemente de executie 1. Rolul şi locul elementului de execuţie intr-un SRA. Clasificari. Elementul de execuţie (EE) este acel subsistem al unui SRA prin intermediul caruia

sistemul de conducere sau regulatorul automat acţioneaza asupra procesului propriu-zis. El este constituit din doua subsisteme principale: - elementul de acţionare (servomotor, motor) EA; - organul de reglare OR. După EA (element de actionare) si OR (organ de reglare)se pot da următoarele

clasificări:

Elemente de executie

dupa Elementul deactionare (motor) EA

Electrice- motor rotativde c.c. sau c.a- mutatoare cutiristoare- Electromagnetic

Pneumatice Hidraulice Electrice- Reostatic- Intrerupator

dupa Organul dereglare OR

Mixte Electrice(robinet, vana, clapeta)

- dupa forma capului- dupa numarul. de scaune- dupa forma opturatorului

- cu membrana- cu piston (cu 1sau 2 fete active)

- rotative

Dupa modul in care EE acţioneaza asupra procesului, se deosebesc doua posibilitaţi: cu

acţiune continua şi cu acţiune discontinua. Din punct de vedere al relaţiei intrare-ieşire, EE pot fi cu acţiune integrala sau proporţionala şi de aceasta dependenţa trebuie sa se ţina seama in stabilirea legii de comanda.

SC(RA)

EE P T+

_

Rolul şi locul EE.


21

Elemente caracterizante unui EE

Alegerea unui EE consta, in mod practic, in alegerea organului de reglare şi, corelat cu acesta, a elementului de acţionare. La alegerea OR se au in vedere, in primul rând, caracteristicile constructive legate de tipul OR (electric sau neelectric), tipul variantei constructive (a corpului OR, numarul de scaune, forma opturatorului) şi in funcţie de temperatura, corozivitate şi toxicitatea mediului de lucru.

EA

Element de executie (EE)

u h mElement deactionare

Organ de reglare

OR

Subsistemele constituente ale unui element de execuţie Dimensionarea propriu-zisa a OR se face pe baza caracteristicii intrinseci, ţinând cont de

datele iniţiale (debitul de fluid, mediul de lucru, caderea de presiune, etc). In alegerea EE trebuie sa se ţina seama, de asemenea de asigurarea unei funcţionari sigure, de caracteristicile statice şi dinamice, de domeniul de liniaritate, de viteza de raspuns, etc.

Elemente de acţionare. Studii de caz.

Elemente de actionare pneumatice

b a1


22

h

t

Real

Ideal h( t )

pu(t) a2,2)

a2,1)

pu

h(t)

pu(t)

a1 - schema constructiva simplificataa2,1 - caracteristica staticaa2,2 - caracteristica dinamicab - element de actionare la deschidere

Elemente de actionare Imbunatatirea caracteristicii statice şi dinamice a EA cu membrana se realizeaza prin

utilizarea unui poziţioner a carui schema constructiva simplificata este data in figura de mai jos.

SM

h

TP

hu

pu pu1

p0

hr

B

AP

a)

+

p0

TP

pU1

AP SM ORu mh

_

pU hU

B

hr

h

pu

b) c) Elemente de acţionare pneumatic cu membrana cu poziţioner:

a) schema constructiva; b) schema bloc; c) caracteristica statica


23

Poziţionerul este un accesoriu montat pe vana şi este prevazut, de regula, cu un ventil de ocolire (sau intrerupator) care permite scoaterea lui de pe traseul dintre semnalul de la regulator şi EA. Acest lucru este necesar in timpul unor operaţii de intreţinere. Acţionarea acestui ventil de ocolire se face dupa ce s-a verificat daca poziţionerul amplifica sau restrânge domeniul de reglaj sau daca a fost sau nu folosit cu funcţie inversa (inversarea semnalului).

Elementele de acţionare cu piston

h

pu

h

a) b) Elemente de acţionare pneumatice cu piston :

a) cu simplu efect ; b) cu dublu efect Elemente de acţionare electrice

Organe de reglare Organele de reglare pot fi:

- electrice ; - neelectrice.

Prin caracteristica lor statica şi dinamica OR influenţeaza stabilitatea SRA, precum şi

calitatea procesului de reglare (conducere). De exemplu, prin alegerea corespunzatoare a EA şi a OR se pot compensa neliniaritaţile celorlalte elemente din bucla de reglare (figura de mai jos).

PC

1/A

PTp

RA

EE P+Tppr +

_

Compensarea neliniaritaţilor prin EE

Caracteristica intrinseca se defineşte pornind de la expresia debitului Q ce trece prin robinet.

rr PSQ 21


24

unde: - coeficientul de pierdere (rezistenta) locala; - densitatea agentului de reglare; Sr – secţiunea de trecere a robinetului;

rP - pierderea de presiune remanenta prin frecare. Notam cu

rv SK 1

2

şi obţinem

r

v

PKQ

sau

r

vP

cK

Pentru un robinet de reglare, parametrul Kv se poate exprima in funcţie de cursa h a axului

acestuia hKK vv

care reprezinta caracteristica intrinseca a robinetului Kv nu depinde de restul ansamblului, ci numai de construcţia robinetului şi se poate

exprima numeric prin debitul unui fluid de = 1 kg/dm3 care trecând printr-un robinet de

reglare, determina rP =1 daN/cm².

Livrarea robinetelor de reglare se face in funcţie de Kv şi acestea sunt realizate cu caracteristici intrinseci de diverse tipuri: liniare, parabolice, logaritmice.

Caracteristica de lucru definita prin relaţia:

( )Q Q h ţine cont de rezistenţa hidraulica a conductei pe care are loc o cadere de presiune Pc şi careia i se poate asocia un parametru Kc, coeficient de debit, analog cu Kv

Q KP

cc

Factorul de amplificare al vanei este dat de panta caracteristicii. Vana liniara are 1ORk

in timp ce caracteristica parabolica are kOR mic in vecinatatea poziţiei inchis pentru a atinge valori mari in pozitia inchis. Vana cu inchidere rapida se comporta invers in raport cu vana parabolica.

Pentru sistemele condiţionat stabile, factorul de amplificare trebuie sa nu depaşeasca o

valoare maxima.


25

Deoarece:

RA EE P TK k k k k

cu

EE EA ORk k k

unde: k0 - factorul de amplificare al regulatorului; kEE - factorul de amplificare al elementului de execuţie; kOR - factorul de amplificare al organului de reglare; kEA - factorul de amplificare al elementului de acţionare; kP - factorul de amplificare al procesului; kT - factorul de amplificare al traductorului Rezulta ca kOR trebuie sa compenseze pe kP. In caz contrar, ar trebui sa avem o ajustare

permanenta a lui k0. Rezulta ca vana trebuie sa compenseze variaţiile amplificarii pentru un domeniu larg de

regimuri de funcţionare.Vom exemplifica modul de alegere a vanei functie de tipul procesului: - Daca prin vana se face o tranzitare a unui debit de fluid de la un sistem cu presiune inalta

constanta la un sistem de joasa presiune, cu nivel redus de pierderi prin frecare (distincte de cele ale vanei propriu-zise), atunci K este practic constant şi se va alege o vana cu caracteristica liniara;

- Daca sistemul are pierderi PC mari in raport cu caderea de presiune pe vana, deci amplificare mai mare la debite mici şi mai mici la debite mari, se alege o vana cu caracteristica parabolica;

- Vana cu deschidere rapida se foloseşte in situaţiile unui reglaj de tip deschis/inchis, ca de exemplu, la un sistem de avarie.

-

0.2 0.6 1

0.2

0.6

1KV

K100

hh100

0.2 0.6 1

0.2

0.6

1

hh100

QQ100 1

2

3

4 5

a) b)

Caracteristicile statice ale organelor de reglare: a) caracteristica intrinseca ; b) caracteristica de lucru ( 1 – ventil cu inchidere rapida ; 2 – ventil

liniar ; 3 – ventil cu bila ; 4 – ventil fluture ; 5 – ventil parabolic)


26

Sisteme de achizitie de date (DAQ)

Achizitia de date este procesul de masurare al unui fenomen electric sau fizic cum ar fi

tensiunea, curentul, temperatura, presiunea sau sunetul. Achzitia de date bazata pe PC foloseste o combinatie de hardware modular, software de aplicatie si un calculator pentru realizarea masuratorilor.

Componentele unui sistem de achizitie de date sunt:

1. Traductoare 2. Conditionarea semnalului 3. Echipamente de achizitie de date 4. Drivere si software de aplicatie

.

Diagrama bloc a unui sistem de achizitie de date cu PC

Consideratii pentru alegerea optima a sistemului de achzitie de date

1. Tipuri de masuratori si canale de intrare/iesire 2. Forma constructiva 3. Software si limbaje de programare 4. Considerente de performanta


27

Exemplificare Placa de achizitie de date pe interfata PCI, tip Humusoft MF624

Placa de achizitie de date PCI Humusoft MF624

Caracteristici: opt intrari analogice unipolare pe 14 biti; opt iesiri analogice pe 14 biti; conversie analog/numerica rapida; 8 intrari digitale, 8 iesiri digitale; patru intrari de encoder in cuadratura (unipolare sau diferentiale); patru numaratoare/timere; consum redus de energie; include drivere pentru platforme multiple (MATLAB,RTWindows, xPC, Windows)

Aplicatii: Masuratori de tensiune CC; Interfatare de senzori si traductoare; Analiza de vibratii si tranzitorie; Monitorizare si control de proces; Achizitie si analiza de forme de unda; Achizitie de date multicanal; Simulari in timp real; Iesire de tensiune programabila; Masuratori de pozitii; Sisteme servo; PWM; Masuratori in frecventa; Masuratori de timp;


28

Generare de pulsuri/frecventa; Numarare de pulsuri.

Specificatii tehnice

Intrari analogice Canale: 8 unipolare Convertor A/N: 14 bit, esantionare simultana Timp de conversie: 1,6 microsec., 1 canal 1,9 microsec., 2 canale 2,5 microsec., 4 canale 3,7 microsec., 8 canale Gama de intrare: +- 10V Impedanta de intrare: 1010 Ohm Comanda trigger: Software, timer, externa

Iesiri analogice Canale: 8, 14 bit Gama de iesire: +- 10V Curent de iesire: 10 mA max. Timp tranzitoriu: 31 microsec., schimbare FC la +-1/2 LSB Intrari/Iesiri digitale Linii de intrare: 8, compatibile TTL Linii de iesire: 8, compatibile TTL Timer/ Numarator Numar de canale: 4 Rezolutie: 32 bit, 20ns Moduri: PWM, numarator, generare de impulsuri Intrari encoder Canale de intrare: 4, unipolare sau diferentiale Intrari: A, B, Index Frecventa de intrare: ma 2.5MHz Rezolutie: 32 bit General

Consum energetic: 500 mA @ +5 V 150 mA @ +12 V 150 mA @ -12 V Temperatura de operare: 0 – 50 C (32 – 140 F) Conector: 2 x DB-37 F Interfata: PCI 5V sau 3.3V


29

2. Aspecte ale software-ului sistemelor informatice destinate conducerii proceselor

Dupa cum s-a mai amintit, un calcultor devine calculator de proces, prin aceea ca, prin

intermediul elementelor de cuplare la proces (prin care se realizeaza schimbul de informatii spre/ si de la proces) si a programelor, poate sa lucreze in timp real (on real-time) cu procesul tehnologic la care a fost cuplat. Aceasta inseamna ca intre timpul de reactie (raspuns) al procesului Tp la o perturbatie si cel al calcultorului Tc trebuie sa existe o relatie de forma pc TT daca procesul este rapid sau

pc TT , pentru un proces lent.

CALCULATOR

Cerere RaspunsReactieproces

Programede utilizare

TC

Tp

1 2 3 4 5 6 1 2

a)

b)

CALCULATOR

Cerere Raspuns Reactie proces

Pro

gram

e de

uti

liza

re

Program 1

Program 2

Sistem deprogramepentru comandain timp real

TC

Tp

P R O C E S

P R O C E S

Relationarea intre Tc si Tp in functie de tipul procesului:

a) process rapid Tc Tp; b) proces lent Tc << Tp


30

Un calculator de proces (ce functioneaza in timp real) se poate caracteriza prin coeficienti de forma:

tipici

i ttt

p 1

cu

N

iip

1

1

unde: tci – timpul de ciclare al prelucrarii pentru programul i; tpi – timpul de prelucrare al programului i; tti – timpul de transfer al programului i. In realitate, in locul unitatii, din relatia de mai sus, se ia 0,7, deoarece se considera ca timpul efectiv de lucru este de 70%, restul de 30% fiind rezervata intreruperilor, testarilor in functionare, etc. Hardware-ul are functia de a asigura suportul de implementare a software-ului. Privit din punct de vedere al partii de software, calculatorul de proces poate fi considerat a fi organizat pe trei nivele, asa cum se poate vedea in tabelul de mai jos.

NIVELUL 1 Translatoare, sisteme descrise in alte limbaje decat cele ale masinii

Formule, tabele, Scheme logice

NIVEL 2 Copilatoare, sisteme de operare Parametrii specifici macroinstructiunilor

NIVEL 3 Asambloare, subrutine Codificare simbolica

Nivelele de organizare software in calculatoare numerice. Sistemul general de programe a unui calculator de proces poate fi reprezentat sub urmatoarea forma:

UTILIZATOR

PROGRAME DE APLICATII

MACROPRELUCRAREASAMBLOARECOMPILATOARE

CAUTARE SI SORTAREDEPANAREINCARCARE EDITARE

ADMINISTRAREAPERIFERICELOR

ADMINISTRAREAMEMORIEI

SISTEME DESUBRUTINE

PROGRAME I/ESISTEME DE

FISIEREPLANIFICATOR

Sistemul general de programe ale unui CP

La realizarea conducerii cu calculatoare de proces specificul programarii rezida in urmatoarele probleme:

- posibilitatea calculatorului de a raspunde instantaneu la semnalele de prioritate emise de procesul condus, capacitate ce se datoreaza sistemului de intreruperi;


31

- capacitatea sistemului de a primi date direct de la aparatajul de masura si reglare a procesului;

- necesitatea de a se asigura o fiabilitate ridicata fluxului informational si de conducere calculator – proces – calculator, precum si formularii corecte a restrictiilor temporale in scopul controlului in timp real;

- cerinta ca timpul real in care calculatorul este ocupat cu o anumita operatie sa fie strict corelata cu timpul in care se produc alte evenimente, exterioare fata de calculator;

- posibilitatea conducerii continue a procesului de catre calculator, pe de o parte si de executie al altor algoritmi in timpul in care calculatorul nu este ocupat cu algoritmul de conducere a procesului, pe de alta parte.

Pregatirea programelor pentru calculatorul de proces comporta principial doua etape importante:

a) descrierea sistemului analizat si codificarea informatiei primare; b) descrierea algoritmilor de reglare destinati conducerii procesului si efectuarea unor

calcule si operatii. In scopul cresterii flexibilitatii in programe exista tendinta de organizare modulara a sistemului de programe destinate conducerii procesului.

PRELUCRARE INFORMATII

PROCES

CULEGEREA INFORMATIEIDE LA PROCES SI DDC

CALCULUL MARIMILORDE REFERINTA

OPTIMIZARE SI ADAPTARE

REGLAJ

SISTEMULOPERATIV

Schema de organizarea modulara a programelor intr-un CP

Este de mentionat ca modulul de prelucrare a informatiei contine o formulare matematica a algoritmului de prelucrare a masuratorilor, dupa cum modulul de optimizare si adaptare include managementul unei baze de date pentru legatura cu nivelele superioare, ca si programul de modificare pe baza rezultatelor curente, a algoritmului de control. Acest program de modificare poate fi evaluat off-line, la cererea programului de control al sistemului operativ executabil in


32

timp real. Este de mentionat ca sistemul operator este cel ce asigura prelucrarea si memorarea “flexibila” a datelor si rezultatelor. Existenta sistemelor de operare este legata de necesitatea alocarii si administrarii resurselor calculatorului, de satisfacerea cerintelor celor mai variate ale utilizatorilor. El trebuie sa raspunda corespunzator la aparitia evenimentelor externe.

MONITOR I/E

CONDUCERE-EXPLOATARE

PLANIFICARE DE CATREPROGRAMUL DE CONDUCERE

MONITOR DE ERORI

INTRERUPERI

masina de scris - supraveghereidem pentru bilantareoperator

programe si subprogramede conducere

proces

analiza avarie siprogram de executie

aparate de masura

SISTEMOPERATIV

Principalele cereri externe solicitate sistemului de operare

Programul de conducere a procesului prin calculator de proces poate fi organizat in trei moduri:

- functionarea prin intreruperi; prelucrarea cererilor intamplatoare din proces pe baza planificata;

- functionarea dupa timp; necesitatea de a prelucra fiecare element al sarcinii de conducere la momente precise sau cu o frecventa precisa;

- functionarea secventiala; executarea secventiala standard a sarcinilor. Legat de aceste aspecte este mentionat ca sistemele de conducere cu calculatoare de proces pot avea diverse structuri (arhitecturi). Problema programarii unor astfel de sisteme va fi determinata de complexitatea procesului si a echipamentului, timpii de raspuns, frecventa mesajelor si distribuirea lor, etc. In functie de complexitatea sistemului, programele unui sistem de conducere functionand in timp real trebuie sa rezolve cateva sau toate din urmatoarele probleme: controlul liniilor de comunicatie, coordonarea dinamica a timpului datorita succesiunii aleatoare a evenimentelor, tratarea sarcinilor, manipularea sirurilor de asteptare, alocarea prioritatilor (care poate fi un atribuit permanent al sarcinii sau ii pot fi atribuite cand respectiva sarcina este activata) si alocarea dinamica a memoriei, siguranta mare in functionare si masuri speciale in cazul unor defectiuni de echipament, multiprogramare si multiprelucrare. Limbajele pentru aceste calculatoare sunt in general limbaje procedurale, in sensul ca majoritatea starilor descrise sunt executabile. Ele trebuie sa fie in concordanta cu doua caracteristici de baza ale aplicatiilor de conducere a proceselor, respectiv operatiile executabile sa fie programabile iar eficienta timpului de calcul sa fie maxima.

Documents

MODULUL 3: SISTEME NUMERICE DESTINATE CONDUCERII …Interfata cu echipamentele periferice ... Dupa marimea de intrare z Dupa marimea de iesire y Electrice Neelectrice Analogice Numeric