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. 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
Proces controlat
Elem. de execuţie
Regulator
Traductor + - VP VM C m ε VE

5. 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.
Senzor
Adaptor de semnal
Mărime fizică
Semnal transmis

6. Traductoare semnalul transmis de traductor: semnal analogic:
semnale unificate (standard):
de tensiune: [0-5V]; [0-10V],[ V]
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 e = e0 + k * ΔT
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 anumită temperatură
e0 – tensiunea generată de joncţiune la temperatura de 0ºC
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
Simbolul termocuplului
Perechea de metale
sau aliaje
Domeniul de măsură B
Platină 30% Rodiu (+)
Platină 6% Rodiu (-) C C
Tungsten 5% Reniu(+)
Tungsten 26% Reniu (-) C E
Crom (+)
Constantan (-) C J
Fier (+) C K
Aluminiu (-) C R
Platină 13% Rodiu (+)
Platină (-) C S
Platină 10% Rodiu (+) C T
Cupru (+) Constantan (-) C

13. 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 ( ºC)
Dezavantaj:
problema “punctului rece”
valori mici ale tensiunii generate/grad Celsius
necesita contact fizic cu obiectul masurat
Termocuplu
Cablu de transmisie
Cutie termostatată e

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 cu temperatura
Δt – temperatura măsurată în ºC
valorile nomonale sunt standardizate: R0 = 100, 200Ω
Caracteristici:
linearitate relativ bună a funcţiei de transformare
plajă mare de temperatură ( ºC)
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. 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) p1 p2 Δh p a. b. c.

19. Debitmetru electromagnetic
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 e N S
Debitmetru electromagnetic p1 p2 a. b. c.
Măsurarea debitului: a. prin presiune diferenţială, b. prin cuplu mecanic, c. prin efect de rotaţie

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

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

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

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