Cap 1 Patrascioiu

8/10/2019 Cap 1 Patrascioiu

1/77

1. Introducere n automatizarea proceselor chimice

1. Introducere n automatizareaproceselor chimice

Industria chimic reprezint un teren propice pentru conducerea automat aproceselor tehnologice i ca urmare unele dintre cele mai reprezentative aplicaii igsesc loc n acest domeniu. n paralel cu dezvoltarea i perfecionarea tehnologiilorchimice a avut i are loc un progres remarcabil n domeniul conducerii automate nvederea obinerii unor randamente nalte, a valorificrii superioare a materiei prime i ascderii preului de cost.

1.1. Sistem chimic

Sistemulreprezintun ansamblu de elemente aflate n interaciune, cruia i suntspecifice o organizare i un scop. Interaciunile sunt concretizate prinfluxuri de mas, energie i/sau informaie. Scopul asociat fiecruisistem depinde de destinaia acestuia.

Mediul exteriordefinete entitatea aflatn exteriorul sistemului considerat. ntresistem i mediul exterior exist schimburi permanente de mas,energie i/sau informaie.

Mrimile de intraresunt mrimile independente asociate unui sistem. Mrimilede intrare sunt fluxuri de mas i/sau energie care intr sau ies dinsistem. Aceste mrimi pot fi utilizate drept comenzi iaralte mrimi,fluxuri materiale sau energetice, care variaz aleator influenndnefavorabil sistemul, sunt considerate perturbaii. Comenzile i

perturbaiile asociate unui sistem reprezint mulimea variabilelorindependente, figura 1.1.

Mrimile de ieire sunt mrimi dependente i sunt asociate n general calitiiproduselor rezultate n sistemul chimic i uneori cantitii acestora.Valorile mrimilor de ieire depind direct de valorile comenzilor i ale

perturbaiilor ct i de modelul matematic al sistemului.

Starea sistemului chimic este dat de valorile urmtoarelor variabileletermodinamice: temperatura T, presiunea P, concentraia c. ninteriorul sistemului se consider un punct curentM i funcia (M)cereprezint variaia variabilelor termodinamice n raport cu poziia

punctuluiM.

Sisteme de conducere a proceselor chimice

1 - 1


2/77


3/77


Ac - concentraia reactantuluiAn reactor3

m/kmol ;

Bc - concentraia produsului de reacieBin reactor3

m/kmol ;

V - volumul masei lichide din reactor 3m ;

K - constanta vitezei de reacie 1s .

Concentraia produsului B la ieirea din reactor Bc , egal cu cea dinreactor n virtutea ipotezei amestecrii perfecte, constituie indicatorulde calitate al produsului obinut. Din acest motiv, concentraia Bc esteconsiderat una dintre componentele mrimii de ieire. Cealaltcomponent este concentraia reactantului la ieire Ac . Concentraia

produsului Bc este n funcie de debitul Q, n funcie de concentraia

reactantuluiA la intrare 0Ac i n funcie de volumul masei de lichid

V. Toate aceste mrimi sunt mrimi de intrare, concentraia 0Ac reprezentnd perturbaia pentru reactor. Schema bloc a reactorului cuamestecare perfect, considerat sistem cu parametrii concentrai, este

prezentat n figura 1.3.

Fig. 1.3. Schema bloc a reactorului cu amestecare perfect.

Avnd n vedere structura general a unui sistem chimic (figura 1.1),mrimile care caracterizeaz sistemul sunt urmtoarele:

=

V

c

Q

A0X ,

=

B

A

c

cY .

Explicitnd componentele mrimii de ieire n funcie decomponentele mrimii de intrare rezult:

0AA c

KVQ

Qc

+

= ; (1.3)

0AB cKVQ

KVc

+= . (1.4)

Sistemele cu parametrii distribuiisunt sistemele caracterizate prin variaii alevalorilor funciei (M), sau cu alte cuvinte variabilele de stare auvalori dependente de poziie. Exemplul caracteristic l constituiereactorul tubular, figura 1.4 [16]. Pentru acest tip de reactor,variabilele de stare, presiunea, temperatura i concentraia, au valoridependente de poziia curent a punctuluiMn interiorul reactorului.


1 - 3


4/77


Fig. 1.4. Reactor chimic tubular.n interiorul reactorului tubular are loc reacia chimic ireversibilAB. Curgerea avnd loc n regim turbulent, se poate face ipoteza c

proprietile amestecului n seciunea transversal sunt aceleai. Dincauza variaiei concentraiei componenilor de-a lungul reactorului areloc un curent de difuzie axial. Modelul matematic n regim staionareste exprimat prin formularea urmtoare:

+

=

reactiede

produsamolaraVariatia

sistemdin

iesitmolar

Debitul

sistemin

ratintmolar

Debitul

. (1.5)

Pentru reactantulAse poate scrie relaia

( ) dVrdQQQ AAAA += , (1.6)

Semnificaia mrimilor fiind urmtoarea:QA debitul componentului A intrat n elementul infinitezimal al

reactorului dV;dQA variaia debitului componentuluiAla ieirea din sistem;rA- viteza de reacieAB;

dV variaia infinitezimal a volumului reactorului.Relaia (1.6) se reduce la forma

dVrdQ AA = (1.7)

i avnd n vedere faptul c variaia infinitezimal dQApoate fiexprimat cu ajutorulconversiei

AAA dXQdQ 0= (1.8)

se obine ecuaia diferenial


1 - 4


5/77


0A

AA

Q

r

dV

dX= . (1.9)

Sistemele monovariabile sunt acele sisteme care sunt caracterizate printr-osingur mrime de intrare i o singur mrime de ieire. n aceastcategorie se gsesc sisteme de reglare automat asociate unui singur

parametru (temperatur, presiune, nivel), figura 1.5. Semnificaiamrimilor este urmtoarea: P - proces; T - traductor; C - regulator;

EE - element de execuie; i - mrime de referin; r - mrime dereacie; u - comand; m - mrime de execuie; p - perturbaie; y -mrime de ieire.

Fig. 1.5. Sistem de reglare cu aciune dup abatere.

Sistemul din figura 5 poate fi adus la forma prezentat n figura 6,

form caracteristic unui sistem monovariabil.

Fig. 1.6. Sistemul monovariabil asociat SRA.

Mrimea de intrare a sistemului este prescrierea iiar mrimea de ieireeste reprezentat de variabila reglat,y.

Sistemele multivariabile sunt sisteme caracterizate prin mai multe variabile deintrare i mai multe variabile de ieire. Exemplu de sistem chimicmultivariabil l reprezint procesul de fracionare al unui amestec

binar. Acest proces este caracterizat prin dou variabile de intrare(comenzile procesului) i dou variabile de ieire (concentraiacomponentului volatil n distilat i n reziduu). O schem bloc a unui

proces multivariabil este prezentat n figura 1.7. n cadrul sistemuluifiecare mrime de intrare (comanda procesului) influeneaz ambelemrimi de ieire.


1 - 5


6/77


Fig. 1.7. Structura unui proces multivariabil.

n cadrul procesului din figura 1.7, semnificaia mrimilor esteurmtoarea:

u1, u2: mrimile de intrare ale sistemului (procesului);

y1,y2: mrimile de ieire ale sistemului; Hij: funciile de transferpe canalul ji yu .

n regim dinamic, vectorul mrimilor de ieire este calculat cu relaia

=

2

1

2221

1211

2

1

u

u

HH

HH

y

y. (1.10)

n ipoteza c funciile de transferHijprovin de la elemente aperiodicede ordinul 1

1+= sa

b

Hij

ijij , (1.11)

relaia (1.10) devine

++

++=

2

1

22

22

21

21

12

12

11

11

2

1

11

11

u

u

sa

b

sa

b

sa

b

sa

b

y

y. (1.12)


1 - 6


7/77


1.2. Exemple de sisteme de conducere a proceselor chimice

Exemplul 1.1.Automatizarea unui cuptor tubular.

Fie un cuptor tubular dintr-o instalaie de distilare atmosferic a petrolului.Cuptorul tubular este destinat nclzirii i vaporizrii pariale a petrolului supus

prelucrrii. Din punct de vedere constructiv cuptorul este vertical, avnd o zona deradiaie i ozonde convecie. Cuptorul funcioneazcu aer cald insuflat, combustibilullichid utilizat fiind pcura. Structura sistemelor de reglare utilizate este prezentat nfigura 1.8.

Fig. 1.8. Structura sistemului de conducere a unui cuptor tubular.

Mrimile ce caracterizeazsistemul chimic sunt urmtoarele: YT = [Ties, Tg, cg];U

T= [Qc, Qaer, Qab]; P

T= [Qp, Tin, Taer, qinf]. Structura sistemului de conducere are n

compunere patru sisteme de reglare automat. Cele patru sisteme regleaztemperaturamateriei prime, presiunea combustibilului lichid, presiunea diferenialabur/combustibili concentraia oxigenului n gazele de ardere.

Sistemul de reglare a temperaturii este impus de scopul tehnologic, acela de anclzi petrolul (materia prim) la o anumit temperatur. Este adoptat structura de


1 - 7


8/77


reglare a temperaturii n cascadcu debitul de combustibil, pentru a atenua perturbaiileintroduse de variaia necontrolata debitului de combustibil.

Sistemul de reglare a presiunii combustibilului este impus de funcionarea

arztoarelor de combustibil. Acestea nu pot realiza dispersia lichidului n picturi cudiametru foarte mic dect dac lichidul este pulverizat la o presiune foarte mare.Suplimentar, pentru creterea gradului de pulverizare, n arztor se introduce abur de

pulverizare. Cantitatea de abur introduspentru pulverizare este dependent de diferenade presiune dintre aburul de pulverizare i combustibilul lichid. n practiceste utilizatun sistem de reglare automata presiunii difereniale abur/combustibil.

Calitatea arderii reprezint un parametru economic al procesului de combustie,mrimea de ieire urmrit fiind concentraia oxigenului din gazele de ardere. Pentrureglarea acestei mrimi este utilizat un sistem de reglare cu aciune dup abatere,

mrimea de execuie fiind debitul de aer introdus n focarul cuptorului tubular.

Exemplul 1.2.Automatizarea unei coloane de fracionare.

Se consider o coloan de fracionare a unui amestec binar (etilen-etan,propilen-propan). Coloana este prevzutcu un refierbtor pentru generarea fluxului devapori prin coloani un condensator utilizat la obinerea refluxului lichid. Alimentareacoloanei, caracterizatprin debitul F i concentraia xF, este separat n dou fluxuri:distilatul D, bogat n componenta mai volatil i reziduul B, srac n componentavolatil. Uzual, coloana de fracionare are structura de conducere prezentat n figura

1.9. Mrimile care caracterizeaz sistemul chimic sunt urmtoarele: YT= [xD,xb, P ]; UT= [L, Qa, QL];P

T= [F, xF]. Sistemul de conducere are o structur compus din cinci

sisteme automate cu aciune dup abatere: dou sisteme sunt destinate reglriiconcentraiei distilatului i reziduului; dou sisteme regleaz nivelul n vasul de reflux in baza coloanei; un sistem automat este destinat reglrii presiunii n coloan.

Sistemele de reglare a compoziiei produselor separate au ca ageni de reglaredebitul de reflux pentru reglarea compoziiei distilatului i debitul de abur pentrureglarea compoziiei reziduului. Structura de reglare a calitii produselor separate estedenumit L-V, conform numelor agenilor de reglare utilizai.

Pentru nchiderea bilanului material pe coloan i pentru realizarea siguranei nexploatare, sunt utilizate dou sisteme de reglare a nivelului, att n baza coloanei ct in vasul de reflux. Aceste sisteme automate contribuie la atingerea unor regimuristaionare ale acumulrii volumice n cele dou vase de acumulare. Totodat, sistemeleasigur funcionarea n condiii de siguran a pompelor care evacueaz fluxul lichid dincoloan i din vasul de reflux. Suplimentar, sistemul de reglare a nivelului din bazacoloanei contribuie la buna funcionare a refierbtorului.


1 - 8


9/77


Fig. 1.9. Structura de conducere a unei coloane de fracionare.

Sistemul de reglare a presiunii este necesar pentru a menine constant echilibrullichid-vapori. Soluia de automatizare adoptat n cadrul acestui exemplu este aceea de

modificare controlat a ariei de transfer termic a condensatorului, prin modificareanivelului de lichid din condensator.

Exemplul 1.3.Automatizarea instalaiei de cracare catalitic.

Procesul de cracare cataliticeste destinat fabricrii n principal de benzine cucifra octanicridicat(85-95 COR) precum i de hidrocarburi parafinice i olefinice cumas molecular redus (propen, propan, butene, butani etc). Materia prim utilizateste distilatul de vid, amestec de hidrocarburi grele avnd limitele de distilare ntre 350i 540 C. De asemenea se mai folosesc motorine grele de distilare atmosferic, distilategrele de cocsare etc.

Blocul de reacie al instalaiei are doucomponente: reactorul i regeneratorul.n reactor au loc reaciile de cracare ale materiei prime n prezena catalizatorului subforma de granule fine. n sistemul de cicloane catalizatorul uzat este separat de

produsele de reacie aflate n faz gazoas. Ulterior, cocsul depus pe catalizator estendeprtat prin ardere n regenerator, rezultnd energie care este recuperatprin generarede abur.

Produsele de reacie obinute n reactor sunt: benzina, gazele de cracare,motorina, distilatele grele i cocsul. Principalul produs obinut este benzina (50-60 %volum i 85-95 COR). Gazele de cracare conin 70-80 % mas hidrocarburi C3-C4.Distilatele grele care rezultdin proces sunt parial recirculate sau sunt utilizate pentru


1 - 9


10/77


obinerea negrului de fum. Cocsul obinut prin reacia de cracare se depune pecatalizator, scznd activitatea chimica acestuia.

Un exemplu de structur de conducere a blocului de reacie al instalaiei de

cracare cataliticeste prezentat n figura 1.10 [5, 6, 16]. Mrimile care caracterizeazsistemul chimic sunt: YT= [TR, cR, creg, Treg]; U

T= [Qmp, Tmp, Qab, Qaer, a, Qrec]; PT=

[dmp, csulf, Tmv]. Semnificaia tehnologica notaiilor este urmtoarea: TR- temperaturan reactor; cR concentraia produselor de reacie la ieirea din reactor; creg concentraia cocsului la ieirea din regenerator; Treg- temperatura n regenerator; Qmp-debitul de materie prim; Tmp- temperatura materiei prime la ieirea din cuptor; Qab-debitul de abur; Qaer - debitul de aer la regenerator; a - raportul de contactarecatalizator/materie prim; Qrec - debitul de motorin recirculat; dmp - densitateamateriei prime; csulf concentraia sulfului n materia prim; Tmv- temperatura medievolumetrica materiei prime.

Fig. 1.10. Automatizarea blocului de reacie de la instalaia de cracare catalitic.

Reglarea subsistemului reactor - regenerator presupune meninerea constant acompoziiilor fluxurilor materiale care prsesc sistemul: produsele de reacie, gazele deardere, catalizatorul uzat i catalizatorul regenerat. Dintre aceste compoziii doarcompoziia gazelor de ardere poate fi msurat n flux n condiii tehnico-economice. naceast situaie, meninerea strii dorite a subsistemului reactor-regenerator poate firealizat prin reglarea altor mrimi, n spe temperatura i presiunea n reactor i

regenerator.


1 - 10


11/77


Structura sistemului automat prezentat n figura 1.10 conine un numr de 6sisteme de reglare automat. Sistemul de reglare a temperaturii n reactor are ca agent dereglare fluxul de catalizator regenerat, al crui debit este modificat prin intermediulrobinetului RR2. Comanda robinetului de reglare este transmis prin intermediul unui

selector de semnal minim, cu scopul de a preveni apariia circulaiei inverse prinsistemul reactor-regenerator.

Nivelul fazei dense de catalizator din reactor este reglat cu ajutorul fluxului decatalizator uzat, care circul spre regenerator. i n acest caz, comanda robinetului dereglare RR1este transmis printr-un selector de semnal minim, cu scopul de a preveniapariia circulaiei inverse prin sistemul reactor-regenerator.

Urmrirea deschiderii robinetelor de reglare RR1 i RR2 este realizat cuajutorul unor sisteme de reglare a diferenei de presiune pe robinet [5]. Pierderea de

presiune este minim la deschiderea complet i maxim la nchiderea complet.Regulatorul de presiune diferen

ial are o prescriere fixat la o valoare inferioar

deschiderii complete, de exemplu 90%. Atunci cnd deschiderea robinetului este maimare de 90%, comanda xCPa regulatorului de presiune diferenial scade, devine maimic dect xCT, iar selectorul de semnal minim realizeaz { } CPCTCPC xx,xminx == .Prin aceasta sistemul de reglare de la nivelul ierarhic superior va fi deconectat iardeschiderea robinetului de reglare va fi meninutla valoarea de 90%.

Diferena de presiune dintre regenerator i reactor este meninut la o valoareconstant, impus de condiiile de circulaie normal a catalizatorului n sistem.Micorarea diferenei de presiune sub o anumitlimitproduce dificulti n transportulcatalizatorului, care pot duce la schimbarea sensului de circulaie al catalizatorului iimplicit la explozia instalaiei.

Procesul de ardere din regenerator este reglat cu ajutorul unui sistem de reglarea diferenei de temperaturdintre faza densi gazele de ardere. Agentul de reglare estedebitul de aer eapat n atmosfer, variaia acestuia ducnd la transformarea controlatamonoxidului de carbon n dioxid de carbon.

Exemplul 1.4.Automatizarea instalaiei deproducere a uleiurilor minerale

Procesul de producere a uleiurilor minerale este un proces discontinuu, realizat

n autoclave. n figura 1.11 este prezentat un exemplu de automatizare al unor autoclavedestinate producerii uleiurilor minerale. Sistemul de automatizare al autoclavelor estecompus din urmtoarele subsisteme:

a) Subsistemul de robinete de izolare a circuitelor tehnologice.b) Subsistemul de reglare a temperaturii autoclavelor.c) Subsistemul de reglare al turaiei agitatorului autoclavei.


1 - 11


12/77


Fig. 1.11. Structura de automatizare a procesului discontinuu de producerea uleiurilor minerale.

Subsistemul de robinete de izolare a circuitelor tehnologice este impus decaracterul discontinuu al procesului si de existenta a mai multor faze de producie.Sistemul prezentat n figura 1.11 cuprinde urmtoarele circuite tehnologice echipate cusisteme de izolare a circuitelor, comanda de tipul INCHIS-DESCHIS (DA/NU) asociatrobinetelor de izolare fiind elaborat de ctre un programator numeric, n funcie de fazan care se gsete n derulare procesul:

a) Circuitul de alimentare al materiei prime (uleiul) este prevzut cu unrobinet cu bil, RR1.

b) Circuitul de aer este de asemenea prevzut cu un robinet cu bil, cerealizeaz izolarea circuitului de aerare, RR2.

c)

Circuitul de vid este prevzut cu un robinet cu bil, RR3.


1 - 12


13/77


d) Circuitul de aerare al autoclavei este prevzut cu robinetul cu bilRR4.e) Circuitul de alimentare cu sulf este operat prin intermediul robinetului cu

bil RR5.f) Circuitul de alimentare cu aditivi este prevzut cu un singur robinet cu

bila cu comand automat pentru izolarea circuitului de alimentare cuaditivi, RR6.

g) Circuitele aburului ctremantaua de nclzire/rcire a autoclavei. Acestcircuit este prevzut cu dourobinete cu bil, un robinet fiind montat pelinia de intrare a aburului n manta, RR7, iar cel de al doilea fiind montat

pe linia de condens, avnd poziia de montaj n amonte de oala decondens, RR8.

h) Circuitul apei de rcire la mantaua de nclzire/rcire a autoclavei esteprevzut de asemenea cu dourobinete cu bil. Un robinet este montat pelinia de intrare a apei n manta, RR9, iar cel de al doilea este montat pelinia de evacuare a apei, RR10.

i)

Circuitul produsului tehnologic este prevzut cu un robinet cu bil, nscopul izolrii circuitului de evacuare a produsului, RR11.

Subsistemul de reglare a temperaturii autoclavelor este alctuit dintr-untraductor de temperatura tip termocuplu, un adaptor de tensiune-curent, douregulatoarede temperatur i dou robinete de reglare. Sistemul trebuie s asigure nclzirea

progresiva autoclavei, respectnd un gradient de temperaturimpus, prin intermediulregulatorului TIC-01. Dup atingerea temperaturii de operare n perioada de nclzire

prestabilit, sistemul numeric de conducere va trece la faza de reglare a temperaturii

atinse de masa de reacie, fazasigurat de regulatorul TIC-01. Dup trecerea perioadeiimpuse pentru reacie, sistemul numeric va comuta pe rcirea progresiva a mediului dereacie, oprind alimentarea cu abur, decomprimnd mantaua autoclavei i ateptndevacuarea condensului. Dupconsumarea acestei faze, sistemul numeric de conducereva comanda creterea progresiva debitului de apde rcire i meninerea temperaturiiimpuse mediului de reacie, faz realizata de regulatorul TIC-02. Primul robinet dereglare este montat pe linia de alimentare cu abur, RR12, naintea robinetului de izolareRR7. Cel de al doilea robinet de reglare este montat pe linia de ap de rcire, RR13,naintea robinetului de izolare RR9.

Sistemul de reglare al tura

iei agitatorului autoclavei este impus deobinereaunei turaii constante, a crei valoare este dependent de faza de lucru. Pentru realizarea

acestui sistem sunt necesare elementele: traductor de turaie, regulator, convertizor staticde frecveni motor electric trifazat.


1 - 13


14/77


1.3. Etapele proiectrii unui sistem de conducere

a proceselor chimice

Un proces chimic este constituit dintr-o succesiune de operaii unitare(acumulare de lichid, acumulare de gaz, transfer de mas, transfer de cldur, reaciichimice). Structura a unuiproces chimic este descris n figura 1.12. Mrimile de intrareale procesului chimic sunt mprite n mrimi de execuie sau ageni de reglare imrimi perturbatoare sau perturbaii. Mrimile de ieire sunt clasificate n mrimi deieire msurabile imrimi de ieire nemsurabile. Creterea performanelor economiceale unei instalaii industriale, depinde n cea mai mare msur de strategiile de controlaplicate acesteia. Identificarea celei mai eficiente strategii de control presupuneabordarea ierarhic a activitilor de proiectare a structurii de reglare asociat uneiinstalaii chimice. Practic, aceast abordare desemneaz o metodologie de proiectare a

strategiilor de reglare, bazat pe decizii structurale. Deciziile structurale includ attalegerea sau amplasarea agenilor de reglare i a variabilelor de msurare ct idescompunerea problemei de reglare a ntregii instalaii n subprobleme mai uor derezolvat.

Fig. 1.12. Structura unui proces chimic.

Dezvoltarea unei strategii de reglare const n parcurgerea anumitor etape. Ingeneral, principalele etape importante ale unei strategii de control sunt urmtoarele:

I. Specificarea obiectivelor structurii de reglare ce urmeaz a fi proiectata) Cunoaterea capacitii de producie a instalaiei i a obiectivelor de

reglare;b) Identificarea restriciilor;II. Analiza de sus n jos (top-down)

a) Identificarea variabilelor procesului, a gradelor de libertate, astructurii de reglare i a opiunilor de descompunere;

b) Stabilirea ntregii structuri de reglare(ntr-o form conceptual);III. Proiectarea de jos n sus (up-down)

a) Dezvoltarea unei strategii de reglare;b) Examinarea eventualelor strategii de reglare avansat ce pot fi

aplicate procesului;c) Evaluarea beneficiilor economice;


1 - 14


15/77


IV. Validarea structurilor de reglare propusea) Stabilirea performanelor regulatoarelor i a mrimilor de execuie;

b) Verificarea regulatoarelor asociate proceselor individuale;c) Verificarea consecinelor restriciilor i perturbaiilor;

d)

Simularea performanelor sistemului de reglare pentru o gam largde condiii.

n cele ce urmeazvor fi prezentate i detaliate aceste etape.

1. Formularea obiectivelor reglrii. Un prim pas pregtitor al etapei deproiectare a structurii de reglare a unui proces este cunoaterea obiectivelor de reglareide operare a unei instalai. Formularea obiectivelor reglrii poate fi realizat prinurmtoarele metode:

descompunere bazat pe procese unitare i stabilirea celei mai bune

structuri de reglare pentru fiecare proces unitar n parte (metoda clasic); analiza de sus n jos a procesului; proiectarea de sus n jos a sistemelor de reglare; metoda PlantWide Control.

Metoda clasicconst n descompunerea instalaiei chimice n procese unitare iautomatizarea fiecrui proces unitar n parte. Astfel, dac o instalaie are n structura saun cuptor tubular, un reactor chimic i un sistem de coloane de fracionare, toate acesteutilaje asociate proceselor unitare corespunztoare vor fi automatizate individual, fr aine cont de relaia i interaciunea dintreele. Aceast abordare a problemei reglrii este

deficitar, deoarece, datorit unor conflicte ntre obiectivele reglrii fiecrui procesunitar pot aprea conflicte ntre sistemele de reglare.

Metoda analizei de sus n jos implic alegerea de sus n jos a variabilelor(reglate, msurate i de execuie) i stabilirea ulterioar a structurilor de reglare aferenteinstalaiei. Principalele etape sunt detaliate n tabelul 1.1.

Proiectarea de sus n jos reprezint o tratare a activitilor de reglare ntr-omanier ierarhic. Acest pas implic att proiectarea unor bucle de reglare pentrustabilizarea instalaiei, ct i eliminarea efectului perturbaiilor asupra ieirilor. Tabelul1.2prezint principalele etape ale fiecrei faze.

Metoda PlantWide Control permite abordarea reglrii proceselor chimicecomplexe, procese caracterizate prin existena reciclurilor de materiale sau de energie.Conceptul PlantWide Control reprezint o nou mod de stabilire a structurii de reglare ainstalaiilor chimice cu structura complex, instalaia fiind subiectul analizei proceduriide sintez a structurii de reglare. PlantWide Control este utilizat numai n domeniulstrategiei de conducere a proceselor chimice.


1 - 15


16/77


Tabelul 1.1.

Etape i operaii din cadrul metodei de analiz de sus n jos

Etapa Operaii

Identificarea variabilelor procesului, amrimilor msurate, a structurii de reglare

i a opiunilor de descompunere

Selectarea variabilelor reglateIdentificarea variabilelor msurate din

procesSelectarea mrimilor de execuie

potenialeRealizarea unei analize preliminare agradelor de libertate a reglrii (comparaientre numrul de mrimi de execuie inumrul variabilelor de reglare)Determinarea principalelor perturbaii

Realizarea unei analize bazate pe modeluln regim staionar, selectarea final amrimilor de reglare i de execuie, ievaluarea posibilitii descompunerii

problemei de reglare

Stabilirea ntr-o form conceptual a

ntregii structuri de reglare

Determinarea structurii de reglare adebitului fiecrui produsStabilirea tipului de structur de reglare ceva fi utilizat pentru reglarea calitii

produselorStabilirea tipului de structur de reglare ce

va fi utilizat pentru reglarea fluxurilor derecirculare i a compoziiei produselorStabilirea structurii de reglare pentrundeplinirea restriciile impuse procesuluiStabilirea structurii de reglare ce vaelimina efectele perturbailor

Tabelul 1.2.

Etape i operaii din cadrul metodei deproiectare de sus n jos

Etapa Operaii

Proiectarea buclelor de reglare

Determinarea structurilor de reglarepentru bilanurile materiale i energeticeDeterminarea structurii de reglare pentrucompensarea perturbailor

Examinarea eventualelor strategii dereglare avansat ce potfi aplicate

Evaluarea reglrii descentralizate, utilizatn cazul n care procesul nu manifestinteraciuni i restriciile nu se modificAplicarea structurilor multivariabile

pentru mbuntirea performanelorproceselor cu interaciuni i pentruurmrirea modificrilor restriciilor


1 - 16


17/77


Acest concept poate fi privit ca o modalitate utilizat n proiectarea structurii deconducere a proceselor chimice. Larsson i Skogestad au propus urmtoarea definiie aconceptului PlantWide control:

PlantWide Control se refer la deciziile structurale i strategice implicate nproiectarea sistemului de reglare a unei instalaii chimice complete (chiar a unei ntregifabrici), iar proiectarea structurii de reglare este abordarea sistematic (matematic)pentru rezolvarea acestei probleme.

De exemplu, analiza sistemic a unei instalaii de izomerizare pe bazaconceptului PlantWide Control a identificat urmtoarele etape:

a) reprezentarea intrare-ieire a sistemului chimic;b) identificarea subsistemelor si reprezentarea interaciunilor dintre acestea;c) tratarea interaciunilor ntre subsistem si specificarea restriciilor;

d)

elaborarea structurii de reglare aferente fiecrui subsistem izolat;e) bilanarea automat a instalaiei.

2. Identificarea variabilelor de ieire. Acestea pot fi clasificate n variabilemsurabile i variabile nemsurabile. Variabilele msurabile sunt acele variabile pentrucare exist n prezent traductoare destinate msurrii acestora. Unele variabilemsurabile nu pot fi msurate datorit costului excesiv al sistemelor de msurat. naceast situaie este inclus msurarea concentraiei, care este deseori prohibitiv i caatare nu este utilizat. Msurarea concentraiei este recomandat pentru coloanele defracionare care separ produse finite destinate comercializrii directe.

Dup criteriul continuitii n timp, variabilele msurabile pot fi continue saudiscrete, necesitnd utilizarea unor tipuri de traductoare specifice. n cadrul variabilelorcontinue n timp sunt incluse debitul, temperatura, presiunea, nivelul, concentraia.Variabilele discrete sunt variabilele logice, msurate cu ajutorul unor senzori specifici.Exemple de astfel de variabile sunt: un anumit nivel (minim sau maxim), o anumit

presiune, existena fenomenului de curgere, existena flcrii n cuptoare.Dup modul de transmisie al semnalelor generate de traductoare putem avea

semnale analogice de tipul 4-20 mA sau 0-5V i semnale numerice transmise prinprotocoalele de comunicaie serial (RS485, HART) sau n reea (PROFIBUS,FIELDBUS).

3. Identificarea variabilelor de intrare. Acestea pot fi clasificate n perturbaiii ageni de reglare. Selecia agenilor de reglare trebuie realizat n funcie dedisponibilitatea fluxurilor, amplificarea realizat asupra procesului i nu n ultimul rndde gradul de disponibilitate i mrimea fluxului respectiv. Aceast operaie trebuierealizat n urma modelrii i simulrii statice i dinamice a procesului chimic.

Perturbaiile unui proces chimic sunt mprite n perturbaii msurabile iperturbaii nemsurabile. Msurarea unei perturbaii poate fi realizat numai dacaceast mrime poate da indicaii utile operatorului sau dac mrimea intervine n cadrulunui algoritm de reglare evoluat. Toate variabilele de intrare pot avea varia ii continuesau discontinue.


1 - 17


18/77


4. Identificarea restriciilor.Orice proces chimic este caracterizat prin restricii.Acestea pot fi clasificate n restricii rigide (hard) i restricii uoare (soft).

Un exemplu de restricie hard o constituie valoarea minim sau maxim a unuidebit, valoare generatde poziia total nchis sau total deschis a robinetului de reglare.

Un alt exemplu de restricie hard o reprezint calitatea stipulat ntr-un contractcomercial pentru un produs obinut ntr-o coloan de fracionare. Valoarea calitiispecificate n contract nu poate fi nclcat deoarece acest fapt va duce la respingerea

produsului, ncadrarea acestuia ntr-o alt calitate sau la mrirea cheltuielilor deproducie.

Un exemplu de restricie soft o constituie tot compoziia unui produs obinutntr-o coloan de fracionare, specificat printr-un interval de valori, supinf xxx .

Aceasta compoziie poate avea valori situate n domeniul de valori acceptat, procesuldesfurndu-se n parametrii normali.

5. Caracterizarea modului de operare. n funcie de structur, procesul chimicpoate fi operat n mod continuu, semi-continuu sau discontinuu.

Procesele continue sunt reprezentate prin distilare atmosferic, reformarecatalitic, cracare catalitic. Pentru aceste procese sunt utilizate sisteme automate

prevzute cu traductoare pentru variabile continue n timp. Procesele sunt operate peperioade mari de timp, n condiii cvasi-constante, regimurile staionare fiind foarteimportante iar performanele tehnico-economice fiind n strns legtur cu acesteregimuri. Pentru creterea performanelor acestor procese se recomandproiectarea unorsisteme de reglare optimal, care sasigure funcionarea sistemului chimic la parametriioptimi. Exemplele de procese automatizate 1.1 1.3, exemple prezentate anterior, sunt

ncadrate n categoria automatizrii proceselor continue.Procesele discontinuesunt reprezentate de procesele cu reacie chimiccare se

desfoar n arje. Traductoarele utilizate n cadrul sistemelor automate sunt n specialtraductoare pentru variabile discrete dar sunt utilizate i traductoare pentru variabilecontinui n timp. Pentru procesele discontinue, factorul timp i reeta de amestecare suntcele mai importante elemente n desfurarea acestora. De aceea sistemele automatesunt caracterizate prin: msurarea debitului masic i a masei totale de reactant,

programarea n timp a unor operaii de introducere/amestecare a reactanilor saunclzire/rcire a reactorului, reglarea unui profil temporal al temperaturii n reactor. nexemplul 1.4 este prezentat automatizarea unei instalaii operat discontinuu.

6. Sigurana n funcionareeste o condiie obligatorie n operarea proceselorchimice. Sigurana instalaiei este realizatatt prin sisteme de automatizare dedicate cti prin specificarea corect a elementelor de automatizare din cadrul sistemelor dereglare. Astfel, la un cuptor tubular n caz de emergen este imperios necesarnchiderea alimentrii cu gaz combustibil, operaie realizat prin specificarea normalnchis a robinetului de reglare. Pentru un proces exoterm, la care este nevoie rcireacontinu, robinetul de reglare amplasat pe agentul de rcire va fi specificat normaldeschis.


1 - 18


19/77


7. Proiectarea structurii de reglare. n funcie de particularitile procesuluichimic, se poate alege o structurclasicsau evoluat.

Structurile clasicecuprind sistemele de reglare monovariabile, cu aciune dupabatere, sistemele de reglare cu aciune dup perturbaie i sistemele de reglareacombinat. O structur general a unui asemenea sistem automat este prezentat nfigura 1.13.

Fig. 1.13. Structura sistemului automat cu aciune dup abatere.

Structurile evoluateconin sisteme de reglare multivariabil, sisteme de reglare

cu model intern, sisteme de reglare predictiv i sisteme de reglare optimal, figura1.14.

Fig. 1.14. Structura sistemului automat multivariabil.


1 - 19


20/77


1.4. Automatizarea proceselor tehnologice

Automatizarea unui proces tehnologic nseamn dotarea instalaiilor cu mijloace

tehnice necesare i folosirea optim a acestor mijloace pentru efectuarea automat aoperaiilor legate de conducerea procesului tehnologic. Principalele operaii deautomatizare dintr-o instalaie chimic sunt urmtoarele[2]:

- msurarea i/sau determinarea prin calcul a principalelor variabile aleprocesului;

- semnalizarea depirii limitelor inferioar i/sau superioar a anumitorvariabile din proces;

- reglarea la o anumit valoare a uneia sau mai multor variabile de ieire aleprocesului;

- modificarea programat a unor variabile;

-

meninerea unor variabile sau funcii de variabile la o valoare extrem;- protecia instalaiei.

Automatizarea poate fi implementata n numeroase variante, n funcie de naturaprocesului automatizat, de gradul de cunoatere a acestuia, de mijloacele tehnice avutela dispoziie, de gradul de pregtire a personalului de exploatare i ntreinere.

In ceea ce privete reglarea clasic a proceselor se au n vedere urmtoareletipuri de sisteme automate :

- sisteme de reglare cu aciune dup abatere;- sisteme de reglarea cu aciune dup perturbaie;- sisteme de reglare combinat.

1.4.1. Sisteme de reglare cu aciune dup abatere

Legea reglrii dup abatere. Sistemele automate din aceasta categorie auproprietatea de a compara n permanen starea curent cu starea dereferin i atunci cnd constat apariia unor diferene (abateri) ntrereferin i starea curent emit comenzi pentru eliminarea abaterilor.

Structura sistemului automat bazat pe legea reglrii dup abatere. n figura 1.5este prezentat schema bloc a sistemului de reglare cu aciune dup abatere. Abaterile

care intervin n starea sistemului automat se datoreaz aciunii continue a perturbaiilorasupra procesului. n procesul de eliminare a abaterii, sistemul va atinge n final o noustare permanent, caracterizat prin nlturarea parial sau complet a abaterii, nfuncie de structura intern a sistemului automat.

Sistemele automate cu aciune dup abatere au implementate regulatoare alecror algoritmi de reglare sunt relativ independeni de sistem. Structural, un regulator cuaciune dup abatere prezint un element comparatorECi un bloc de calculBC, figura1.5.


1 - 20


21/77


Fig. 1.5. Structura regulatorului cu aciune dup abatere.

Algoritmul elementului comparativ este dat de relaia

=

==

"";

"";

inversKir

directKrie , (1.13)

n care e reprezint eroarea iar Kreprezint starea comutatorului DIRECT/INVERS.

Blocul de calculBCelaboreaz comanda udup funcia ( )efu= . Dependent destructura funcieif, algoritmii de reglare pot fi liniari sau neliniari. Cei mai rspndiialgoritmi de reglare sunt: algoritmul proporional P, algoritmul proporional- integratorPIi algoritmul proporional-integrator-derivator PID.

Algoritmul proporionaleste descris n forma analogic de relaia

eKuu p+= 0 , (1.14)

n care Kp reprezint coeficientul de proporionalitate (coeficientul de amplificare).

Sub forma discret, algoritmul regulatoruluiP

devinekpk eKuu += 0 , (1.15)

unde k reprezint momentul de timp la care se realizeaz eantionarea, eroarea ekfiind

kkk rie = (modul direct). (1.16)

Algoritmul proporional-integrator are urmtoarea expresie analogic

++=t

ip dte

Tekuu

0

0

1, (1.17)

iar expresia discretizat are forma

=

++=k

j

j

i

kpk eT

ekuu0

0

(1.18)

unde reprezint perioada de eantionare.


1 - 21


22/77


Deoarece evaluarea sumei erorilor la fiecare iteraie de calcul a comenzii uknecesit un efort deosebit, se propune utilizarea relaiilor:

( )eST

kuu kki

kpk e +++= 10

; (1.19)

kkk eSS += 1 . (1.20)

Un aspect important n funcionarea regulatoarelor industriale l constituiesaturarea comenzii, aceasta proprietate trebuind a fi transpus i regulatoarelor software.n acest scop se utilizeaz schema desaturare din figura 1.16, n care valoarea reaciei, a

prescrierii i a comenzii este exprimata n %.

Fig. 1.16. Schema logica pentru saturarea comenzii regulatorului.

1.4.2 Sisteme de reglare cu aciune dup perturbaie

Legea reglrii dup perturbaie. Sistemele din aceasta categorie au proprietatea

de a observa n permanen evoluia perturbaiilor i atunci cnd constatmodificri ale acestora emit comenzi de compensare a efectului

perturbaiilor, simultan cu aciunea acestora, astfel nct starea curent snu se modifice n raport cu starea de referin.

Prin structura lor, sistemele automate bazate pe legea reglrii dup perturbaie sebazeaz pe compensarea efectului perturbaiilor procesului. Luarea n considerare aperturbaiilor necesit cunoaterea modelului matematic de conducere al procesului,model ce sta la baza algoritmului de reglare dup perturbaie. Acest fapt conduce laspecificitatea algoritmilor de reglare dup perturbaie n funcie de sistemul chimic

pentru care sunt proiectai.


1 - 22


23/77


Structura sistemului automat bazat pe legea reglrii dup perturbaie. n figura1.17 este prezentat schema bloc a unui sistem de reglare cu aciune dup perturbaie.Semnificaia mrimilor este urmtoarea: P - proces; T - traductor; C - regulator; EE -

element de execuie; i - mrime de referin; r - mrime de reacie; u - comand; m -mrime de execuie; p-perturbaie; y- mrime de ieire;

Fig. 1.17. Schema bloc a sistemului automat bazat pe legea reglrii dup perturbaie.

Algoritmul de reglare cu aciune dup perturbaie. Considernd variaiilemrimii reglate ca rezultnd prin compunerea aditiv a efectelor perturbaiilor icomenzilor, rezult posibilitatea divizrii procesului pe dou canale, figura 1.17. Pentrucazul proceselor liniare i aplicnd teorema superpoziiei, variaia y a mrimii reglateeste dat de

ymyp yyy += 1 (1.21)

n care yp1-yi ym-y reprezint variaiile mrimii de ieire pe canalul perturbaie p1 -ieire, respectiv mrime de execuie - ieire.

Esena reglrii dup perturbaie presupune ca la modificarea perturbaiei luate nconsiderare, ieirea rmne neschimbat, 0=y , ceea ce conduce la

ymyp yy = 1 . (1.22)

Relaia (1.22) indic necesitatea existenei n regim dinamic a unor efecte egalei de semn contrar, asociate celor dou canale. Aceast consecin conduce la

proiectarea regulatorului cu aciune dup perturbaie, respectiv la calculul funciei detransfer ( )sHC a acestuia. Avnd n vedere reprezentarea din figura 1.17 rezultsuccesiv:

( ) ( ) ( )sPsHsU C 1= ; (1.23)

( ) ( ) ( )sPsHsY ypyp 111 = ; (1.24)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )sPsHsHsHsHsY ymEECTym 1= ; (1.25)

respectiv


1 - 23


24/77


( ) ( )

( ) ( ) ( )sHsHsH

sHsH

ymEET

ypC

=

1 (1.26)

n care ( )sH yp 1 i ( )sH ym sunt funciile de transfer aferente celor dou canale ale

procesului.

Concluzie: Determinarea algoritmului de reglare cu aciune dup perturbaieimplic cunoaterea modelului procesului pe cele dou canale.

n cazul n care funciile de transfer pentru cele dou canale nu pot fideterminate, algoritmul de reglare dup perturbaie se descompune n dou componente:o component a regimului staionar i o component a regimului dinamic.

Modelul matematic al procesuluipoate fi exprimat prin relaii de tipul

( )( )

=

0,,

0,,

ypuH

ypuG. (1.27)

n regim staionar, mrimea de ieire este egal cu mrimea prescris, respectiviy= . Substituind formal mrimea prescris n locul mrimii de ieire se poate obine o

relaie care reprezint componenta staionar a algoritmul de reglare cu aciune dupperturbaie

( )ipFus ,= . (1.28)

Componenta dinamic poate avea forma ecuaiei difereniale

( )=+ tuudt

dua su (1.29)

unde reprezint timpul mort al procesului pe canalul mrime de execuie-mrime deieire.

Exemplul 1.5. Reglarea dup perturbaie a unui schimbtor de cldur.

Se considera un schimbtor de cldur utilizat la nclzirea unui produs cudebitul Qp i temperatura de intrare Tin. Produsul nu sufer transformare de faz.

Agentul termic este aburul caracterizat prin debitul Qa. n regim staionar procesuldescris prin modelul

( )iniesppaa TTcQrQ = . (1.30)

Din punct de vedere al conducerii automate, sistemul chimic este caracterizat deurmtoarele mrimi: [ ]iesTy= ; [ ]aQu= ; ainp rTQp ,,= . Relaia (1.30) permiteexprimarea explicita a comenzii u

( )

r

TTcQQu

a

iniespp

a

== . (1.31)


1 - 24


25/77


Pentru ca relaia (1.31) s poat fi utilizata drept algoritm de reglare, se impune

ca n regim staionar iy= , respectiv iiesies TT = . Introducnd prescrierea Tiies a

sistemului automat de reglare a temperaturii, algoritmul de reglare n regim staionardevine

( )r

TTcQQ

a

iniiespp

sa

=, . (1.32)

n regim dinamic, algoritmul de reglare are forma

( )=+ tQQdt

dQa s,aa

a . (1.33)

n figura 1.18 este prezentata structura sistemului automat.

Fig. 1.18. Sistemul automat de reglare cu aciune dup perturbaie pentruun schimbtor de cldur.


1 - 25


26/77


1.5. Proiectarea sistemelor pentru reglarea

parametrilor proceselor

Prin parametrii proceselor se neleg uzual mrimile tehnologice debit, nivel,presiune, temperatur i concentraie. n cele ce urmeaz vor fi prezentate exemple desisteme automate pentru fiecare dintre parametrii enumerai anterior.

1.5.1. Standarde privind reprezentarea grafic a sistemelor automate

Standardul STAS 6755-81, Semne convenionale i simboluri literale,definete modul de reprezentare a elementelor de msurare i reglare n schemele deautomatizare a proceselor tehnologice [19]. Standardul este aplicat n domeniulautomatizrii instalaiilor din industria chimic, extracia i prelucrarea petrolului,

energetic etc. Cunoaterea simbolurilor grafice din schemele de conducte iautomatizare (scheme PI&D- Pipe and Instrument Drawing) a unor instalaii industriale,au rolul de a realiza un limbaj comun ntre personalul tehnic, desenator, proiectant i

personalul de ntreinere a unei instalaii industriale.

Standardul definete urmtoarele elemente ale unui sistem de msurare ireglare:

1. Element primar: Parte a buclei sau a aparatului care percepe valoareavariabilei de proces i care presupune o stare sau ieire inteligibil i

predeterminat n mod corespunztor. Elementul primar poate fi separat

sau integrat cu alte elemente funcionale ale buclei. Elementul primar maieste cunoscut sub numele de detector sau senzor.

2. Transmiter: Dispozitiv care percepe o variabil de proces prinintermediul unui element primar i are o ieire a crei valoare de stare

permanent variaz numai dup o funcie predeterminat a variabilei deproces. Elementul primar poate fi ncorporat n transmiter.

3. Element de execuie. Dispozitiv care transpune aciunea sistemuluiautomat asupra procesului.

Modul de identificare a aparatelor. Fiecare aparat va fi identificat printr-unsistem ce conine:

identificarea tipului de aparat; identificarea locului de montaj; identificare funcional; identificarea buclei de msurare i reglare.

Identificarea tipului de aparat este definit prin simboluri grafice. n tabelul 1.3sunt prezentate codificrile grafice ale elementelor de acionare (element de acionaremanual, solenoid, etc). Tabelul 1.4 descrie simbolurile grafice asociate dispozitivelorde acionare n cazul dispariiei alimentrii cu agent energetic.


1 - 26


27/77


Tabelul 1.3

Codificarea semnelor convenionale pentru elementele de acionare

Semn convenional Denumire

Element de acionare manual

Element electrohidraulic

Element neclasificat (tipul elementului deacionare se va scrie n sau adiacent lasemn)

Solenoid

Element de acionare cu zavorre irearmare de la distan sau manual

Tabelul 1.5 conine semnele convenionale pentru regulatoarele directe, robinete

i alte dispozitive iar tabelul 1.6 este dedicat codificrilor grafice pentru elementele deacionare cu piston.


1 - 27


28/77


Tabelul 1.4

Semne convenionale pentru funcionarea dispozitivelor de acionaren cazul dispariiei alimentrii dispozitivului


Robinet cu dou ci, deschis lacderea alimenatrii

Robinet cu dou ci, nchis la

cderea alimentrii

Robinet cu trei ci, A-C deschis lacderea alimentrii

Robinet cu patru ci, cu cile A-C siB-D deschise la cderea alimentrii

Robinet blocat n poziia existent nmomentul dispariiei alimentrii

Robinet cu poziie nedeterminat lacderea alimentrii


1 - 28


29/77


Tabelul 1.5

Semne convenionale pentru regulatoare directe, robinete i alte dispozitive


Rotametru indicator cu robinet deobturare manual integrat

Regulator automat de debit cuindicator integrat. Dac nu areindicator, simbolul e FCV-105

Robinet de comand manual

Robinet nchis-deschis acionatmanual, pe linia desemnal pneumatic

Orificiu de restricie ajustabil manual

Regulator direct de nivel cu transmisiemecanic

Regulator-reductor de presiune


1 - 29


30/77


Tabelul 1.6

Semne convenionale pentru elementele de acionare cu piston


Cilindru fr poziioner sau alt pilot, cuacionare simpl

Cilindru fr poziioner sau alt pilot, cu

acionare dubl

Cilindru asamblat cu pilot; ansambluacionat de o intrare comandat

Cilindru cupoziioner i robinet pilot cuacionare simpl, varianta 1

Cilindru cu poziioner i robinet pilot cuacionare simpl, varianta 2

Cilindru cu poziioner i robinet pilot cuacionare simpl, varianta 3


1 - 30


31/77


Identificarea locului de montaj este realizat prin semne convenionalespecifice. n tabelul 1.7. sunt prezentate semnele convenionale utilizate pentru definireaaparatelor utilizate n cadrul sistemelor de msurare, reglare i semnalizare.

Tabelul 1.7Semne convenionale pentru elementele de msur, reglare i comand

Nr.Crt.

Denumire Semn convenional

1 Aparat montat pe utilaj, aparat local

2 Aparat montat pe tablou de ordinul 1(tablou lng agregat)

3 Aparat montat pe tablou de ordinul 2(tablou n camera de comand dispecer 1)

4 Aparat montat pe tablou de ordinul 3(tablou de comand, dispecer general)

5 Aparate cu mai multe funciuni distincte dinpunct de vedere constructiv

6 Simbolul calculatorului

7 Ecran de supraveghere distribuit, afiaredate, inaccesibil operatorului

8 Ecran de supraveghere distribuit,controlare, nregistrare, sau alarmare,accesibila operatorului


1 - 31


32/77


Identificarea funcional este reprezentat printr-un sistem de litere, tabelul1.8. Prima liter indic parametrul msurat sau este un simbol de iniiere. A doua litersau urmtoarele indic funciile aparatului individual. ntr-o bucl de reglare, primaliter va fi aleas innd cont de variabila msurat sau de iniiere i nu de variabila

asupra creia se acioneaz. Literele urmtoare ale identificrii funcionale definesc unasau mai multe funcii de afiare, funcii pasive sau funcii de ieire. Toate litereleidentificrii funcionale vor fi scrise cu majuscule.

Identificarea bucleidin care face parte aparatul se face printr-un numr. Fiecarebucla va avea un numr unic. Pentru toate buclele din schem va fi utilizat osuccesiune unic a numerelor de ordine a buclelor. Dac o bucl are mai multe aparatecu aceeai funcie, se recomand s se adauge un sufix la numrul buclei, de exemplu:TE-25-1, TE-25-2.

Fiecare element de automatizare va fi identificat printr-un sistem de literereprezentnd identificarea lui funcional i un numr ce reprezint identificarea buclei,figura 1.19. Acest numr va fi n general comun tuturor aparatelor dintr-o bucl.

Fig. 1.19. Codul elementului de automatizare.

Semne convenionale pentru transmiterea informaiilor. Pentru stabilireadireciei fluxului de informaiei, se vor aduga sgei de direcionare a liniilor desemnal. n general, reprezentarea interconectrii ntre dou aparate pe scheme de flux seface printr-o singur linie de semnal, chiar dac fizic aceasta se realizeaz prin maimulte linii. Succesiunea n care aparatele unei buclei sunt conectate pe schema de fluxtrebuie s reflecte logica funcional i nu succesiunea de conectare a semnalului.Conexiunea ntre elementele de automatizare se face prin diferite tipuri de legturi,semnificaia legturilor ntre acestea fiind prezentate n tabelul 1.9.


1 - 32


33/77



1 - 33


34/77


Tabelul 1.9

Simboluri de legtur

Simboluri grafice Descrierea

Linie de transmisie mecanic

Semnal pneumatic

Semnal electric

Semnal hidraulic

Semnal soft

Simbolul conductei

Conduct izolat

Conduct cu nclzire abursau ap

Conduct cu nclzire electric

Standardul ISA-S5.3, Instrument Loop Diagrams. Standardul definete n 8capitole principalele elemente grafice utilizate la proiectarea sistemelor de reglareautomat[11].

1. Obiective

1.1 Instruciuni de baz. Acest standard ajut la nelegerea utilizriiinstrumentelor pentru schematizare n proiectare, construcii, demarareaunor proiecte, operaii, ntreinere i modificarea sistemelor deinstrumentare.

1.2 Studiu aprofundat. Ghidul ofer suportul pentru nelegereainstrumentelor pentru schematizare i mbuntete sistemul de comunicaiintre personalul tehnic, non-tehnic, managerial, operaional i de ntreinere.

2. Scop2.1 Informaii suplimentare pentru scheme individuale. Aceasta lucrarestabilete cerinele minime informaionale i identific informaiileopionale adiionale necesare pentru realizarea unei scheme tehnice a unui

proiect

2.2 Adaptabilitate. Aceasta lucrare este util pentru urmtoarele domenii deactivitate: chimie, petrol, energetic, aer condiionat, metalurgie i alteindustrii.

2.3 Domenii specializate. Anumite domenii de activitate, cum este

astronomia, transportul maritim i medicina, folosesc instrumente


1 - 34


35/77


specializate care difer de instrumentele de procesare industrialeconvenionale. Acest standard este suficient de flexibil pentru a se adapta

pentru orice domeniu.

3. Aplicaii3.1 Deservirea multor scopuri.Diagramele tehnice sunt utile pentru foartemulte scopuri. Cteva dintre acestea, prezentate mai jos, sunt utilizatecronologic n dezvoltarea unor proiecte.

3.2 Design.

(1) Ilustreaz filozofia controlului i confirm corectitudinea datelorutilizate n proiect.

(2) O extensie a Diagramelor de Proces i Instrumentaie (DPI), carearat componentele i accesoriile schemei tehnice, a conexiunilordintre dispozitive i identific aciunea componentelor.

(3)

Specificarea instrumentelor hard i realizarea unui necesar pentruaprovizionare.

3.3 Construcie.(1) Interconectarea panoului de comand i diagrama de verificare.(2) Documentare i cerine speciale pentru instalarea instrumentaiei.(3) Interconectarea instrumentaiei.(4) Verificarea schemei instrumentale.(5) Inspecie si documentatie.

3.4 Demararea proiectelor

(1) Analizi calibrare realizate nainte de demararea proiectelor.(2)

Suport pentru nvare i ajutor.

3.5 Operaii(1) Mediul de comunicare ntre operaii, ntreinere i personalul

ingineresc.(2) Dispozitiv de ajutorare pentru operaii.

3.6 ntreinere(1) Probleme tehnice.(2) Calibrare.(3) Dispozitiv de ntreinere folosit pentru prevenire i corectare.

3.7 Modificare(1) Rearanjare.(2) Reconstrucie.(3) mbuntire.

4. DefiniiiAcest ghid este o extensie a comunicrilor realizate de ISA S5.1,simbolurile pentru instrumentaie i identificare, alturi de definiiile istandardizrile din acele comunicri sunt aplicate ncepnd de la datarespectiv, reprezentnd noul standard. Aceasta lucrare prezint realizarea

diagramelor tehnice, frsaducdefiniii noi.


1 - 35


36/77


5. Coninut

5.1 Date Generale. Instrumentele pentru schematizare sunt reprezentri aleinformaiilor tehnice aprute ntr-o schema tehnic. Ele conin toateconexiunile electrice i fizice, plus toate informaiile necesare pentru a crea

o imagine de ansamblu ct mai fidel realitii. n cele ce urmeaz suntprezentate cerinele minime i cteva opiuni care pot fi folosite pentru arealiza schemele propuse.

5.2 Cerinele minime. Ca minim necesar, o diagram tehnic trebuie sconin urmtoarele:

(1) Identificarea buclelor tehnice i a componentelor acestora apruten PI&D. Alte componente principale pot fi identificate folosindISA S5.1, Simboluri pentru instrumentaie i identificare.

(2) Cuvinte descriu funciile aprute pe diagram. Dac nu suntsuficiente cuvinte, este nevoie s fie utilizate note suplimentare.

(3)

Indicarea relaiilor dintre diferite bucle, incluznd comenzi decontrol, interconexiuni, legturi n cascad i circuite de control ide protecie.

(4) Toate interconexiunile punct la punct se fac cu numere i culoridiferite pentru fiecare cablu electric, conductori, multi-tuburi

pneumatice sau pentru tuburi pneumatice i hidraulice. Aceastaidentificare a interconexiunilor include jonciunile, capeteleterminale, membranele, porile i legturile la pmnt.

(5) Localizarea generala a elementelor precum: locul n care va firealizat proiectul, panoul de comanda, echipament auxiliar,suportul fizic al sistemului, camera de comanda, camera seseparare a cablurilor (separatorul), componenta care se ocup cufunciile de intrare/iesire ale sistemului, etc.

(6) Sursele de energie pentru componentele proiectului, cum ar fi:energia electric, sursa de aer, sursa de presiune hidraulic.Identificarea tensiunilor, a presiunii i a altor cerine aplicabilesistemului n cauz. Pentru surse electrice se identific circuitelesau numerele de deconectare.

(7) Liniile procesului i echipamentul necesar pentru a descriecomportarea buclei tehnice pentru o claritate ct mai bun nrealizarea controlului. Analiza mrimilor ce necesit o msurare

sau a celor care trebuie controlate.(8) Aciuni sau poziionri sigure pentru componentele de control

cum ar fi regulatoarele, comutatoarele, valvele de control, valvelesolenoidale i transmitoarele. Acestea vor fi identificate nconformitate cu ISA - S5.1, Simboluri pentru instrumentaie iidentificare.


1 - 36


37/77


5.3 Informaii opionale. Informaiile suplimentare sunt necesare pentrucreterea eficienei n acomodarea cu schemele realizate. Elementeleurmtoare sunt exemple tipice pentru utilizarea lor n scopul ajutorriiutilizatorilor.

(1)

Echipamente de proces, linii i numerele lor de identificare, surse,desemnri sau direcii de curgere.

(2) Referine ctre baze de date suplimentare (nregistrri i scheme),precum detalii de instalare, DPI, scheme de localizare, diagramecu cablaje i desene i specificaii tehnice pentru instrumentaie.

(3) Localizarea pentru fiecare dispozitiv n parte, cum ar fi zoneridicate, suprafee, componente ale panoului de comand,structura fizic (carcas) i localizarea componentelor la acestnivel, localizarea intrrilor i ieirilor, etc.

(4) Referine ntre diferite bucle, pentru obiecte folosite n comun,

cum ar fi nregistratoare multiple, indicatoare duale, etc.(5)

Referine ctre descrierea echipamentelor, productori, numrulde ordine al diferitelor modele, tipuri de componente hard,specificaii i documentaii, ordine de cumprare, etc.

(6) Gama de semnale i informaii de calibrare, incluznd valorilepentru comutatoare i pentru echipamente de alarmare ideconectare.

(7) Referine numerice software, cum ar fi adresele de intrare/ieire,tipuri de blocuri de control i denumiri, interfee de reea, numecheie, etc.

(8) Informaii cuprinse n legend, folosite n scopul unei identificri

mai bune a instrumentelor i a accesoriilor.(9) Accesorii specifice cum ar fi: regulatoare, filtre, valve cu utilizri

multiple, valve de siguran, etc.(10)Referine ctre documentaii scrise de ctre productori: scheme,

detalii privind conexiunile, instruciuni de operare, etc.(11)Identificare folosind codul culorilor pentru conductoare sau tuburi

care utilizeaz numere pentru difereniere.

6. Format

6.1 Consistena pentru o utilizare mai uoar. Urmtoarele semneconvenionale ar trebui s fie adoptate pe o scara mai larg pentru o

comunicare mai bun i pentru uurina cu care pot fi utilizate.6.2 Mrimea desenului. Mrimea minim pentru desenul original ar trebuisa fie de 11 x 17. Atenie mare la mrimea textului i a simbolurilor,

pentru a le menine inteligibile i n cazul unor copii reduse ca mrime.(Pentru a uura tiprirea i ndosarierea acestora, acest nou standardutilizeaz exemple realizate la o scar mai mic).

6.3 Desenarea coninutului. O singur diagram ar trebui s conin osingur bucl. Evitai extinderea unei bucle pe mai multe pagini, n cazul ncare este posibil.


1 - 37


38/77


6.4 Designul general. Meninei un design consistent (i pe orizontal i pevertical) pe toata durata realizrii desenului. O sugestie ar fi ca s mpriidesenul n seciuni pentru localizarea relativ a dispozitivelor.

7. Simboluri7.1 Conexiunea instrumentelor i informaii legate de aciunea lor.Simbolurile din standardul ISA-S5.1 sunt utilizate pentru realizareadiagramelor. Dar este necesar o lrgire a gamei acestor simboluri astfelnct s fie incluse i elemente ca: puncte de legtur, surse de alimentare cuenergie (electrice, pneumatice, hidraulice); este necesara i specificareaaciunii fiecrui instrumentutilizat n realizarea diagramelor.

NOTA: Terminalele i porturile prezentate nu sunt pictoriale.

7.2 Terminale generale sau simboluri terminale.

7.3 Terminalele instrumentelor sau pori.

7.4 Sistemul de alimentare cu energie al instrumentelor.

7.4.1 Surse de alimentare cu curent electric.Identificarea surselor decurent electric i identificarea exact a tensiunii de alimentare i anumrului de ordine sau a specificaiilor de deconectare.

7.4.2 Surse de aer. Identificarea surselor de aer, urmat de specificareapresiunii aerului.


1 - 38


39/77


7.4.3 Sursa de lichid hidraulic. Identificarea lichidului hidraulic,urmat de specificarea presiunii lichidului.

7.5 Identificarea aciunii instrumentelor. Aceasta arata direcia semnaluluiprovenit de la instrument, prin asocierea literelor specifice fiecruiechipament. Identificarea unui instrument la care valoarea semnalului deieire crete sau atinge valoarea sa maxim, ca intrare (valoare msurat) ieste marcat cu literele DIR. Identificarea unui instrument la care valoareasemnalului de ieire scade sau atinge valoarea sa minim este marcat culiterele REV. Avnd n vedere c majoritatea transmitoarelor sunt cuaciune directa, specificaia DIR este opionala pentru ele.


1 - 39


40/77


1.5.2. Exemple de utilizare a semnalelor convenionale

i simboluri n cadrul unei bucle de reglare

Reglarea debitului. Structura de reglare a debitului conine: elementul primardiafragm FE, un traductor de presiune diferenial FT, un regulator FIC, un convertorelectro-pneumatic FYi un robinet de reglare FV, figura 1.20.

Fig. 1.20. Schema detaliat a SRA-D.

Elementul sensibil FE, diafragma, este montat n conduct i simbolizat ca atare.

De la acest element sensibil sunt figurate legturi fizice (linie continu) pn la

traductorul de debit FT, n spe traductorul de presiune diferenial. Traductorul dedebit genereaz un semnal electric, curent continuu 204 mA, ctre regulatorul dedebit FIC. Semnalul este figurat printr-o linie ntrerupt. Acesta este un generator decomenzi, curent continuu 204 mA, ctre convertorul electropneumatic FY, linia desemnal fiind o linie ntrerupt. Convertorul electropneumatic va genera un semnal ngama 12,0 bar, linia de semnal fiind specific semnalelor pneumatice. Servomotorul

pneumatic FVva primi acest semnal i va aciona asupra organului de reglare, n speun robinet cu un scaun. Legtura dintre servomotor i organul de reglare este fizic,fiind realizat prin linie continu.


1 - 40


41/77


Reglarea presiunii. Structura de reglare a presiunii conine: un traductor depresiune PT, un regulator de presiune PIC, un convertor electropneumatic PY i unrobinet de reglare PV, figura 1.21.

Fig. 1.21. Schema detaliat a SRA-P.

Traductorul de presiune PT este montat pe un tu al vasului de reflux.Traductorul de presiune genereaz un semnal electric, curent continuu 204 mA, ctreregulatorul de presiune PIC. Semnalul este figurat printr-o linie ntrerupt Acesta esteun generator de comenzi, curent continuu 204 mA, ctre convertorulelectropneumatic PY, linia de semnal fiind o linie ntrerupt. Convertorulelectropneumatic va genera un semnal n gama 12,0 bar, linia de semnal fiind

specific semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic PVva primi acest semnal iva aciona asupra organului de reglare, respectiv asupra unui robinet cu un scaun.Legtura dintre servomotor i organul de reglare este fizic, fiind realizat prin liniecontinu.

n tabelul 1.10 sunt prezentate i alte exemple codificri de sisteme de msuratpresiunea.


1 - 41


42/77


Tabelul 1.10

Codificri ale sistemelor de msurat presiunea

P Indicator de presiune conectat direct

PIndicator de presiune conectat prinmembran de separaie i tub capilarcu conducta de legtur

PIndicator de presiune prinmembran de separaie i tub capilarmontat direct pe linia de flux

Reglarea nivelului. Structura de reglare a nivelului conine: un traductor denivel cu imersor LT, un regulator de nivel LIC, un convertor electro-pneumatic LYi

un robinet de reglare LV, figura 1.22. Traductorul de nivel cu imersor LT estemontat la dou tuuri ale vasului de reflux. Traductorul de nivel genereaz un semnalelectric, curent continuu 204 mA, ctre regulatorul de nivel LIC. Semnalul estefigurat printr-o linie ntrerupt. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu

204 mA, ctre convertorul electropneumatic LY, linia de semnal fiind o linientrerupt. Convertorul electropneumatic va genera un semnal n gama 12,0 bar, liniade semnal fiind specific semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic LVva primiacest semnal i va aciona asupra organului de reglare, n spe un robinet cu un scaun.Legtura dintre servomotor i organul de reglare este fizic, fiind realizat prin liniecontinu. n tabelul 1.11 sunt prezentate i alte exemple de sisteme de msurat saureglare a nivelului.


1 - 42


43/77


Tabelul 1.11

Exemple de codificare a sistemelor de msurare i reglare a nivelului

Simbolizare Semnificaie

Traductor de nivel, tip presiunediferenial, montat pe rezervor

Indicator de nivel, de tip flotor iband flexibil

Element de nivel de tip capacitiv saudielectric, conectat la traductor denivel

Semnalizator de nivel cu elice pentrumsurarea nivelului solidelor

Traductor de nivel de tip radioactivcu senzor integrat

Indicare la distan a nivelului cucamer de luat vedrei i receptor deteleviziune


1 - 43


44/77


Fig. 1.22. Schema detaliat a SRA-N.

Reglarea temperaturii. Structura de reglare a temperaturii conine: un traductorde temperatur tip termocuplu TE, un adaptor tensiune-curent TT, un regulator detemperatura TIC, un convertor electro-pneumatic TY i un robinet de reglare TV,figura 1.23. Elementul sensibil TE este reprezentat de un termocuplu Fe-Co.Termocuplul este montat n conduct. Acest element genereaz un semnal electric,respectiv o tensiune electromotoare de ordinul a 1 mV. Semnalul electric este captat deun adaptor tensiune-curent, TT. Acesta va genera un semnal electric, curent continuu

204 mA, ctre regulatorul de temperatura TIC. Semnalul este figurat printr-o linie

ntrerupt. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 204

mA, ctreconvertorul electropneumatic TY, linia de semnal fiind o linie ntrerupt. Convertorulelectropneumatic va genera un semnal n gama 12,0 bar, linia de semnal fiind

specific semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic TV va primi acest semnal iva aciona asupra organului de reglare, n spe un robinet cu un scaun. Legtura dintreservomotor i organul de reglare este fizic, fiind realizat prin linie continu.

n tabelul 1.12 sunt prezentate i alte simbolizri grafice ale sistemelor demsurat temperatura.


1 - 44


45/77


Fig. 1.23. Schema detaliat a SRA-T.

Tabelul 1.12

Simboluri utilizate n cadrul sistemelor de msurat temperatura

Conexiune de verificare a temperaturii cuteac

Element de temperatur (neconectat la aparatsecundar)

Indicator de temperatura cu tub capilar

Termometru de tip bimetalic cu sticl sau dealt tip


1 - 45


46/77


Tabelele 1.13, 1.14, 1.15 i 1.16 conin i alte elemente grafice utilizate pentrucodificarea sistemelor de msurat umiditatea, sistemelor de contorizare, sistemelor demsurare a radioactivitiii sistemelor de msurare a turaiei.

Tabelul 1.13

Codificri ale sistemelor de msurat umiditatea


Detector de umiditate

Regulator de umiditate de ncpere

Tabelul 1.14

Codificri ale sistemelor de contorizare

Numrtor fotoelectric cu aciune decomutare la fiecare eveniment

Contor cu indicare tip mecanic


1 - 46


47/77


Tabelul 1.15

Codificri ale sistemelor de msurare a radioactivitii


Indicator de radioactivitate

Element de masur a radioactivitii

Tabelul 1.16

Codificriale sistemelor de msurare a turaiei

Traductor de turaie


1 - 47


48/77


1.6. Modelarea i simularea dinamic a sistemelor

Modelarea i simularea dinamic reprezint un instrument eficient i ieftin de

investigare a sistemelor chimice. Consecinele directe n planul automatizrii sunt:- proiectarea algoritmilor de reglare (reglarea dup perturbaie, reglarea cu

model intern, reglarea multivariabil, reglarea predictiv, reglare optimal);- proiectarea structurilor de conducere;- acordarea optimal a regulatoarelor cu aciune dup abatere;- proiectarea sistemelor de semnalizare i protecie a instalaiilor chimice.

Deoarece un sistem chimic reprezint un ansamblu de subsisteme aflate ninteraciune, dinamica sistemului va rezulta din interaciunea fiecrui subsistemcomponent. n cele ce urmeaz se va prezenta dinamica unor elemente tip, elemente ce

se regsesc n structura sistemelor chimice.

1.6.1. Simularea dinamic utiliznd mediul PASCAL

Exemplul 1.6. Dinamica elementului aperiodic de ordinul 1.

Se consider sistemul prezentat n figura 1.24, al crui model matematic este

ubyya =+ (1.34)

avnd condiii iniiale nule.

Fig. 1.24. Element aperiodic de ordinul I.

Expresia normalizat a ecuaiei difereniale (1.34) este

a

yuby

= . (1.35)

Utiliznd metoda Euler de rezolvare a sistemelor de ecuaii difereniale, metodastudiat la disciplina Metode numerice, transcrierea procedurii Model n limbajulPASCAL este prezentat n lista 1.1[5, 11].


1 - 48


49/77


______________________________________________________________________Lista 1.1

Procedura Modelpentru dinamica sistemului (1.35)______________________________________________________________________

Procedure Model ( t i mp: r eal ; var y, f unc: s i r ) ;begi n

f unc[ 1] : =( b*du- y[ 1] ) / a;end; {Model }

______________________________________________________________________

Exemplul 1.7. Dinamica elementului aperiodic de ordinul 2.

Modelul matematic al sistemului S este dat de ecuaia diferenial

ubyyaya =++ 12

. (1.36)

Utiliznd transformarea de variabil

zy = (1.37)

se obine sistemul

=

=++

zy

ubyzaza

12 , (1.38)

respectiv forma normalizat

=

=zy

a

zayubz

2

1 . (1.39)

n lista 1.2 este prezentata transcrierea procedurii Model n limbajul PASCAL[11].

______________________________________________________________________Lista 1.2

Procedura Modelpentru dinamica sistemului (1.39)

______________________________________________________________________Procedure Model ( t i mp: r eal ; var y, f unc: r eal ) ;begi n

f unc[ 1] : =( b*du- y[ 2] - a1*y[ 1] ) / a2;f unc[ 2] : =y[ 1] ;

end; {Model }______________________________________________________________________


1 - 49


50/77


Exemplul 1.8. Dinamica elementelor cu ieiri nsumate.

Fie sistemul prezentat n figura 1.25.

Fig. 1.25. Elementul aperiodic de ordinul I cu ieiri nsumate.

Modelul matematic al sistemului S este

+=

=+

=+

21

22222

11111

yyy

ubyya

ubyya

. (1.40)

Utiliznd expresiile normalizate ale derivatelor:

1

1111

a

yuby

= , (1.41)

2

2222a

yuby

= , (1.42)

transcrierea procedurii Modeln limbajul PASCAL este prezentata n lista 1.3 [11].

______________________________________________________________________Lista 1.3

Procedura Modelpentru dinamica sistemului (1.40)______________________________________________________________________Procedure Model ( t i mp: r eal ; var y, f unc: s i r ) ;

begi nf unc[ 1] : =( b1*du1- y[ 1] ) / a1;f unc[ 2] : =( b2*du2- y[ 2] ) / a2;f unc[ 3] : =0; y[ 3] : =y[ 1] +y[ 2] ;

end; {Model }______________________________________________________________________


1 - 50


51/77


Exemplul 1.9. Dinamica unei variabile de proces.

Se consider sistemul Sprezentat n figura 1.24. Pornind de la definirea abateriivariabilei n raport cu starea iniial, dinamica unei variabile de proces este data de

modelul

+=

=+

yyy

ubyya

0

. (1.43)

Pentru a descrie dinamica ieirii y, procedura Model, scris n limbajulPASCAL, va avea coninutul prezentat n lista 1.4.

______________________________________________________________________Lista 1.4

Procedura Modelpentru dinamica sistemului (1.43)

______________________________________________________________________Procedure Model ( t i mp: r eal ; var y, f unc: s i r ) ;

begi nf unc[ 1] : =( b*du- y[ 1] ) / a;f unc[ 2] : = 0; y[ 2] : =y0[ 2] +y[ 1] ;

end; {Model }______________________________________________________________________

Exemplul 1.10. Dinamica unui traductor.

Se consider un traductor caracterizat prin caracteristica static liniar

[%]1000:

.].[max_min_:

r

muyyy (1.44)

i regimul dinamic

ybrra TT =+ , (1.45)

n care

min_max_

100

yybT

= . (1.46)

Deoarece traductorul este sensibil doar n domeniul [ ]max_min_ yy ,modelul matematic al acestuia trebuie sa reflecte acest fapt. n consecin, pentru amodela n regim dinamic un traductor se va utiliza schema logic din figura 1.26.


1 - 51


52/77


Fig. 1.26. Schema logic asociat modelului dinamic al unui traductor.

1.6.2. Simularea dinamic utiliznd mediul SIMULINK

MATLAB este un pachet de programe de nalt performan, dedicat calculuinumeric i reprezentrilor grafice din domeniul tiinei i ingineriei. Una dintreaplicaiile specifice versiunii 5.1 al mediului MATLAB este mediul SIMULINK. Acest

pachet de programe este utilizat pentru simularea matematic a sistemelor dinamice cuajutorul unor elemente fundamentale [20, 21, 22].

Exemplul 1.11.Simularea dinamic a elementului aperiodic de ordinul 1.

Pentru a realiza simularea dinamic a unui sistem, utiliznd mediul SIMULINK,este necesar parcurgerea urmtoarelor etape:

1. Determinarea modelului matematic n regim dinamic.2. Identificarea blocurilor corespunztoare elementelor dinamice, care

modeleaz sistemul.3. Realizarea diagramei sistemului, format din blocuri standard (aflate n

biblioteca Simulink) sau a blocurilor proprii (create de utilizator).4. Configurarea fiecrui bloc, n funcie de modelul matematic i a

parametrilor asociai sistemului.5. Lansarea n execuie.

6.

Selectarea opiunilor necesare vizualizri rezultatelor simulrii


1 - 52


53/77


A. Modelul matematic al sistemului. Fie sistemul de ordinul 1 fr timp mort,descris prin modelul matematic

( )tuKy

dt

ydT

=+ (1.47)

unde 2T= reprezint constanta de timp a sistemului, 3K= este factorul deamplificare asociat variabilei de intrare u iar mrimea de intrare are o variaie de tiptreapt unitar, ( )tu 1= .

Condiia iniial a sistemului este ( ) 10 =y . Sistemul va fi simulat pe intervalulde timp [ ]10,0 s. Aplicnd transformata Laplace asupra modelului matematic (1.47) seobine

( )

1Ts

ksH

+

= . (1.48)

Ultima relaie reprezint modelul matematic al sistemului, relaie ce urmeaz afi implementat n fereastra destinat construirii i simulrii diagramei.

B. Identificarea blocurilor. Modelul matematic descris de relaia (1.48) poate fiimplementat prin intermediul blocului Transfer Fcndin componentaLinear Librarya

bibliotecii SIMULINK. Pentru generarea semnalului de intrare se utilizeazblocul Stepdin componenta Sources Library. Vizualizarea dinamicii sistemului este realizat de

blocul Scopedin componenta Sinks Library.

C. Proiectarea diagramei. Pentru realizarea diagramei se procedeaz n modulurmtor:

I. Toate blocurile necesare (Transfer Fcn, Step i Scope) vor fi copiate dinbiblioteca SIMULINK n schema bloc. Pentru realizarea acestei etape seexecutsuccesiv operaiile:

I.1. Se activeaz fereastraLinear-Library.

I.2. Se execut click pe blocul Transfer Fcn cu butonul din dreaptamouse-ului. Ct timp este apsat butonul, se realizeaz o copie a

blocului i se plaseaz n diagrama bloc.

I.3.

Similar sunt copiate blocurile: Step-Block din fereastra Source-Libraryi respectiv Scope-Blockdin fereastra Sink-Library.

Operaii uzuale pentru copierea, mutarea i tergerea blocurilor:

copiere - se va utiliza butonul drept al mouse-ului; mutarea blocurilor - se va utiliza butonul stng al mouse-ului; tergerea blocurilor - se va utiliza butonul Delete.


1 - 53


54/77


II.Blocurile se vor conecta conform diagramei din figura 1.27. Acestea pot ficonectate prin apsarea butonului drept al mouse-ului i tragerea unei sgei dela ieirea unui bloc la intrarea altui bloc. n diagrama astfel obinut, blocurile

pot fi deplasate i aranjate cu ajutorul butonului stngal mouse-ului.

Fig.1.27. Diagrama de simulare asociat modelului (1.37).

D. Configurarea blocurilor

Prin configurare se nelege setarea anumitor parametri numerici asociaiblocurilor. n cadrul diagramei din figura 1.26, este necesar configurarea blocurilorStepi Transfer Fcn. Etapa de configurare decurge astfel:

I. Blocul Step

Se execut click pe blocul Step; n urma activrii blocului Step se va deschide csua de dialog specific

blocului, figura 1.28.

Fig. 1.28. Configurarea iniial a blocului Step.


1 - 54


55/77


n cmpurile specifice parametrilor se seteaz:-Step time =0 (ntrziere la aplicarea semnalului de intrare);-Iniial value =0 (valoarea iniial a intrrii);-Final value =1 (valoarea semnalului treapt).

Validarea valorilor introduse se faceprin apsarea butonuluiApply, figura1.29. Butonul Revert se utilizeaz n cazul n care se dorete anulareavalorilor introduse.

Fig. 1.29. Configurarea finala a blocului Step.

Pentru nchiderea csuei de dialog se utilizeaz butonul Close.

II. Blocul Transfer Fcn n urma activrii blocului Transfer Fcn se va deschide csua de dialogspecific blocului, figura1.30.

Fig.1.30. Configurarea iniiala a blocului Transfer Fcn.


1 - 55


56/77


n cmpurile specifice parametrilor se seteaz, conform figurii 1.31,parametrii urmtori:

- Numerator = [3] (valoarea coeficientului de amplificare);- Denominator = [2, 1] (2-coeficentul lui s1, 1-coeficentul lui s0 );

Fig.1.31. Configurarea final a blocului Transfer Fcn.

n urma etapei de configurare, diagrama bloc va avea aspectul din figura 1.32.

Fig.1.32. Diagrama final asociat modelului (1.37).

Diagrama bloc se va salva sub numele deprob11, alegnd comanda File/SaveAs,cu extensia mdl.


1 - 56


57/77


E. Selectarea opiunilor necesare vizualizrii rezultatelor simulrii

Pentru o mai bun reprezentare grafic a rezultatelor, n meniulSimulation/Parameters/Solvervor fi setai urmtorii parametrii, figura 1.33:

-

Start Time i Stop Time pentru setarea intervalului de integrare;- Euler, Adam sau Runge-Kutta din meniul Solver Options pentru

alegerea metodei de integrare.

Fig.1.33. Meniul Simulation parameters.

Vizualizarea rezultatelor simulrii este accesibil prin utilizarea blocului Scope,trsturile acestuia fiind prezentate n figura 1.34:

Butonul situat cel mai din stnga este butonul de Zoom, care permitemodificarea dimensiunilor graficului n ambele direcii (se alege aria demodificare cu mouse-ul);

Urmtoarele dou butoane sunt de asemenea butoane de Zoom. Elepermit modificarea graficului n direciax, respectivy;

Butonul prevzut cu binoclu este butonul Auto-scale, funcie carereproduce rspunsul ntregului sistem; Butonul Save-axessalveaz configuraia axelor, aa cum au fost definite

de funciaZoom; Butonul situat cel mai din dreapta este butonul Properties, care permite

configurarea blocului Scope n cadrul meniului Axes. n cmpurileYmax i Ymin se introduc valori pentru determinarea limitelor dereprezentare pe axa y, figura 1.35.


1 - 57


58/77


Fig. 1.34. Funciile blocului Scope.

Fig.1.35. Csua de dialog a butonului Properties.

F. Lansarea n execuie.

Aceasta este realizat prin comanda Start din meniul Simulation, figura 1.36.

Fig.1.36. Execuia comenzii Start.


1 - 58


59/77


n figura 1.37 este redat dinamica sistemului de ordinul 1 fr timp mort.Rspunsul sistemului este specific unui sistem aperiodic de ordinul 1.

Fig.1.37. Rezultatul obinut prin simularea sistemului de ordinul 1 fr timp mort.

Exemplul 1.12.Simularea dinamic a elementului aperiodic de ordinul 1cu timp mort.

Pentru a realiza simularea dinamic a sistemului, utiliznd mediul SIMULINK,sunt necesar parcurgerea acelorai etape prezentate in cadrul exemplului 1.10.

A. Modelul matematic al sistemului.

Fie sistemul de ordinul 1 cu timp mort, descris prin modelul matematic :

( ) =+ tuKydtydT (1.49)

unde 2T= reprezint constanta de timp a sistemului, 3K= este factorul deamplificare asociat variabilei de intra

Date post:	02-Jun-2018
Category:	Documents
Upload:	ancaene99
View:	325 times
Download:	39 times

Cap 1 Patrascioiu

Documents