LUCRARE DE LICENȚĂ -...

Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Automatică şi Calculatoare

Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENȚĂ

Sistem de reglare al unui circuit de răcire cu

apă industrială

Absolvent

Voinea I. Constantin

Coordonatori

Prof. Dr. Ing. Sergiu Stelian Iliescu

Șl. Dr. Ing Iulia Dumitru

București, 2013

2

CUPRINS 1. Problematica sistemelor de răcire 3

1.1 Sisteme de racire cu apă de mari dimensiuni 3 1.2 Turnul de răcire 4 1.2.1 Scurt istoric 4 1.2.2 Structură și materiale 5

1.2.3 Clasificarea turnurilor de răcire 5 1.2.4 Modelarea sistemelor de răcire 10

1.3 Schimbătorul de căldură 13 1.3.1 Descriere funcțională 13

1.3.2 Clasificarea schimbătoarelor de căldură 14

2. Studiu de caz – Sistem de răcire cu apă industrială 17 2.1 Funcționarea procesului – descriere 18 2.2 Descriere echipamente 21

3. Modelare analitică 29 3.1 Modelarea procesului de curgere laminară prin conducte 29 3.1.1 Modelul intrare-ieșire 30 3.1.2 Liniarizare și centrare 31

3.2 Modelarea procesului de transfer termic cu parametri distribuiți 32 3.2.1 Modelul intrare-ieșire 33 3.2.2 Liniarizare și centrare 34 3.2.3 Metoda trecerii la limită 35

4. Strategie de reglare și control 37 4.1 Sistemul de reglare automată a debitului 38 4.1.1 Definirea strategiei de reglare 39 4.1.2 Proiectare regulator PI 40 4.1.3 Studiu de caz 41 4.2 Sistemul de reglare automată a temperaturii 44 4.2.1 Definirea strategiei de reglare 46 4.2.2 Proiectare regulator 46 4.2.3 Discretizarea regulatorului 48 4.2.4 Studiu de caz 49

5. Aplicația de monitorizare și control distribuit 52 5.1 Sistemul DCS CENTUM VP 54

5.2 Analiză intrări/ieșiri 58 5.3 Dimeansiunarea sistemului DCS 60 5.4 Analiza variabilelor interne 62 5.5 Interfațarea cu utilizatorul 65 5.6 Structura aplicației de monitorizare si control 69

6. Concluzii și perspective 80

7. Bibliografie 81

3

În contextul actual al dezvoltării tehnologice, dezvoltare ce se menține pe o

curbă exponențială, nevoia și totodată cererea de informație la nivelul oricărui segment al societății umane a crescut la un nivel la care nu cu mulți ani în urmă oamenii abia dacă își puteau închipui că se poate ajunge. Inovațiile din domeniul tehnologiei informației și al telecomunicțiilor, evoluția rapidă a cestor domenii spre concepte și produse foarte performante, dar în același timp accesibile unui larg segment social, a dus la formarea societății ce ne înconjoară, o societate bazată pe cunoaștere.

Acest nou tip de societate a dus la schimbări profunde în toate domeniile,

facând posibilă accelerarea fenomenului de globalizare. În același timp a cauzat o adevarată remodelare a economiei mondiale.

În domeniul industrial schimbările datorate integrarii intense a tehnologiei

informațiilor și telecomunicațiilor sunt foarte vizibile. Cunoașterea a devenit ea însăși o resursa foarte valoroasă. Privind prin prisma automatizărilor industriale, acest domeniu al ingineriei a suferit poate cea mai intensă remodelare. Integrarea solutiilor de telecomunicații rapide, robuste, cu un grad mare de fiabilitate a dus la apariția unor sisteme de monitorizare a obiectivelor de interes industrial prin intermediul cărora impactul defectelor sau al funcționării defectuase al echipamentelor a putut fi redus considerabil.

Totodată, sistemele de conducere industrială au ajuns la un grad foarte înalt

de performață odată cu integrarea calculatoarelor de proces în cadrul acestor sistemelor.

1. Problematica sistemelor de răcire

1.1 Sisteme de racire cu apă de mari dimensiuni

Sistemele de răcire cu apă se întalnesc în numeroase aplicații din cele mai diverse domenii. Acestea diferă în ceea ce privește dimensiunile și modul de funcționare în strânsă legatură cu aplicația pe care o deservesc.

Aplicațiile în care se folosesc astfel de sisteme de răcire sunt dintre cele mai

diverse, însa cea mai mare pondere se întâlnește în industria de prelucrare (rafinării, uzine petrochimice), in sistemul energetic (termocentrale), chiar și în instalații de incălzire, ventilație si aer condiționat (HVAC) ale cladirilor.

În lucrarea de față este tratat un circuit de răcire proiectat pentru aplicații

industriale de mari dimensiuni, termocentrale, centrale termonucleare. Din punct de vedere tehnologic, elementele centrale ale circuitului de răcire sunt: turnul de răcire cu flux natural și schimbătorul de căldură.

4

1.2 Turnul de răcire

Turnurile de răcire reprezintă una dintre cele mai folosite metode de degajare în atmosfera a căldurii reziduale la nivel industrial. Acest tip de sistem ofera avantajul de conservare a apei si a energiei prin posibilitatea de refolosire a apei. Totodată este redus si gradul de poluare al mediului înconjurator, in comparație cu sistemele fără recirculare.

În funcție de scopul acestora, turnurile de răcire pot avea dimensiuni dintre cele mai variate: de la unități de mici dimensiuni amplasate pe acoperisul cladirilor până la turnuri foarte mari hiperboloidale, turnuri ce pot ajunge la înălțimi de peste 200 de metri și diametrul bazei de peste 100 de metri.

1.2.1 Scurt istoric

Odată cu apariția revoluției industriale de la inceputul decolului al XIX-lea, și-a facut simțită prezența și nevoia de a răci diverse instalații sau produse topite. O prima a aplicație a sistemelor de răcire au fost condensatoarele termice folosite pentru a mări performanțele motoarelor cu aburi. Condensatoarele foloseau apă rece pentru a condensa aburul provenit de la pistoane sau turbine. Prin procesul de răcire era redusa contrapresiunea, ceea ce a dus în final la o reducere a consumului a abur si de combustibil; în același timp s-a obținut o crestere a puterii motorului cu abur. Cu toate aceastea, alimentarea cu apa rece a instalației de racire era o problemă pentru sistemele de pe uscat, ceea ce a dus in final la o crestere a costurilor apei pentru racire care de multe ori erau mai mari decat reducerea de cost prin folosirea a mai puțin combustibil.

La inceputul secolului al XX-lea, sistemele de racire s-au dezvoltat si totodată

s-au adaptat conditiilor geografice. Astfel, in zone deschise care beneficiau de un spațiu de dimensiuni mari, instalațiile de răcire foloseau bazine de apa rece sau chiar susrse naturale de apa (lacuri,râuri). În zonele urbane, sistemele de răcire s-au dezvoltat pe verticala, aparând astfel turnurile de racire. Totodată au fost luate in calcul si pierderile de apa, pierderi ce aduceau costuri suplimentare mari. Pentru a diminua aceste costuri, au fost gandite diferite sisteme de reciclare a apei, de exemplu recircularea. Aceste turnuri de răcire timpurii erau poziționate fie pe acoperișul clădirilor, fie erau structuri de sine stătătoare.

Figura 1.1. Turn de răcire – 1902

Primul turn de răcire hiperboloidal a fost gândit si proiectat de inginerii

olandezi Frederik van Iterson și Gerard Kuypers în 1918 și a fost construit in acelasi an in orasul Harleen din Olanda. Prima termocentrala alimentatăcu cărbuni cu turn de răcire a ost construita in jurul anului 1930 in Lliverpool, Anglia.[1]

5

1.2.2 Structură și materiale Indiferent de tipul de turn de răcire, toate au în linii mari aceleași compoenete

descrise după cum urmează: [2]

Cadru și armătură – structura exterioară a unui turn de răcire trebuie să fie suficient de rezistentă si flexibilă pentru a putea susține anexele sistemului de răcire – motoare, ventilatoare si alte componente. În funcție de mărime si utilitate, turnurile de răcire pot fi construite din oțel (oțel galvanizat in mediu puternic coroziv). În cazul turnurilor de mari dimensiuni este folosit betonul armat. Deasemenea, fibra de sticlă este utilizatăla scară largă datorită capacității de extindere a perioadei de viață prin protecția ridicată impotriva coroziunii.

Material de umplutură – rolul acestuia este de a facilita transferul de caldură prin maximizarea contactului intre apă si aer. De obicei materialul din care sunt realizate este material plastic, inclizând PVC, polipropilenă și alți polimeri. Datorită eficienței ridicate e transferului termic, turnurile de răcire ale instalațiilor cu apă în general lipsită de reziduuri de dimensiuni mari sunt echipate cu astfel de structură. Tipul de umplutură poate fi deasemenea împarțit in doua categorii după modul în care acționează asupra apei:

Bazin de colectare apă rece – Bazinul de colectare a apei reci este localizat in apropierea parții de jos a turnului (chiar sub turn în unele cazuri) și are rolul de a colecta apa rece care curge în interiorul turnului prin materialul de umplutură. Bazinul este prevăzut cu un punct de evacuare. În multe tipuri de turnuri de răcire, bazinul este amplasat sub turn, captând apa care curge în mod natural.

Zonă de admisie – Punctul prin care aerul intră în turn. Zonele de admisie pot fi localizate, in funcție de modelul de turn pe partea laterală a acestuia sau in partea inferioara a turnului.

Ferestre de admisie unidirecționale – unele tipuri de turn au nevoie de aceasta componenta pentru a egaliza fluxul de aer care intră în turn prin orificii diestincte, dar si pentru a reține apa in interiorul turnului.

Duze de pulverizare – au rolul de a pulveriza apa caldă asupra suprafeței de umplutură (în cazul in carea aceasta există). Duzele pot fi fie fixate cu pulverizare în cerc sau patrat, fie pot aparține unu ansamblu rotativ.

Ventilator – Turnurile de racire folosesc atât ventilatoare axiale cât și centrifugale. Deși sunt un element optional (doar anumite tipuri de turnuri folosesc ventilatoarele), fluxul suplimentar de aer introdus cu ajutorul acestora asigură o temperatura scăzută de răcire. În funcție de dimensiunile ventilatorului, acesta poate fi atat fixat cât și cu unghi variabil. Materialul din care sunt de obicei confecționate este aluminiul, fibra de sticlă și oțelul galvanizat.

1.2.3 Clasificarea turnurilor de răcire

Înainte de a prezenta o clasificare propriu zisă a turnurilor de răcire, este necesară o identificare a principalilor parametri ai turnului, in funcție de care se pot determina aspecte specifice ale diferitelor categorii de turnuri de răcire.

6

În Figura 1.2 se poate observa evoluția temperaturii apei in interiorul turnului de răcire:

Figura 1.2. Evoluția temperaturii apei în interiorul turnului

Unul dintre cei mai importanti factori pentru analiza turnurilor de răcire este reprezentat de temperatura, Twb. Twb este în estență cea mai mica temperatură ce poate fi obinută prin evaporare la o anumită temperatura si umiditate și reprezintă etalonul dupa care se poate defini temperatura de iesire a apei reci din turn.

Δtw – diferența de temperatura intre apa calda ce intra in turn si apa rece de la ieșire; cu cat aceasta diferență de temperatură este mai mare, cu atat randamentul turnului este mai bun.

ΔTw – diferenta de temperatură intre apa rece de la ieșire si temperatura minima de referință Twb; este important ca aceasta diferența sa fiec cât mai mică. Diversitatea aplicatiilor care necesită sisteme de răcire a dus la diversificarea

turnurilor de răcire atat din punct de vedere constructiv cât si din punct de vedere al metodei de răcire.

O primă clasificare se poate face ținând cont de metoda prin care se face schimbul de căldură [2].

1. Turnuri cu răcire uscată – transferul de căldură se face prin intermediul unei

suprafețe de contact, suprafață ce separă agentul de răcire de mediul ambiant (aer). Indicatorul dupa care se poate cuantifica gradul de răcire obținut este temperatura aerului.Acest tip de racire este realizată prin convecție termică si are avantajul de a impiedica procesul de avaporare care duce la pierderi insemnate de agent de răcire. Dezavantajul consta in faptul ca astfel de turnuri au dimensiuni mici, care nu se preteaza unnor aplicatii industriale de dimensiuni mari (uzine petrochimice, termocentrale)

2. Turnuri de răcire cu circuit deschis (răcire umedă) – răcirea intr-un astfel

de turn se face prin evaporare. Procesul de evaporare apare odată cu diferența de temperatură intre agentul de răcire (apa) și aerul ambiant. Un indicator important in procesul de racire prin evaporare este reprezentat de teperatura minimă Twb, indicator ce inglobează atat temperatura aerului cat și umiditatea. Dezavantajul major

7

al acestui tip de turn este reprezentat de pierderea mare de apă prin evaporare și de riscul ridicat de contaminare cu agenti externi al apei.

3. Turnuri de racire cu circuit inchis – soluție hibridă formată din schimbatoare

de caldură de obicei tubulare prin care este introdus produsul ce trebuie răcit, asupra carora este pulverizata apa rece printr-un flux de aer creat de ventilatoare.

Cele trei tipuri de turn oferă avantaje si dezavantaje, in funcție de tipul de instalație pe care o deservesc și de sursa de apă avută la dispoziție. Pentru avea o imagine asupra necesarului de apa intr-o instalație de mari dimensiuni, putem urmari urmatorul exemplu: într-o termocentrală de 700MW cu instalașie de racire cu turn, cantitatea de apă caldă care este racită se ridica la 71.600 m3 pe oră, cu pierderi datorate evaporarii estimate la valoarea de 5% (aproximativ 3600 m3/h). [3] Analizând cazul în care aceeași instalație nu are turn de răcire, ci folosește sistemul monocircular – primește apă rece dintr-o sursă naturală (lac,râu) și elimină apa caldă în aceeași sursă – ar fi nevoie de o cantitate de 100.000 m3/h. Această cantitate de apă va fi extrasă continuu din sursa naturală si deversată ulterior în lac, râu sau ocean. Cu toate ca aparent pierderile de apă prin evaporare sunt mult mai mici decât în cazul folosirii turnului de răcire, sistemul monocircular ridică numeroase probleme de mediu. Deversarea unei mari cantități de apă la temperaturi ridicate în surse naturale are efecte catastrofale asupra vieții acvatice. Poluarea termică produsă de acest tip de răcire a facut ca orientarea către turnuri de răcire să crească semnificant. Continuând cu un ultim exemplu edificator in ceea ce privește necesarul de apă la nivelul unei instalații industriale de mari dimensiuni, s-a estimat că prin turnul unei rafinarii care procesează 40.000m3 de țiței pe zi trece un volum de aprozimativ 80.000 m3/h. [4]

Este ușor de observat faptul că în procesele de răcire, aerul joacă un rol foarte important pentru performanțele sistemelor. Din acest motiv, au fost dezvoltate diferite metode de a introduce fluxul de aer ce ia contact cu apa caldă. Dintre ceastea, cele mai importante sunt: [1]

1. Flux natural – acest timp de turn de racire foloseste forța ascensionala

naturala a aerului umed si cald. Aerul umed și cald se ridica în mod natural datorită diferenței de presiune față de aerul uscat și rece din afara turnului. Aerul cald si are o densitate inferioară aerului uscat, la aceași presiune, formându-se astfel un curent ascensional in interiorul turnului care îndepartează căldura extrasă.

2. Flux creat mecanic – utlizează ventilatoare motorizate pentru a forța fluxul de aer in interiorul turnului. În funcție de amplasarea ventilatoarelor, turnurile cu flux de aer creat mecanic se pot împărți in alte doua dubcategorii

1.1. Flux indus – ventilatorul acționat mecanic este amplasat in varful turnului, avand rolul de a mari cantitatea de aer in turn. Această soluție caracterizată de viteza redusa de aspirare a aerului și viteză ridicată pe evacuare reduce posibilitatea de recirculare a masei de aer (situație in care aerul evacuat este reintrodus in ciclul de răcire.

1.2. Flux forțat – ventilatorul acționat mecanic este amplasat in zona de aspirare a aerului rece. Ventilatorul forțează masa de aer in interiorul turnului, creând

8

in acest mod viteză mare de aspirare și viteză mica de evacuare. Această soluție este mult mai permisivă pentru crearea unui sistem de recirculare a aerului. Dezavantajul unui astfel de sistem constă in vulnerabilitatea ventilatorului amplasat la intrare în ceea ce privește temperaturile scazute. Totodata, puterea motorul care acționeaza ventilatorul trebuie sa fie superioara față de cazul în care fluxul este indus. Sistemul prezintă însă ajantajul de a putea fi instalat într-un spațiu relativ mic, pastrând un randament ridicat al răcirii.

3. Flux natural asistat de ventilator – sistem hibrid îmbinând fluxul natural cu

fluxul de aer creat de ventilator.

Randamentul turnurilor de răcire, cât si fiabilitatea sistemului sunt influențate de modul in care se face direcționarea fluxului de aer in raport cu apa ce trebuie răcită. Ținând cont de acest aspect, se pot defini urmatoarele doua categorii de turnuri de racire:

1. Absorbție incrucișată – Această metodă este astfel proiectată încât fluxul de

aer este direcționat perpendicular pe direcția de curgere a apei. Absorbția aerului se face prin una sau mai multe fețe exterioare ale turnului. După ce fluxul de aer intalnește apa si preia o parte din căldura acesteia, trece intr-o zonă deschisa a turnului de unde este evacuat in atmosfera (cu sau fara ajutorul unui ventilator). Sistemul este prevăzut cu un sistem de distribuție a apei calde cu găuri sau duze prin care apa curge sub forța gavitațională.

Avantejele acestui tip de sistem: Distribuția apei calde utilizând forța gravitațională permite folosirea unor pompe mai mici si necesita un grad mai scăzut de mentenanță. Pulverizarea nepresurizată simplifică problema utilizării debitului variabil. Necesită in general costuri mici, atat costurile inițiale cat si costurile pe termen lung, datorită flexibilității ridicate in alegerea pompelor.

Dezavantaje: Risc ridicat de ingheț. În unele condiții, debitul variabil nu are efectul dorit.

Figura 1.3. Absorbție încrucișată

2. Absorbție contrară curgerii – Fluxul de aer este direcționat în sens opus fața de sensul de curgere natural al apei calde. Fluxul de aer este aspirat prin partea de jos a turnului intr-un spațiu deschis, apoi este direcționat vertical. Apa caldă este

9

pulverizată prin duze sub presiune aproape de varful turnului, debitul de apă coborând prin materialul de umplutură,in sesn opus fluxului de aer.

Avantaje: Distribuția apei prin duze sub presiune face ca acest model sa fie mai rezistent la ingheț. Schimbul de caldura se realizează mult mai eficient datorita gradului mai ridicat de pulverizare a apei calde prin duzele sub presiune. Dezavantaje: Costurile de instalare si de intreținere sunt de obicei mai ridicate, datorită

cerințelor mai ridicate in ceea ce privește sistemul de pompare. Folosirea debitului variabil poate fi dificilă caracteristicilor limitative ale duzelor

de pulverizare sub presiune.

Deși, așa cum am vazut, se pot evidenția numeroase diferențe intre cele doua tipuri de absorbție a aerului, elementele esențiale raman totusi comune: Schimbul de căldura se realizează prin contacul direct al fluxului de aer cu

debitul de apă caldă, ceea ce duce la evaporarea unei cantități de apă. Aerul cald si incărcat cu vapori este eliberat in atmosfera pe la varful turnului Ambele metode necesita un bazin de colectare a apei reci care rezultă în

urma procesului de răcire.

Figura 1.4. Absorbție contrară scurgerii

Un aspect important care trebuie luat în cosiderare atunci când se proiectează un turn de răcire este reprezentat de posibilitatea de a folosi ambele metode de contact aer-apă (curent incrucișat și contrară scurgerii) atât în cazul turnurilor cu flux natural, cât și în cazul turnurilor cu flux creat mecanic. Această flexibilitate ofera proiectantului o mai mare libertate de alegere, având posibilitatea de a se apropia cât mai mult de cerintele de performanță și cost impuse. Continua dezvoltare a domeniilor industriale si nevoia acestora de a răci diverse produse a dus la apariția a numeroase concepte de turnuri de răcire având dimensiuni dintre cele mai variate și folosind metode de racire mai mult sau mai puțin perforrmante. Din acest motiv și modalitatea de construcțtie a turnurilor poate varia. In linii mari insă exista două metode de construcție :[5]

1. Turnuri premontate – Acest tip de turn de răcire este format din compenente

tipizate, modulare care pot si transportate ușor și montate la fața locului. Capacitatea de răcire a turnurilor premontate este relativ scăzută și din acest motiv sunt preferate pentru instalațiile care au cerințe scăzute de rejecție a căldurii, cum ar fi unitățile de procesare alimente, fabrici de textile sau cladiri (spitale, hoteluri). Deroarece sunt

10

frecvent folosite in zone urbane, locuite, pe lângă caracteristicile specifice ale turnului de racire trebuie luate in considerare și aspecte ce țin de controlul zgomotului.

2. Turnuri construite la fața locului – Turnuri special proiectate pentru isntalații

de mari dimensiuni (centrale electrice, rafinarii, complex petrochimic) care ofera capacitate mare de rejecție a caldurii pentru o cantitate mare de agent de răcire.

1.2.4 Modelarea sistemelor de răcire cu recirculare Fiind unul dintre cele mai folosite sisteme de răcire la nivel industrial, in mare măsură datorită posibilității ridicate de conservare a apei și energiei și totodată de reducere a gradului de poluare, există numeroase studii care prezintă diferite strategii de proiectare și implementare pentru a menține în balanță multitudinea de variabile interne si externe ale unui sistem de răcire de mari dimensiuni. În mare măsură însă, lucrările dezvoltate abordează segmente de sine stătătoare ale sistemului de răcire (de exemplu refolosirea apei si minimizarea pierderilor la nivelul turnului, transferul de masă și energie în turnul de răcire și alte aspecte operaționale legate de turn in general). Mai puțină atenție a fost acordată interacțiunii între turnul de răcire și rețeaua de schimbătoare de căldură. Într-un sistem de răcire complex, de mari dimensiuni, este necesară predcția efectelor pozitive sau negative generate de schimbări la nivelul oricăror componente. Ca atare, o provire de ansamblu a sistemului este necesară. Una dintre metodele de modelare care permite existența interacționilor în interiorul sistemului de răcire cu apă este modelul propus de J. K. Kim si R. Smith. [6] (Kim and Smith Design – KSD). Această metodă propune un model al sistemului care să realizeze un maxim al cantității de apă reutilizabile ( minimizarea debitului de apa folosit). În mod convențional, rețelele industriale de răcire cu apă folosesc amplasarea în paralel a schimbătoarelor de căldură. Astfel, schimbătoarele de căldură sunt alimentate cu apă rece individual și direct. Apa caldă este returnată ulterior catre turnul de răcire.

Figura 1.5. Rețea de răcire cu schimbătoare de căldură în paralel

Pentru a avea o imagine clară a proceselor de schimb termic ce au loc in

turnul de răcire, putem creea un model cu ajutorul caruia putem prevedea evoluția debitului de apă de la ieșire si a fluxului de aer ce părăsește turnul.

11

. Figura 1.6. Dinamica aerului si apei in turnul de răcire

Considerând o unitate de volum elementar a turnului de răcire(Figura 1.6),

putem evidenția echilibrul masic la nivelul volumului de control considerat: [7]

𝑚𝑎 1 + 𝑤 + 𝑚𝑤 +𝑑𝑚𝑤

𝑑𝑧𝑑𝑧 = 𝑚𝑎 1 + 𝑤 +

𝑑𝑤

𝑑𝑧𝑑𝑧 + 𝑚𝑤

(1.1)

unde ma și mw reprezintă debitul de aer respectiv debitul de apă, iar w(z) umiditatea în turn in funcție de înălțime. Modificarea umidității in turnul de răcire poate fi exprimată cu ajutorul urmatoarei relații, în funcție de umiditatea medie absolută a aerului în interiorul turnului wturn și de umiditatea absolută masurată la ieșirea din turnul de răcire, în zona de separație cu mediul înconjurător wout:

𝑑𝑤

𝑑𝑧= 𝐾𝐺(𝑤𝑜𝑢𝑡 − 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑛 )

(1.2) Coeficientul KG reprezintă coeficientul de transfer masic al aerului. Expresia matematică a acestuia a fost stabilită exeprimantal în urma a numeroase măsurători în turnuri de răcire. Rezultatul obținut determină coeficientul KG în funcție de debitul de aer ma respectiv de debitul de apă mw la nivelul volumului de control si de coeficienții a,b,c. [8]

𝐾𝐺 = 𝑎 ∙ 𝑚𝑎𝑏 ∙ 𝑚𝑤

𝑐 (1.3)

Expresiile matematice prezentate exprimă dinamica turnului de răcire, dar nu sunt foarte utile în practică deoarece marimile în funcție de care sunt exprimate variabilele de interes nu sunt usor de măsurat în procesul real. Din acest motiv este necesară o detaliere a variabilelor de proces, după cum urmează: [8]

𝑤𝑜𝑢𝑡 = 0.662 ∙𝑝𝑠

𝑝 − 𝑝𝑠

(1.4)

12

Astfel, umiditatea absolută în zona de separație a parții superioare a turnului cu mediul înconjurator este exprimată în funcție de presiunea la saturație a aerului la ieșire 𝑝𝑠 și de presiunea toală 𝑝, ambele masurate in bari. Presiunea la saturație poate fi deasemenea calculată cu ajutorul relației 1.05 asemănatoare relației lui Antoine.

ln𝑝𝑠 = 𝐴0 −𝐵0

𝑇 + 𝐶0

(1.5) Presupunând că aerul parasește turnul cu saturație maximă de vapori, coeficienții A0, B0, C0 au fost determinați experimental, conform [6]. Astfel, pentru 0 °C < T < 57 °C, valorile coeficienților sunt:

A0 = 23.7093 B0 = 4111 (1.6)

C0 = 237.7

Umiditatea aerului absorbit în interiorul turnului poate fi deasemenea exprimată conform relației 1.07, în funcție de umiditătile minimă și maximă la temperatura minimă de referință Twb, wga respectiv wsat, în funcție de temperatura ambiantă Tamv, în funcție de Twb (așa cum a fost definita anterior) și de Cpa căldura specifică a aerului exprimată în MJ/t°C.

𝑤𝑖𝑛 = 𝑤𝑠𝑎𝑡 −𝐶𝑝𝑎𝑤𝑔𝑎

𝑇𝑎𝑚𝑏 − 𝑇𝑤𝑏

(1.7) Având la dispoziție aceste detalii, putem scrie in continuare bilanțul energetic:[10]

𝑚𝑎𝑕𝑎 + 𝑚𝑤 +𝑑𝑚𝑤

𝑑𝑧𝑑𝑧 𝐶𝑝 𝑇𝑤 +

𝑑𝑇𝑤𝑑𝑧

𝑑𝑧 = 𝑚𝑎 𝑕𝑎 +𝑑𝑕𝑎𝑑𝑧

𝑑𝑧 + 𝑚𝑤𝐶𝑝𝑇𝑤

(1.8) ecuație în care ha – entalpia aerului, Cp – căldura specifică a apei, Tw – temperatura apei, iar restul variabilelor au aceasi semnificație anterior specificată. Ecuația (1.8) poate fi simplificată eliminând infiniții mici, în speță termenii de ordinul 2. Se obtine astfel:

𝑚𝑤𝐶𝑝𝑑𝑇𝑤𝑑𝑧

+ 𝐶𝑝𝑇𝑤𝑑𝑚𝑤

𝑑𝑧= 𝑚𝑎

𝑑𝑕𝑎𝑑𝑧

(1.9)

Conform ecuației (1.1), 𝑑𝑚𝑤

𝑑𝑧= 𝑚𝑎

𝑑𝑤

𝑑𝑧, caz in care ecuația (1.9) devine:

𝑑𝑇𝑤𝑑𝑧

=𝑚𝑎

𝑚𝑤(

1

𝐶𝑝

𝑑𝑕𝑎𝑑𝑧

− 𝑇𝑤𝑑𝑤

𝑑𝑧)

(1.10) În consecință, am demosntrat că temperatura și debitul apei la ieșire, cât și gradul de evaporare se pot determina în funcție de debitul de aer la intrare, temperatura de referință Twb și temperatura apei la intrarea în turnul de răcire. Efectul modificării fiecaruia dintre acesti parametri poate fi bine stabilit incă din momentul alegerii tipului de turn si proiectării acestuia.

13

1.3 Schimbătorul de căldură Pentru a înţelege modul de funcţionare al insalaţiei la nivelul schimbătoarelor de căldură, este necesară o evidenţiere a caracteristicilor proceselor cu transfer termic. În cadrul unor astfel de procese se întalnesc fenomene de propagare a căldurii prin corpuri cu temperaturi neuniforme. Conform legilor termodinamicii, transferul de căldură se realizează de la temperaturi ridicate la temperaturi scăzute, fenomenul de propagare încetând în momentul echilibrării temperaturilor. Există numeroase fizice care pot descrie procese cu transfer termic, însă principala marime fizică de stare este temperatura. Celelalte marimi caracteristice depind în mod direct proporțional de temperatură (cantitatea de căldură,fluxul termic,densitatea fluxului termic).

1.3.1 Descriere funcțională Cantitatea de caldură W reprezintă energia schimbată cu mediul ambiant de catre un sistem ai carui parametri rămân constanți si poate fi exprimată astfel:

𝑊 = 𝑚𝑐∆𝑇 (1.11)

- m – masa sistemului - c – căldura specifică a procesului - ∆T – diferența de temperatură între proces și mediu Cantitatea de căldură transferată în unitatea de timp poartă numele de flux

termic, ΦW și este definit prin ecuația (1.12). Unitatea de masura a fluxului termic este Wattul.

Φ𝑊 =𝑊

𝑡

(1.12)

Densitatea fluxului termic q reprezintă cantitatea de căldură care străbate o suprafață izoterma S se masoară in W/m.

𝑞 =𝑊

𝑆 ∙ 𝑡=Φ𝑊

𝑆

(1.13)

Schimbul de căldură se desfașoară, în general, între un agent termic și un produs (fluid). Scopul procesului de transfer termic este acela de a modifca temperatura produsului – prin încălzire sau răcire – în funcție de temperatura agentului de răcire în raport cu temperatura inițială a produsului.

Schimbătoarele de căldură sunt elemente ale instalației industriale iîn care se

desfășoară procesele cu transfer de căldură. Rolul acestora este de a realiza un transfer de căldură cu un randament cat mai ridicat între agenții termici, dar și de a respecta restricțiile de temperatură impuse de procesul tehnologic. Diversitatea tehnologică la nivel industrial este foarte crescută, în consecință există o mare diversitate de tipuri constructive de schimbătoare de căldură. Clasificarea schimbătoarelor de căldură poate fi realizată având în vedere particularitățile

14

transferului de căldură precum și tipul constructiv. Modalitățile de construcție ale schimbătoarelor de căldură pot varia eficacitatea transferului termic.

1.3.2 Clasificarea schimbătoarelor de căldură O primă modalitate de a clasifica schimbătoarele de căldură poate fi reallizată

în funcție de dispunerea fluxurilor (rece si cald). Din această perspectivă există trei tipuri primare de schimbătoare de căldură: [11]

1. Schimbătoare cu flux paralel – cele doua fluide intră în schimbătorul

de căldură pe la același capăt și strabat în paralel toată lungimea acestuia, ieșind pe la capătul opus.

Figura 1.7 – Schimbător de căldură cu flux paralel

2. Schimbătoare în contra curent – fluidele intră în schimbătorul de

căldură pe la capetele opuse. Schimbătorul în contra curent este cel mai eficient, deoarece oferă capacitatea de trasfer de căldura cea mai mare. Acest fapt se datorează faptului că , spre deosebire de schimbătorul cu flux paralel, temperaturile celor doua fluide doar tind sa se egaleze, acest lucru neintamplându-se însă niciodată. Astfel exista in orice punct o diferentă de temperatură între cele două fluide, fapt ce favorizează schimbul de căldură.

Figura 1.8 – Schimbător de caldură în contracurent

Figura 1.9 – Diferenta de temperatură pentru schimbătorul în contracurent

3. Schimbătoare cu flux încrucișat – cele doua fluide strabat schimbătorul

de căldură avand direcții perpendiculare unul față de celălalt.

15

Figura 1.9 – Schimbător de căldură cu flux încrucișat

Eficiența schimbătoarelor de căldură crește odată cu maximizarea suprafeței de contact între cele două fluide și în același timp minimizând rezistența fluidului la curgerea prin schimbătorul de căldură. Performanța acestora poate fi îmbunătățită și prin adaugarea de striuri pe suprafața de separație, in una sau în ambele direcții, modalitate prin care este crescută suprafața de contact. Din punct de vedere pur constructiv, doua dintre cele mai importante tipuri de schimbătoare de căldură sunt: [11]

1. Schimbătoare de căldură cu tuburi și carcasă metalică – De obicei,

produsul care se vrea răcit sau încalzit circula prin sistemul de tuburi, în timp ce agentul de răcire/încălzire va umple săpațiul dintre tuburi. Acest timp de schimbător de căldură este utilizat cu precădere în aplicații de înaltă presiune si temperatură ( peste 30 de bari și 250 grade Celsius), fiind robuste si foarte rezistente. Caracteristicile tuburilor înglobate într-un schimbător de căldură cu carcasă metalică pot fi determinate în funcție de fiecare aplicație în parte.

2. Schimbătoare de căldură cu plăci – Este format din numeroasede

placi subțiri, separate intre ele, cu suprafață mare și cu spațiu pentru trecerea fluidului. Acest timp de schimbător de căldură poate fi , în unele situații, mai performant decât schimbâtorul cu tuburi.

În ceea ce privește modul de transmitere a căldurii și a modului de

funcționare, se pot evidenția două mari ramuri: 1. Schimbătoare de căldură cu amestec – schimbul de căldură se efectuează

prin contact direct între agent si produs. 2. Schimbătoare de căldură cu separație – schimbul de căldură se

efectiează prin intermediul unei suprafețe (serpentină cilindrică sau plata,tuburi)

Se pot defini deasemenea doua moduri în care pot funcționa schimbătoarele de caldură: regimul staționar – temperaturile agenților termici nu variază – si regimul nestaționar – este prezentă o variație in timp a temperaturilor.

Propagarea căldurii este un fenomen complex, putând fi evidențiate trei moduri elementare de transfer termic: [12]

Conducția termică – Acest fenomen de transfer termic prin corpuri sai

în mediu este specific mediilor solide sau straturilor foarte subțiri de fluide. Conducția poate avealoc în corpuri solide de grosime destul de mare (asigurându-se astfel

16

opacitatea la radiații) sau in straturi de fluide protejate împotriva radiațiilor și atat de subțiri încât sa fie imobile, ca urmare a forțelor de vâscozitate. Se poate defini legea fundamentală a conducției (Legea lui Fourier), care se enunță sub formă vectorială astfel:

𝑞 = −𝜆 ∙ ∇𝑇 (1.14)

relație în care densitatea fluxului termic q, definit în (1.13) transmis între două suprafețe izoterme de temperaturi T, respectiv T+∆T depinde de coeficientul de

conductivitate termică 𝜆 și este direct proporționalcu gradientul de temperatură ∇𝑇 . Gradientul de temperatură se defineste astfel :

∇𝑇 = lim∆𝑥→0

𝑑∆𝑇

𝑑∆𝑥. 𝑛 ≅

∆𝑇

∆𝑥∙ 𝑛

(1.15)

ecuație în care ∆𝑇 reprezintă diferența de temperatură, iar ∆𝑥 reprezintă distanța dintre cele doua medii între care se efectueazătransferul termic. Fiind o marime

vectorială, 𝑛 reprezintă normala la planul tangent pe suprafața de conducție.

În consecință, ținând cont de ecuațiile (1.12) și (1.14) fluxul termic poate fi exprimat prin:

Φ𝑊 = −𝜆 ∙ 𝑆 ∙∆𝑇

∆𝑥

(1.16) Coeficientul de conductivitate termică,𝜆 , definește capacitatea subsatnței de a conduce căldură și depinde de starea de agregare, temperatură, presiune, umiditate.

Convecția termică – Acest fenomen se caracterizează prin

transmiterea căldurii în corpuri cu mișcări aparente. Este des întâlnit la fluide în mișcare și la procese de schimbare a stării de agregare. Convecția reprezintă schimbul sub formă de căldură între un fluid și suprafața unui corp solid aflată la altă temperatură sau intre diferite parți ale fluidului în mișcare. Acest fenomen este întotdeauna însoțit de conducție, ca urmare a contacului direct între particulele componente ale fluidului aflate la diferite temperaturi. Transferul de căldură prin convecție apare la majoritatea proceselor din natură su tehnice sub forma schimbului între un fluid și suprafața unui solid.

Legea fundamentală a convecției căldurii (Legea lui Newton), permite calculul

fluxului termic Φ𝑊 , care esteproporțional cu diferența dintre temperatura solidului și cea a fluidului:

Φ𝑊 = 𝛼 ∙ 𝑆 ∙ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑓)

(1.17)

- 𝛼 – coeficintul de convecție a căldurii

- 𝑇𝑠 – temperatura suprafeței solidului - 𝑇𝑓 – temperatura fluidului

- 𝑆 – suprafața de contact Fiind dependentă de mișcarea fluidului, convecția este influențată de natura,

proprietățile acestuia și de interacțiunea sa cu suprafața de transfer de căldură, în

17

vecinătatea căreia are loc modificarea vitezei si temperaturii. Astfel, pe lângă ecuațiile transferului de căldură, convecția este infțuențată de dinamica mișcării fluidelor,ceea ce conduce la modele matematice complicate. Gradul de complexitate se paote reduce considerând fenomenul de convecție în regim staționar, când viteza și temperatura nu se modifică în timp.

Radiația termică – În natură, se poate întalni procesul de transformare

a energiei interne a unui corp, aflat la o anumită temperatură,în energie radiantă, urmată de propagarea ei în toate direcțiile, sub formă de unde electromagnetice, fenomen ce poarta numele de radiație termică. Radiația poate poate fi absorbită, reflectată sau paote străbate corpurile prin transparență, în proporții ce depind de natura acestora. Undele electromagnetice absorbite de corpuri sunt transformate în energie termică. Fluxul de energie radiantă pa care o emit corpurile este direct proporțional cu putera a patra a temperaturii absolute T a acestora și cu suprafața de emisie S, respectând Legea Stefan-Boltzmann:

Φ𝑊 = 𝜍0 ∙ 𝑆 ∙ 𝑇

4 (1.18)

- 𝜍0 = 5,67 ∙ 10−8 [W/m2/K4] constanta lui Stefan-Boltzmann;

În vid, radiația se poate propaga independent de celelalte moduri de transfer, astefel că toate cele trei tipuri de transfer pot exista simultan si în proporții deiferite.

2. Studiu de caz – Sistem de răcire cu apă

industrială

Circuitul de răcire la care face referire atât lucrarea de față cât si aplicația

practică este reprezentat prin schema bloc funcțională din figura 2.1. Un astfel de

circuit de răcire poate fi integrat într-o gamă largă de aplicații industriale ce necesită

răcirea unei cantități mari de apă

18

Figura 2.1. Schema bloc funcțională a sistemului de răcire cu apă

2.1 Funcționarea procesului – descriere

Circuitul de răcire cu apă industrială cuprinde atât răcirea la nivel de

consumator, cât şi răcirea apei pentru a fi ulterior refolosită. Cele două componente

ale sistemului diferă din punct de vedere al gradului de automatizare: racirea la

nevelul consumatorilor este controlata de sisteme automate ale sistmului de control

distribuit, in timp ce racirea apei este realizata cu ajutorul unui turn de racire in care

apa pierde caldura in contact cu aerul.

Traseul apei: din bazinul de stocare, apa rece este direcţionată catre

consumatori cu ajutorul pompelor submersibile. Pentru a asigura o echilibrare

dinamică eficientă a sistemului, debitul de apă pe fiecare ramură consumator este

menţinut constant cu ajutorul unei valve controlate de un controller de debit.

Temperatura produsului ce trebuie racit este menţinută in parametrii cu ajutorul unui

controller de temperatură care ajustează debitul ce intra in schimbătorul de căldura.

Diferenţa de debit este redirecţionată cu ajutorul unei valve cu 3 ieşiri catre

magistrala de retur.

Apa caldă de pe returul sistemului este direcţionată catre varful turnului de

racire unde va fi pulverizată pentru a accelera racirea. Apa rece va fi captată la baza

19

turnului in bazinul de colectare. Cantitatea de apă pierdută prin evaporare va fi

reintrodusă cu ajutorul pompelor, din reţeaua locală sau altă sursă. Va fi monitorizată

temperatura apei din bazin. În cazul în care temperatura este prea ridicata, apa va

intra intr-un proces de recirculare.

Elementele procesului reprezentat de figura 2.1 pot fi grupate in 4 zone

functionale diferite:

1. Zona 1: Alimentare cu apă din reţea a bazinului de colectare 2. Zona 2: Bazinul de colectare, pompele de alimentare cu apă rece a reţelei de

utilizatori si sistemul de recirculare a apei din bazin 3. Zona 3: Utilizatorii reprezentaţi de schimbatoare de caldura care folosesc apa

pentru racire şi sistemul de conducte catre utilizatori. 4. Zona 4: Turnul de racire a apei

Descriere funcţională zona 1:

Echipamentele esențiale aferente zonei 1 sunt cele doua pompe de

alimentare. Pentru a asigura o bună funcționare a grupului de pompare, pe fiecare

conductă sunt montate câte doua valve ce vor delimita pompa. În acest mod,

controlul asupra grupului de pompare crește semnificativ.

Pentru a asigura un grad sporit de siguranță și pentru a evita eventuale cazuri

de funcționare defectuasă a grupurilor de pompare ce pot duce la situații cu risc înalt

pentru factorul uman (spargerea conductei, scurgeri de apă către grupuri de

distribuție electrică), grupul de pompare va avea implementat o comandă de oprire

de urgență acționată de către operator.


Zona 2 a sistemului de răcire cu apă indutrială este reprezentată de bazinul de

colectare, de grupul de pompare a apei reci catre schimbătoarele de căldură și

grupul de recirculare a apei.

Apa rece din bazinul de colectare provine atât din exteriorul sistemului, din

rețeaua de apă locală sau din surse naturale, cât și din apa rezultată în urma

procesului de răcire în interiorul turnului.

Pentru a asigura o bună funcțioanre a grupului de distribuție a apei reci catre

consumatori, în zona 2 există numeroase elemente de monitorizare a variabilelor de

proces, în speță numeroase traductoare analogice.Astfel, pentru a monitoriza

parametrii apei în bazinul de colectare vom avea un traductor de temperatură și

traductoare de nivel. Pentru a asigura o buna precizie a măsurării nivelului,

parametru esențial pentru buna funcțioanre a procesului, vor fi montate 3 traductoare

de nivel care vor funcționa simultan, iar deciziile la nivelul sistemului distribuit de

conducere vor fi luate în funcție de valoarea medie a acestora.

20

Presiunea pemagistrala de apă rece va fi monitorizată prin intermediul unui

traductor de presiune, iar pentru o siguranță sporită a sistemului pe magistrala de

apă rece este montat un presostat care va închide grupul de pompare în cazul în

care presiunea pe condută depăseste o anumită limită superioară. Deasemenea

pentru un grad sporit de siguranță, având în vedere ca la nivelul schibătoarelor de

căldură pot exista scurgeri de substante inflamabile, in bazin există un analizor de

hidrocarburi.


Zona 3 a procesului reprezintă consumatorii ce beneficiază de sistemul de

racire cu apă si buclele de reglare automată aferente. Consumatorii, in speţă

schimbătoare de caldură, sunt conectați in paralel la magistrala de apă rece; după

definitivarea procesului de răcire, apa caldă rezultată este direcţionată către turnul de

răcire de o a doua magistrală. Funcționarea schimbătoarelor de căldură la nivelul

cerințelor impuse se va realiza cu ajutorul unui sestem de control automat.

Astfel, pe ramura de răcire exista un sistem de reglare automată, a debitului

pe intră pe ramură și un sistem de reglare automată a temperaturii produsului al

ieșirea din schimbătorul de căldură. Elementele de execuție cu ajutprul carora se va

realiza controlul automat sunt valvele de control (cu 2 respectiv 3 căi).

Funcțiile de control și totodată de monitorizare a procesului sunt realizate cu

ajutorul a numeroase traductoare de debit și temperatură. Acesti doi parametri vor fi

monitorizați atât în cazul produsului cât și în cazul apei. În consecință, pe fiecare

ramură de reglare sunt montate 3 traductoare de debit și 4 traductoare de

temperatură.

Pentru a evita formarea pungilor de aer, agentul de răcire sub presiune va

intra in schimbătorul de caldură prin partea inferioară şi va ieşi prin partea superioară

în magistrala către turnul de răcire.

Pe fiecare ramură sunt inplementate doua bucle de control:

- Buclă de control a temperaturii produsului - Buclă de control a debitului de agent de răcire

Menţinerea temperaturii de referinţă a produsului ce trebuie răcit este realizată

cu ajutorul buclei de control a temperaturii. În funcţie de valoare returnata de

traductorul de temperatură a produsului la ieșire este ajustat debitul de agent de

racire ce va intra in schimbătorul de caldură, prin intermediul valvei de control cu 3

căi. Excesul de apă este redirecţionat catre magistrala de evacuare prin cea de-a

treia iesire a valvei .

21

Bucla de control a debitului de agent de răcire realizează echilibrarea

dinamică a sistemului. Limitarea debitului de agent de răcire ce intră pe fiecare

ramură este necesară pentru a diminua debitul ce va fi redirectionat pe conducta de

ocolire a schimbatorului de căldură.

In acest mod este eliminată posibilitatea ca o mare cantitate de agent de

racire sa fie redirecţionată pe prima ramură prin conducta de bypass, iar

schimbatoarele de caldură ulterioare sa nu mai primeasca o cantitate suficienta de

apa pentru răcire.Debitul de referinţă va fi setat in funcţie de debitul maxim de agent

de racire necesar unui schimbător de căldură.


Zona 4 este reprezentată de turnul de răcire hiperboloidal cu flux natural.

Forma hiperbolidală a devenit obișnuită în cazul turnurilor cu flux natural, în mare

măsură fatorită rezistenței structurale și a minimului de material folosit. Randamentul

acestuia este mult crescut datorită formei hoperboloidale care imprimă o accelerație

sporită fluxului de aer, crescând în acest mod gradul de răcire.

În condițiile în care apa devine o resursă din ce în ce mai rară în unele zone

ale planetei, sistemele de răcire trebuie sa raspundă acestei noi probleme

reducăndu-și pe cât posibil pierderile de apă prin evaporare și totodată reducînd cât

mai mult gradul de poluare. Pentru un sistem de răcire de mari și foarte mari

dimensiuni , sistem ce trebuie să raspundă unor cerințe de răcire a unor cantități

uriașe de apă, tunrnul de răcire cu flux natural devine cea mai bună soluție.

Din punct de vedere al funcționării, apa caldă este direcționată către partea

superioară a turnului unde este pulverizată; în urma procesului de evaporare,

temperatura apei va scădea, astfel încăt, la baza turnului se ca obține o temperatură

optimă pentru a reintroduce apa în circuitul de răcire.

2.2 Descriere echipamente

Odată cu descrierea funcțională a procesului în ansamblu, au fost alocate

echipamentele necesare funcționării acestuia, însă doar principial. Este nevoie în

continuare de o analiză detaliată a parametrilor de proces și specificarea

caracteristicilor echipamentelor. Aceste carcateristici (principiu de funcționare,

modalitate constructiva) vor trebui să răspundă cerințelor procesului și să asigure

buna funcțioanre a acestuia, respectând parametrii stabiliți.

Valve închis/deschis

Circuitul de răcire are în compunere în diferite zone ale acestuia un numar

total de 9 valve închis/deschis cu doua căi distribuite astfel:

22

- 4 valve pe cele doua magistrale de admisie a apei - 2 valve pe magistralele de distribuție a apei reci - 1 valvă pe circuitul de recirculare - 2 valve pe ramura de bypass a schimbătorului de căldură

Pentru toate cele noua vlave, condițiile de funcționare se încadrează în

parametri similari, având în vedere că prin întregul sistem circula același fluid (apă),

iar presiunile existente sunt relativ aceleasi, nedepățind valoarea de 10 bari.

Având în vedere cei doi parametri amintiți anterior – natura fluidului si

presiunea – am ales toate cele 9 valve închis/deschis ca fiind valve cu solenoid. Un

alt argument în alegerea acestui tip de valvă este reprezentat deasemena și de

folosirea acesteia în majoritatea aplicațiilor în care sunt necesare manipulari de tip

închis/deschis ale debitelor de fluid.

O valvă cu solenoid este o valvă acționată electromecanic, cu ajutorul unui

curent electric care trece printr-un solenoid. În cazul de față, fiind vorba de valve

bipoziționale, rolul solenoidului este de a închide respectiv deschide valva. Așa cum

am menționat anterior, acest tip de valva își gaseste o largă utilizare în sisteme ce

includ circuite de fluide, oferind trecere rapidă si sigură dintr-o stare în cealaltă,

fiabilitate ridicată, curenți mici pentru control și o construcție compactă. [13]

Un alt element ce trebuie luat în considerareatunci cand este ales tipul de

valvă este starea normală a acesteia. În cazul valvelor cu solenoid se definesc

următoarele stări normale: [14]

Normal Închis (NC) – valva este închisă (fluidul nu curge) când solenoidul este de-energizat și este deschisă (fluidul curge) când solenoidul este energizat.

Normal Deschis (NO) – valva este deschisă (fluidul curge) când solenoidul este de-energizat și este deschisă (fluidul curge) când solenoidul este energizat.

Putem alege tipul valvei ținând cont de doua aspecte: energia comsumata și

gradul de uzură a circuitului electric de comandă pe de o parte, și gradul de siguranță

al procesului pe de altă parte. În cadrul procesului mai sus amintit, timpul în care

valvele sunt deschise este cu mult mai mare în comparație cu timpul în care valvele

sunt închise, astfel că valvele NO sunt o bună opțiune, reducănd energia consumată.

Din punct de vedere al siguranței, este justificata folosirea valvelor NC, astfel încât în

cazul în care apare un defect al modulului de comanda din sistemul DCS și se pierde

posibilitatea de comandă a valvei, aceasta să opreasca debitul de apă.

Dupa analiza acestor restricții si posibilități, am înclinat către alegerea valvelor

Normal Închis (NÎ) pentru toate cele 9 valve.

23

Figura 2.2 Valvă cu solenoid normal închisă

Valve de control

În cadrul sistemului de răcire cu apă este nevoie de 2 tipuri de valve de

control: valvă cu 2 căi pentru controlul debitului si valvă cu 3 cai pentru bucla de

control a temperaturii.

Valvele de control folosite sunt valve cu comandă pneumatică.

Pompe

Pentru admisa, distribuția și recircularea apei este nevoie de 5 pompe

distribuite după cum urmează:

- 2 pompe pe cele două magistrale de admisie a apei - 2 pompe pe cele două magistrale de distribuție e apei reci - 1 pompa pentru circuitul de recirculare

Selecția pompelor reprezintă un pas important în orice sistem ce necesită

debite de fluide și este realizată avănd în vedere anumite caracteristici ale

procesului: [15]

1. Inițial este necesară stabilirea debitelor de fluid minime si maxime 2. Stabilirea limitelor de presiune în funcție de distanțe, materialul conductelor,

proprietățile lichidului. 3. Proprietăți specifice ale lichidului (unele lichide pot afecta pompa, iar unele

lichide pot fi afectate de către pompă).

Pentru cele doua magistrale de admisie a apei reci putem folosi pompa

centrifugă cu cuplu mecanic, fiind una dintre cele mai folosite tipuri de pompă pentru

a pune în miscare debite de apă.

Pompa centrifugă este, din punct de vedere constructiv, o pompa cu rotor

radială, care realizează transportul fluidelor prin diverse conducte prin conversia

energiei de rotație a unui rotor cu palete în energie hidrodinamică a debitului de

fluid. Energia de rotație este dată de către un motor (electric sau cu ardere internă).

În mod normal, fluidul este introdus în pompă dealungul sau pe langa rotor și este

accelerat cu ajutorul paletelor

24

Figura 2.3. Pompa centrifuga – schema de principiu

Cuplul motor – rotor cu palete poate fi realizat in doua moduri : mecanic sau

magnetic. [16]

În cazul mecanic, rotorul motorului este comun cu rotorul cu palete.

Avantaj: pompa poate face față mai usor unei cresteri bruste a sarcinii Dezavantaj: lichidul poate patrunde in motor din cauza legăturii directe

(acest inconvenient însă apare în timp, odată cu uzura)

În cazul magnetic, cuplul este realizat cu ajutorul unor dispozitive cu megneți

permanenți atasați celor doua roatoare. Prin intermediul cîmpului magnetic astfel

creat, miscarea de rotație a motorului va fi indusă rotorului cu palete al pompei. De

obicei acest timp de pompă este folosit in medii în care scurgerea de lichis poate

provoca accidente sau distrugeri însemnate (industria chimică, industria electrică),

sau în aplicații în care acțiunea pompei asupra lichidului, în afară de imprimarea

accelerației, sa fie minimă (de exemplu transfer de căldură).

Avantaj: nu există scurgeri către motor și deasemenea blocul motor nu afectează lichidul din punct de vedere termic (intre cei doi magneți există o perna de aer)

Dezavantaj: pompa face față mai greu cresterilor de sarcină; în cazul în care cresterea este prea mare, cuplul magnetic poate fi intrerupt, eliminînd posibilitatea de defectare a motorului.

Pentru distribuția apei reci si recirculare von avea nevoie de pompe care sa

scoată apa din bazin. Se poate opta pentru una din urmatoarele variante:

1. Pompă submersibilă Pompă de obicei centrifugă ce conține un motor închis ermetic de o carcasă

metalică. Întregul ansamblu este introdus in lichid în poziție verticală, iar pompa va

împinge lichidul catre suprafață. [17]

Avantajul acestui tip de pompă constă în faptul că previne formarea pungilor de aer pe conductă datorate diferenței mari de nivel între punctul de absorbție și nivelul instalației. Deasemenea, fiind scufundată în lichid nu necesită un proces special de amorsare la pornire.

25

Dezavantaj: dificultatea mentenaței datorate poziționarii sub apă. Totodată, o atenție deosebita trebuie acordată în cazul in care aceste pompe sunt folosite în lichide ce pot fi contaminate cu hidrocarburi inflamabile, sau chiar pentru a extrage hidrocarburi, din cauza riscului de aprindere.

2. Pompă de suprafată cu sorb submersibil Pompă deasemenea centrifugă dar care este amplasată în afara bazinului de

extracție. Spre deosebire de pompa submersibilă, acest tip de pompă trage lichidul

catre suprafață cu ajutorul unei diferențe de presiune.

Avantajul pompei de suprafața dat în principal de accesul ușor pentru mentenață,fiind instalate în afara bazinului.

Dezavantajul constă în necesitatea de amorsare la pornire și de posibilitatea de a forma goluri de aer pe conducta de absorbție, ceea ce poate duce la supraîncalzirea pompei si defectare.

Luând în considerare avantajele si dezavantajele fiecarui timp de pompă,de

configurația bazinului și totodată tinând cont de înaltul grad de fiabilitate al sistemului

DCS folosit, voi alege pompa submersibilă.

Presostat

Pe magistrala de apă rece este montat un presostat limitat superior.

Presostatul este un comutator care închide un contact electric atunci cănd o anumită

presiune este atinsă. Presostatul poate fi construit sa închidă circuitul atât atunci

cand presiunea atinge o limită inferioară, cât și în cazul atingerii unei limite

superioare.

În cazul de față, presostatul va opri pompa submersibilă pentru distribuția apei

reci in cazul cresterii presiunii pe magistrala de apă rece peste o anumită valoare.

Această crestere a presiunii poate fi datorată unor defecțiuni la consumator,

defecțiuni ce blochează circuitul apei reci.

Traductoare analogice

Pentru a putea integra sistemul de răcire în cadrul unei aplicații DCS vom

avea nevoie de o serie de traductoare analogice pentru a transmite informațiile de

proces către unitatea de monitorizare si control.

A. Traductoare de temperatură

În cadrul unui sistem de răcire cu apă, ca și în cazul general, traductoarele de

temperatură au un rol esențial în buna monitorizare a procesului și pentru luare

deciziilor la nivel de DCS

26

Așa cum am precizat, este nevoie de un număr de 9 traductoare de

temperatură distribuite astfel:

- 1 traductor monitorizarea temperaturii în bazinul de colectare - 2 traductoare de temperatură pe cele două conducte de produs ce

trebuie racit (la intrare și la ieșire din schimbătorul de căldură) - 2 traductoare de temperatură pe cele doua coloane de apă rece (la

intrarea și la iesirea din schimbătorul de căldură).

În alegerea corectă a tipului de traductor de temperatură se vor lua în calcul

gama de temperaturi si restricțiile de proces și deasemeni nevoia de precizie mai

mult sau mai puțin ridicată. În Figura 2.4 se pot observa intervalele de temperatură a

diferite tipuri de traductoare, normal sau extins.

Figura 2.4 Game de temperaturi pentru diferite traductoare de temperatură

Ținând cont de specificul procesului dar și de ceea ce se practică în momentul

de față în lumea industrială, traductoarele care pot fi introduse în sistemul de răcire

sunt cele de tip termocuplu sau cele cu termistor (termorezistență).

1. Termocuplu

Modul de funcționare al unui termocuplu se bazează pe efectul Seeback, efect

care conduce la formarea unei diferențe de potențial electric pe baza unei diferențe

de potențial termic.

Termocuplul este format din doi termoelectrozi alcătuiți din materiale diferite

(însuși principiul de baza al funcționăriii termocuplului se bazează pe materialele

diferite ale electrozilor, deoarece doar între doi electrozi din materiale diferite se

formează un potențial electric odată cu diferența de potențial termic) și sudați la unul

din capete. Capătul sudat se numeste sudura caldă și constituie punctul unde se

formează diferența de potențial, iar între capetele libere această diferență este

masurată.

Avantaje - termocuplul acoperă o gamă largă de temperaturi; în funcție de aliajul din care

este realizat, termocuplul poate masura temeperaturi de la -200°C până la 2300°C.

27

- un alt avantaj este dat de faptul că termocuplul nu necesită alimentare

externă

Dezavantaje - principalul dezavantaj al termocuplurilor este dat de precizie; de cele mai multe

ori, precizia data de un termocuplu este mai mare de 1°C. - Un alt inconvenient al termocuplurilor este reprezentat de îmbatranire; faptul că

funcționează de cele mai multe ori la temperaturi înalte duce ca în timp calitatea masurării cu ajutprul termocuplului sa scadă dramatic [18]

2. Traductoare cu termistor

Acest tip de traductor se bazează pe un termistor (termorezistență).

Termistorul este un tip de rezistor a cărui rezistență electrică variază semnificativ cu

temperatura, variație cu mult mai mare decât într-un rezistor obișnuit. Acest tip de

traductoe necesită energie auxiliară în procesul de masurare a rezistenței electrice,

astfel că pentru a realiza un traductor cu termistor este nevoie de un adaptor de tipul

rezistență – semnal unificat.

Necesitatea alimentării auxiliare ridică însă și probleme specificecum ar fi:

distanța relativ ridicată între adaptor și elemtul sensibil impune controlul riguros al

rezistențelor de linie, neliniaritatea caracteristii statice a elemntului sensibil, ca și a

punții de masurare sau separarea galvanică a semnalului unificat de iețire în raport

cu elementul sensibil.

De obicei, punțile de masurare utilizate la intrarea adaptoarelor sunt punți

Wheastone rezistive alimentate în curent continuu, iar unul din brațe constituindu-

lelementul sensibil.

Avantaje - Principalul avantaj oferit de traductoarele cu termistor este reprezentat de

precizie care poate ajunge pana la 0,01°C. Dezavantaje

- Așa cum am amintit, traductoarele termorezistive au dezavantajul modului complex de construcție și manipulare

- În cazul în care nu este proiectat foarte riguros si nu se ține seama de toate elementele parazite ce pot interveni asupra semnalului dat se termistor, precizia scade dramatic. [19]

Pentru sistemul de reglare prezentat am ales traductorul cu termorezistență

pentru toate punctele de măsurare a temperaturii. Alegerea acestui tip de traductor s-

a bazat în principal pe gama mică de temperaturi ce trebuie masurată, cu temperaturi

maxime de pană la 250 de grade Celsius. Totodată, gradul mare de precizie al

traductoarelor termorezistive reprezintă un mare avantaj, corectitudinea

temperaturilor masurate având capacitatea de a creste performanțele sistemului de

racire, cât și randamentul în ceea ce priveste consumul de apă.

B. Traductoare de debit

28

În cadrul sistemului de răcire prezentat, sunt necesare 6 traductoare dedebit

distribuite după cum urmează:

- 1 traductor de debit la intrarea pe fiecare dintre cele doua ramuri de răcire

- 1 traductor de debit la ieșirea schimbătorului de căldură, pe fiecare magistrală de apă rece, înainte de conexiunea de bypass

- 1 traductor de debit pe fiecare conductă de produs cald, la intrarea în schimbătorul de caldură

Traductorul folosit în cadrul instalației este traductorul cu membrană.

C. Traductor de nivel

Determinarea cu precizie a nivelului în bazinul de colectare reprezintă un

factor foarte important de care trebuie ținut cont, deoarece toate cele 5 pompe vor

funcționa in strînsă legatură cu nivelul din bazin.

Traductorul de nivel ales pentru a măsura nivelul in bazinul de colectare

funcționează pe baza presiunii hidrostatice creată de apă. Unul din aspectele de care

trebuie să se țină cont atunci când este montat acest tip de traductor este legatura

dintre caracteristicile lichidului (densitate) si presiunea exercitată. Din acest motiv,

traductorul de nivel trebuie calibrat exact în funcție de lichidul al carui nivel îl

masoară.

Deasemenea, diferențele mari de temperatură ale lichidului pot determina

rezultate eronate ale nivelului. În cazul de față însă, variația temperaturii apei este

sub 10°C, ceea ce nu interferează cu buna funcționare a traductorului.Deoarece

nivelul în bazin joacă un rol important în buna desfășurare a distribuției de apă, voi

folosi trei traductoare de nivel simultan, iar deciziile vor fi luate in funcție de valoare

medie a valorii returnate de cele trei traductoare.

D. Traductor de presiune

Traductorul de presiune este amplasat pe magistrala de apă rece. Rolul

acestuia în cadrul procesului este doar de indicare a presiunii pe magistrală.

E. Analizor hidrocarburi

Analizorul de hidrocarburi este montat în bazinul de colectare. Așa cum am

precizat, folosirea pompelor submersibile creste riscul de aprindere în cazul în care

apa este contaminată cu diverse hidrocarburi. Rolul acestuia este de a semnala

prezența hidrocarburilor în apa rece, iar pe baza lui sistemul DCS va închide

pompele submersibile. Totodată, o alarma generată de acest analizor va semnala o

scurgere la nivelul schimbătoarelor de căldură.

29

În Tabelul 2.1 se regasesc domeniile de masurare si unitățile de masură ale

tuturor tarductoarelor analogice enumerate:

Traductor

Domeniu MAX

Domeniu MIN

Unitate de

măsură TRADUCTOR TEMPERATURA BAZIN DE COLECTARE

100 -20 °C

TRADUCTOR TEMPERATURA PRODUS INTRARE/IESIRE SCHIMBATOR DE CALDURA

200 0 °C

TRADUCTOR TEMPERATURA APA INTRARE SCHIMBATOR DE CALDURA

100 -20 °C

TRADUCTOR TEMPERATURA APA IESIRE SCHIMBATOR DE CALDURA

150 0 °C

TRADUCTOR TEMPERATURA PRODUS INTRARE/IESIRE SCHIMBATOR DE CALDURA

200 0 °C

TRADUCTOR NIVEL BAZIN DE COLECTARE

10 0 m

TRADUCTOARE DE DEBIT 800 0 m3/h ANALIZOR HIDROCARBURI 5000 0 ppm TRADUCTOR DE PRESIUNE 20 0 bar

Tabelul 2.1. Domeniul si unitatea de masura a traductoarelor analogice

3. Modelare analitică

3.1 Modelarea procesului de curgere laminară prin conducte [12]

Modelarea procesului de curgere este realizat conform procesului reprezentat în figura 3.1.

Figura 3.1 Secțiune din condută cu control asupra debitului

Definirea variabilelor de proces: Procesul este caracterizat de parametrii fizici variabili {ΔP,F} care au urmatoarele semnificaţii:

- ΔP – diferenţa de presiune dintre robinet si diafragma; variaţia acestui parametru se realizază prin modificarea deschiderii valvei de control.

- F – debitul de apă care curge prin conductă - L – distanța între diafragma traductorului și valva de control

30

Semnificaţiile celor doua variabile din punct de vedere intrare/ieşire sunt:

- ΔP – variabilă de intrare - F – variabilă de ieşire

Notaţii: - S – secţiunea conductei - ρ – densitatea fluidului - k – coeficient de frecare

3.1.1 Modelul intrare-ieșire

Ecuaţia de bilanţ in regim staţionar poate fi dedusă prin aplicarea echilibrului de forţe: forţa activă de presiune Na (forţă ce acţionează din exterior asupra lichidului cuprins intre valva de control si diafragmă) egalează forţa reactivă de presiune Nr

(forţă exercitată de către difragmă asupra lichidului de pe tronson).

𝑁𝑎0 −𝑁𝑟0 ≡ 0 (3.1)

În ecuaţia (3.1), Na0 şi Nr0 reprezintă valorile în regim staţionar ale forţelor active, respectiv reactive.

Pentru a deduce ecuaţia de bilanţ in regim dinamic, se aplică legea de conservare a impulsului, a carei ecuaţii este urmatoarea:

𝑁𝑎 𝑡 − 𝑁𝑟 𝑡 =𝑑 𝑀 ∙ 𝑣

𝑑𝑡 𝑡 ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.2) unde M reprezintă masa de apă, iar v reprezintă viteza de curgere dependentă de timp.

Forţa activă Na poate fi definită ca depinzând de presiunea diferenţială Δp,

după legea de variaţie 𝑁𝑎 ≡ ∆𝑃 ∙ 𝑆. În mod similar, forţa reactivă Nr este dependentă

de caderea de presiune pe diafragmă ΔPr , mai precis 𝑁𝑟 ≡ ∆𝑃𝑟 ∙ 𝑆. În continuare se deduce expresia lui ΔPr presupunând că forţa reactivă reprezintă forţa de frecare a apei cu pereţii conductei şi că debitul depinde de lungimea conductei.

𝐹 ≡ 𝐿2 ∆𝑃𝑟𝑘 ∙ 𝜌

(3.3) Folosind in continuare ecuaţia (3.3) expresia forţei ractive devine:

𝐹𝑟 ≡ ∆𝑃𝑟 ∙ 𝑆 ≡𝑘𝜌𝑄2

𝐿4∙ 𝑆

(3.4) În acest mod, ecuaţia de regim staţionar (3.1) devine:

∆𝑃0 ∙ 𝑆 −𝑘𝜌𝑆𝐹0

2

𝐿4≡ 0

(3.5) În mod similar şi având in vedere că 𝑀 = 𝜌 ∙ 𝑉 = 𝜌 ∙ 𝐿 ∙ 𝑆 ,ecuaţia

corespunzătoare regimului dinamic (3.2) poate fi scrisa ca:

31

∆𝑃 𝑡 𝑆 −𝑘𝜌𝐹2(𝑡)

𝐿4𝑆 = 𝜌𝐿𝑆 ∙

𝑑𝑣

𝑑𝑡 𝑡 , ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.6)

Cunoscând faptul că 𝑣 =𝐹

𝑆 , din ecuaţia (3.6) rezultă modelul intrare-iesire

scris sub forma unei ecuaţii diferenţiale neliniare de ordin I:

𝜌𝐿𝑆 ∙1

𝑆∙𝑑𝑦

𝑑𝑥 𝑡 +

𝑘𝜌𝑆 ∙ 𝐹2 𝑡

𝐿4= ∆𝑃 𝑡 ∙ 𝑆. ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.7)

3.1.2 Liniarizare și centrare Pentru a ajunge la un model matematic valid al procesului,este necesar ca

ecuaţia 3.7) sa fie liniarizată. Liniarizarea se face în jurul valorilor de regim staţionar (Δp0, F0). Astfel, termenul neliniar dependent de F2 din ecuaţia (3.7) se poate simplifica prin utilizarea marimilor centrate Δ(ΔP) şi ΔF, care reprezintă mici variaţii ale marimilor dependente de timp in jurul valorilor de regim staţionar, (Δp0, F0). Prin centrare in jurul punctului static de funcţionare obţinem urmatorul set de ecuaţii:

∆𝑃 𝑡 = ∆𝑃0 + ∆ ∆𝑃 𝑡 = ∆𝑃0 + ∆𝑝(𝑡)

𝐹 𝑡 = 𝐹0 + ∆𝐹(𝑡) ,∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.8) Introducând (3.8) în (3.7), se obţine:

𝜌𝐿 ∙𝑑 𝐹0 + ∆𝐹(𝑡)

𝑑𝑡 𝑡 +

𝑘𝜌𝑆 ∙ 𝐹0 + ∆𝐹 𝑡 2

𝐿4= ∆𝑃0 + ∆𝑝 𝑡 ∙ 𝑆,∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.9) Se neglijează infinitul mic [ΔF(t)]2 şi se obţine:

𝜌𝐿𝑑(∆𝐹)

𝑑𝑡 𝑡 +

𝑘𝜌𝑆 ∙ (𝐹02 + 2𝐹0 ∙ ∆𝐹 𝑡 )

𝐿4≅ ∆𝑃0 + ∆𝑝 𝑡 ∙ 𝑆,∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.10)

Se poate observa că, folosind ecuaţia de regim staţionar (3.5), termenii constanţi ai ecuaţiei (3.10) se simplifică. Astfel, se obţine modelul de intrare—ieşire liniar. Ecuaţia nou obţinută descrie aproximativ, dar liniar, dependenţa variației debitului de lichid intr-o conductă lungă, in funcţie de variaţia căderii de presiune.

𝜌𝐿𝑑(∆𝐹)

𝑑𝑡 𝑡 +

2𝑘𝜌𝑆 ∙ 𝐹0 ∙ ∆𝐹 𝑡

𝐿4≅ ∆𝑝(𝑡) ∙ 𝑆,∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.11) Pentru a abţine un model adimensional al dependenţei intrare—ieşire, este

necesară operaţia de normare. Normarea variabilelor centrate la valorile lor de regim staţionar se realizează folosind urmatorul set de ecuaţii:

∆𝐹(𝑡)

𝐹0= 𝑦(𝑡)

∆𝑝(𝑡)

∆𝑃0= 𝑢(𝑡)

, ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.12)

32

În continuare, utilizarea setului de ecuaţii (3.12) in relaţia (3.11) conduce la modelul adimensional intrare--ieşire.

𝜌𝐿𝐹0

𝑑𝑦

𝑑𝑡 𝑡 +

2𝑘𝜌𝑆 ∙ 𝐹02

𝐿4∙ 𝑦(𝑡) ≅ 𝑆 ∙ ∆𝑃0 ∙ 𝑢(𝑡),∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.13) În final, modelul adimensional se obţine prin împarţirea la coeficientul lui y(t) şi

folosind ecuaţia de regim staţionar (3.5):

𝐿5

2𝑘 ∙ 𝐹0 ∙ 𝑆∙𝑑𝑦

𝑑𝑡 𝑡 + 𝑦 𝑡 ≅

1

2∙ 𝑢 𝑡 ,∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.14) Am obţinut prin ecuaţia (3.14) o functie de transfer de ordinul I de tipul

𝐻𝑝(𝑠) =𝐾𝑝

𝑇𝑝 𝑠+1, fără timp mort. Constanta de proporţionalitate şi constanta de timp

sunt:

𝐾𝑝 =1

2

𝑇𝑝 =𝐿5

2𝑘 ∙ 𝐹0 ∙ 𝑆

(3.15) În mod similar se poate obține modelul matematic al curgerii alminare în cazul

conductelor scurte. Parametrul 𝛼 reprezintă coeficientul de debit .În acest caz relația 3.3 devine:

𝐹 ≡ 𝛼𝑆 2∆𝑃𝑟𝜌

(3.16) Efectuând pașii descrisi anterior, obțin o functie de transfer de ordinul I de tipul


𝑇𝑝 𝑠+1, fără timp mort. Constanta de proporţionalitate şi constanta de timp

sunt:

𝐾𝑝 =1

2

𝑇𝑝 = 𝛼2𝑆𝐿

𝐹0

(3.17)

3.2 Modelarea procesului de transfer termic cu parametri distribuiți într-un schimbător de căldură tubular [20]

Modelarea procesului de transfer termic este realizat conform procesului

reprezentat în figura 3.2.

33

Figura 3.2 Secțiune din condută schimbătorul de căldură tubular

Definirea variabilelor de proces: Mărimile caracteristice necesare determinaării modelului analitic în care intervin cele două componente – produs și agent – sunt definite așa cum urmează:

- Fa -- debitul volumetric al agentului de răcire (apă), variabil in funcție de timp; - Fp – debitul volumteric al produsului, considerat constant; - Ta -- temperatura apei in tubul exterior; variaza atat in funcție de timp cât și de-

a lungul tubului. - Tp – temperatura produsului în tubul interior; variaza atat in funcție de timp cât

și de-a lungul tubului. - Sp -- sectiunea tubului interior - Sa – sectiunea tubului exterior

Deasemenea, pentru a realiza modelarea analitică a schimbătorului de

caldură, mai sunt necesare urmatoarele marimi specifice:

- h – coeficientul de transfer termic prin mediu pe unitatea de suprafață, coeficient ce depinde de natura tubului inerior;

- A – suprafața prin care se face transferul de căldură, în speță suprafața tubului interior

3.2.1 Modelul intrare-ieșire Având in vedere ipotezele menționate, se pot scrie in continuare ecuațiile de

bilanț termic, atât in regim staționar cat și in regim dinamic, în funcție de fluxul caloric al agentului. În regim staționar:

𝜌𝑎 ∙ 𝑐𝑎 ∙ 𝐹𝑎0 ∙ 𝑇𝑎𝑖 − 𝜌𝑎 ∙ 𝑐𝑎 ∙ 𝐹𝑎0 ∙ 𝑇𝑎𝑒0 + 𝑕𝐴 𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑒0 = 0

(3.18) Deoarece transferul termic se realizează de la produs la la agentul de răcire, dependența de timp a temperaturii agentului de răcire poate fi definită printr-o funcție crescatoare. Ținând cont de aceasta ipoteză, ecuația de bilanț termic în regim dinamic devine:

𝜌𝑎 ∙ 𝑐𝑎 ∙ 𝐹𝑎 𝑡 ∙ 𝑇𝑎𝑖 − 𝜌𝑎 ∙ 𝑐𝑎 ∙ 𝐹𝑎 𝑡 ∙ 𝑇𝑎𝑒 𝑡 + 𝑕𝐴 𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑒 𝑡 = 𝜌𝑎 ∙ 𝑐𝑎 ∙ 𝑉𝑎 ∙𝑑𝑇𝑎𝑒 𝑡

𝑑𝑡,

34

∀𝑡 ∈ ℝ+ (3.19)

iar împărțind ecuația (3.19) prin 𝜌𝑎𝑐𝑎 , obținem modelul intrare-iesire scris sub forma unei ecuaţii diferenţiale neliniare de ordin I:

𝐹𝑎 𝑡 ∙ 𝑇𝑎𝑖 − 𝐹𝑎 𝑡 ∙ 𝑇𝑎𝑒 𝑡 +𝑕𝐴

𝜌𝑎𝑐𝑎 𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑒 𝑡 = 𝑉𝑎 ∙

𝑑𝑇𝑎𝑒 (𝑡)

𝑑𝑡, ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.20)

3.2.2 Liniarizare și centrare Pentru a obține un model matematic valid al procesului,este necesar ca ecuaţia (3.20) sa fie liniarizată. Liniarizarea se face în jurul valorilor de regim staţionar (Fa0, Tae0). Astfel, termenul neliniar Fa(t)Tae(t) din ecuaţia (3.20) se poate simplifica prin utilizarea marimilor centrate ΔFa(t) şi ΔTae(t), care reprezintă mici variaţii ale marimilor dependente de timp in jurul valorilor de regim staţionar, (Fa0, Tae0). În urma centrării în jurul punctului static de funcţionare obţinem urmatorul set de ecuaţii:

𝐹𝑎 𝑡 = 𝐹𝑎 + ∆𝐹𝑎(𝑡)

𝑇𝑎𝑒 𝑡 = 𝑇𝑎𝑒0 + ∆𝑇𝑎𝑒 (𝑡) , ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.21) Introducând relațiile (3.21) in ecuația (3.20) obținem:

𝐹𝑎0 + ∆𝐹𝑎 𝑡 𝑇𝑎𝑖 − 𝐹𝑎0 + ∆𝐹𝑎 𝑡 ∙ 𝑇𝑎𝑒0 + ∆𝑇𝑎𝑒 𝑡 +𝑕𝐴

𝜌𝑎𝑐𝑎 𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑒0 − ∆𝑇𝑎𝑒 𝑡

= 𝑉𝑎 ∙𝑑[𝑇𝑎𝑒0 + ∆𝑇𝑎𝑒 (𝑡)]

𝑑𝑡, ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.22) iar simplificând marimile de regim staționar conform ecuației (3.18), obținem modelul de cunoaștere liniar ce urmează:

𝑉𝑎 ∙𝑑∆𝑇𝑎𝑒 (𝑡)

𝑑𝑡+ ∆𝑇𝑎𝑒 𝑡 𝐹𝑎0 +

𝑕𝐴

𝜌𝑎𝑐𝑎 = ∆𝐹𝑎 𝑡 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑒0 ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.23) Ecuaţia (3.23) nou obţinută descrie aproximativ, dar liniar, dependenţa variației temperaturii agentului de răcire la ieșirea din schimbătorul de căldură, în funcție de variația debitului de agent de racire. Pentru a abţine un model adimensional al dependenţei intrare—ieşire, este necesară operaţia de normare. Prin normare obținem expresiile adimensionale ale intrării si iesirii sistemului. Normarea variabilelor centrate la valorile lor de regim staţionar se realizează folosind urmatorul set de ecuaţii:

∆𝑇𝑎𝑒 (𝑡)

𝑇𝑎𝑒0= 𝑧(𝑡)

∆𝐹𝑎(𝑡)

𝐹𝑎0= 𝑢(𝑡)

, ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.24)

35

Utilizarea setului de ecuaţii (3.24) in relaţia (3.23) conduce la modelul adimensional intrare--ieşire.

𝑉𝑎𝑇𝑎𝑒0

𝑑𝑧(𝑡)

𝑑𝑡+ 𝑇𝑎𝑒0 𝐹𝑎0 +

𝑕𝐴

𝜌𝑎𝑐𝑎 𝑧 𝑡 = 𝐹𝑎0 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑒0 𝑢 𝑡 ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.25) În final, modelul adimensional se obţine prin împarţirea la coeficientul lui y(t) şi folosind ecuaţia de regim staţionar (3.18):

𝑉𝑎

𝐹𝑎0 +𝑕𝐴𝜌𝑎𝑐𝑎

∙𝑑𝑧(𝑡)

𝑑𝑡+ 𝑧 𝑡 =

𝐹𝑎0


∙𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑒0

𝑇𝑎𝑒0∙ 𝑢 𝑡 ∀𝑡 ∈ ℝ+

(3.26) Am obţinut prin ecuaţia (3.26) o functie de transfer de ordinul I de tipul


𝑇𝑝𝑠+1, fără timp mort. Constanta de proporţionalitate şi constanta de timp

sunt:

𝐾𝑝2 =

𝐹𝑎0


∙𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑒0

𝑇𝑎𝑒0

𝑇𝑝2 =𝑉𝑎


(3.27)

Notăm funcția de transfer obținuta în urma acestui prim pas al modelarii

procesului astfel: 𝐻𝑝2(𝑠) =𝐾𝑝2

𝑇𝑝2𝑠+1 .

În continuare se analizează transferul termic ce variază după lungimea tubului, parametrul care se distribuie după lungime fiind temperatura produsului Tp(x). În regim staționar temperatura produsului scade după x, iar în regim dinamic vom avea dependența Tp(x,t).

3.2.3 Metoda trecerii la limită Metoda de caclul a funcției de transfer folosită, în cazul procesului cu

parametrul Tp(x,t) distribuit, este metoda trecerii la limită care consta în următorii pași: se atașează schimbătorului de căldură un sistem de axe, iar distribuția parametrului se face după coordonata longitudinală x. La distața x se consideră un schimbător de caldură elementar de lungime Δx -> 0, schimbător ce poate fi considerat ca având parametri concentrați. Ținând cont în continuare de ipoteza conform careia pereții tubului interior sunt foarte subțiri și nu acumulează căldură, se pot scrie ecuațiile de regim staționr, respectiv de regim dinamic. În regim staționar:

𝜌𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝐹𝑝 ∙ 𝑇𝑝 𝑥 − 𝜌𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝐹𝑝 ∙ 𝑇𝑝 𝑥 + ∆𝑥 − 𝑕𝑎 𝑇𝑝(𝑥) − 𝑇𝑎𝑒0 = 0

(3.28)

𝜌𝑝 -- densitatea produsului

36

𝑐𝑝 – căldura specifică a produsului

𝑎 -- suprafața de contact a schimbătorului elementar

Suprafața a poate fi exprimată ca fiind:

𝑎 = 𝜋𝐷𝑝∆𝑥

(3.29) Putem împărți prin constanta 𝑕𝑎 în ecuația (3.28) și înlocuind experia lui a

obținem: 𝜌𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝐹𝑝𝑕𝜋𝐷𝑝

∙𝑇𝑝 𝑥 + ∆𝑥 − 𝑇𝑝(𝑥)

∆𝑥+ 𝑇𝑝 𝑥 = 𝑇𝑎𝑒0

(3.30) Aplicănd metoda trecelii la limită în ecuația (3.30),

lim∆𝑥→0

𝜌𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝐹𝑝𝑕𝜋𝐷𝑝

∙𝑇𝑝 𝑥 + ∆𝑥 − 𝑇𝑝(𝑥)

∆𝑥+ 𝑇𝑝 𝑥

(3.31) reiese modelul în regim staționar:

𝜌𝑝 ∙ 𝑐𝑝 ∙ 𝐹𝑝𝑕𝜋𝐷𝑝

∙𝑑𝑇𝑝(𝑥)

𝑑𝑥+ 𝑇𝑝 𝑥 = 𝑇𝑎𝑒0

(3.32) Ecuația de echilibru în regim dinamic va fi de forma:

𝜌𝑝𝑐𝑝𝐹𝑝𝑇𝑝 𝑥, 𝑡 − 𝜌𝑝𝑐𝑝𝐹𝑝𝑇𝑝 𝑥 + ∆𝑥, 𝑡 − 𝑕𝑎 𝑇𝑝(𝑥, 𝑡) − 𝑇𝑎𝑒 (𝑡) = 𝜌𝑝𝑐𝑝𝑉𝑝𝑑𝑇𝑝(𝑥, 𝑡)

𝑑𝑡

(3.33) Pentru simplificarea expresiilor, se folosesc urmatoarele notații:

Vp=Sp∙Δx

𝜌𝑝 ∙𝑐𝑝 ∙𝑆𝑝

𝑕𝜋𝐷𝑝 = 𝜏1

𝐹𝑝

𝑆𝑝= 𝑣 viteza de scurgere

Împarțind prin ha și efectuând înlocurile mai sus menționate, se obține

urmatoarea ecuație:

𝜏1𝑣 ∙𝑇𝑝 𝑥 + ∆𝑥, 𝑡 − 𝑇𝑝(𝑥, 𝑡)

∆𝑥+ 𝑇𝑝 𝑥, 𝑡 + 𝜏1

𝑑𝑇𝑝(𝑥, 𝑡)

𝑑𝑡= 𝑇𝑎𝑒 (𝑡)

(3.34) Aplicănd metoda trecerii la limită în ecuația (3.34), cu ∆𝑥 → 0 , se obține:

𝜏1𝑣 ∙𝜕𝑇𝑝(𝑥, 𝑡)

𝜕𝑥+ 𝑇𝑝 𝑥, 𝑡 + 𝜏1

𝜕𝑇𝑝(𝑥, 𝑡)

𝜕𝑡= 𝑇𝑎𝑒 (𝑡)

(3.35) Pentru a mai face încă un pas către obținerea funcției de transfer, în relația (3.35) se aplică Transformata Laplace în raport cu timpul. Astfel, se obține:

𝜏1𝑣 ∙𝑑𝑇𝑝(𝑥, 𝑠)

𝑑𝑥+ (1 + 𝜏1𝑠) ∙ 𝑇𝑝(𝑥, 𝑠) = 𝑇𝑎𝑒 (𝑠)

(3.36) Rezolvând ecuația diferențială (3.36), rezulta expresia temperaturii Tp(x,s):

37

𝑇𝑝 𝑥, 𝑠 =1

1 + 𝜏1𝑠(1 − 𝑒

−𝑥 1+𝜏1𝑠

𝜏1𝑣 )𝑇𝑎𝑒 (𝑠)

(3.37) Pentru a obține expresia temperaturii doar în funcție de operatorul Laplace s,

se face trecerea x->L, unde L reprezintă lungimea tubului. Astfel vom avea:

𝑒−𝑥 1+𝜏1𝑠

𝜏1𝑣 = 𝑒−

𝑥𝜏1𝑣 ∙ 𝑒−

𝑥𝑠𝑣 = 𝑒

−𝐿𝜏1𝑣 ∙ 𝑒−

𝐿𝑠𝑣

(3.38)

Raportul 𝐿

𝑣 ce semnifică lungimea tubului împarțit la viteza de scurgere a

produsului prin tub reprezintă timpul mort al procesului. În continuare vom folosi notațiile:

𝐿

𝑣= 𝜏

𝑒−

𝐿

𝜏1𝑣 = 𝑘1

Folosind notațiile prezentate, obținem urmatoarea funcție de transfer, sub forma unei conexiuni în paralel:

𝐻𝑝1 𝑠 =𝑇𝑝 𝑠

𝑇𝑎𝑒 𝑠 =

1

1 + 𝜏1𝑠(1 + 𝑘1𝑒

−𝜏𝑠)

(3.39) Reunind cele doua rezultate, atăt funcția de transfer cu parametri concentrați

cât și funcția de trasnfer cu Tp distribuit, obținem funcția de trasnfer globală a procesului de răcire cu timp mort.

𝐻𝑝 𝑠 =1

1 + 𝜏1𝑠(1 + 𝑘1𝑒

−𝜏𝑠)𝐾𝑝2

𝑇𝑝2𝑠 + 1

(3.40)

4. Strategie de reglare și control

Pentru buna funcționare a sistemului de răcire cu apă prezentat, atât din punct de vedere tehnologic, cât și din punct de vedere al obținerii rezultatelor scontate cu cel mai bun randament, stabilirea strategiei de reglare și mai apoi proiectarea și implementarea regulatoarelor aferente fiecărei bucle de reglare sunt de o importanță capitală. Sistemele de reglare automată (SRA) proiectate vor avea ca scop menținerea variabilei de proces reglate la o valoare constantă, valoare impusă printr-o referință constantă.

Este necesar ca stabilirea strategiei de reglare și totodată proiectarea

regulatorului sa fie realizate în strânsă legatură cu perticularitățile obiectului condus. Obiectul condus înglobează din punct de vedere al sistemului de reglare automată, instalația tehnologică (IT),traductoarele (T) și elementele de execuție (EE). Pentru a realiza un sistem de reglare care să atingă abiectivele impuse, este necesară o analiză detaliată a fiecărui element ce compune obiectul condus și totodată inglobarea caracteristicilor esențiale ale acestora în metoda de proiectare a regulatorului.

38

Figura 4.1. Structura obiectului condus

- u(t) – comanda în funcție de timp - m(t) – mărime de execuție - z(t) – ieșirea din instalația tehnologică (mărime fizică specifică) - y(t) – marimea măsurată cu ajutorul traductorului T ( semnal unificat sub formă

de curent continuu 4 – 20 mA)

Traductoarele și elementele de execuție au un impact major asupra performațelor unui SRA,putând introduce neliniarități ce pot deveni dificil de gestionat. Din acest motiv alegerea și integrarea acestora devine o problemă esențială

În ceea ce priveste obiectivele specifice ale unui SRA, asigurarea rejecției

perturbațiilor cât și urmărirea referinței reprezintă doua cerințe fundamentale. Aceste obiective sunt stabilite în strînsă legatură cu particularitățile procesului condus, dar și cu gradul de complexitate al sistemului de reglare.

În cadrul sistemului de răcire cu apă sunt necesare doua sisteme de reglare

automată poziționate pe fiecare ramură de răcire. Astfel, pe fiecare ramură de răcire vom avea un sistem de reglare e debitului ce patrunde pe ramura respectivă, al carui rol va fi de a pastra un debit maxim pe condută și un sistem de reglare a temperaturii produsului prin intermediul schimbătorului de căldură și al apei reci a carui rol este de a regla temperatura produsului răcit prin ajustarea debitului de apă rece care intră in schimbătorul de căldură.

4.1 Sistemul de reglare automată a debitului

Sistemul de reglare automată a debitului pe fiecare ramură de răcire este necesar pentru a raspunde nevoii de echilibrare dinamică. Distribuția apei reci către schimbatoarele de caldură poate fi afectată de o creștere necontrolată e debitului de apă pe ramura cea mai apropiată de pompele de distribuție. Fiind înseriate, există posibilitatea ca o mare cantitate de apă introdusă pe magistrală să patrundă natural pe ramura cea mai apropiată. În acest mod debitul in exces va fi direcționat pe ramificația ce ocoleste schimbătorul de căldură și va ajunge la turnul de răcire fară a fi fost folosită cu scop util. Astfel, în timp ce pe prima ramură debitul este foarte mare, pe ramurile mai depărtate se va constata o scadere a debitului ceea ce atrage după sine imposibilitatea răcirii produsului și auducerea temperaturii acestuia la temperatura de referință.

Cu ajutorul sitemului de reglare automată a debitului se poate restricționa

debitul maxim ce poate trece printr-o ramură de răcire, debit maxim ce va fi stabilit pe

y(t) u(t)

EE IT T

m(t) z(t)

39

HR(s) u(t) y(t)

baza cerințelor schimbătorului de căldura. În acest mod, regulatorul va rejecta orice perturbație a debitului peste referința admisă.

4.1.1 Definirea strategiei de reglare Reglarea debitului se realizează prin intermediul unei bucle standard de

reglare cu urmatoarea structură:

+ -

Figura 4.2. Buclă de reglare debit

HP(s) – funcția de transfer a procesului Funcția de transfer a procesului în funcție de care voi proiecta sistemul de

reglare automată a debitului a fost obținută în urma modelării matematice a curgerii fluidului printr-o conductă în cazul în care si distanța între traductor și elemtrul de execuție au acelasi ordin de mărime. În urma modelarii am obținut un model de

ordinul întai fara timp mort de forma 𝐻𝑝(𝑠) =𝐾𝑝

𝑇𝑝 𝑠+1 .

Constanta de proporționalitate și constanta de timp obținute în urma modelării în funcție de parametrii procesului evidentiate in relatia (3.17) sunt:

𝐾𝑝 =1

2

𝑇𝑝 =∝2𝑉

𝐹0

(4.1)

În aceste condiții obțin funcția e transfer a procesului:

𝐻𝑃(𝑠) =

12

∝2 𝑉𝐹0𝑠 + 1

(4.2)

HTT(s) – funcția de transfer a traductorului de debit

Traductorul de debit folosit în instalația tehnologică pentru a măsura debitul de apă rece pe ramura de răcire este un traductor cu diafragmă care funcționează pe principiul diferenței de presiune. Conform literaturii de specialitate ce dezvoltă cazuistica aplicațiilor de automatizare pentru diverse procese și reglarea diverșilor parametri, se arată că timpul de răspuns al treductorului de debit este neglijabil, motiv pentru care funcția de transfer a acestuia va fi constituită dintr-o constatntă de proporționalitate KT .

[21]

𝐻𝑇𝑇(𝑠) = 𝐾𝑇 (4.3)

HEE(s) HP(s) HT(s) r(t) r(t) ε(t) m(t) z(t)

40

Constanta de proporționalitate a traductorului poate fi usor dedusă din

caracteristica statică a acestuia. Intrarea traductorului este reprezentată de mărimea fizica masurată, iar ieșirea este un curent în gama 4 – 20 mA. În aceste condiții se deduce relația de calcul, utilizând valorile la echilibru ale curentului, I0 respectiv ale debitului, F0. Conform acestei observații, vom avea:

𝐾𝑇 =

𝐼0𝐼𝑚𝑎𝑥

∙ 100

𝐹0

𝐹𝑚𝑎𝑥∙ 100

=𝐼0𝐼𝑚𝑎𝑥

∙𝐹𝑚𝑎𝑥𝐹0

(4.4) HEE(s) – funcția de transfer a elementului de execuție

Elementul de excuție în acest caz este reprezentat de o valvă cu servomotor

pneumatic. Conform literaturii de specialitate ce tratează diverților parametri de proces, acest tip e element de execuție introduce, pe lângă o constantă de proporționalitate KEE, și o întarziere datorată timpului tranzitoriu al deschiderii, respectiv închiderii valvei. În aceste condiții, funcția de tranfer introdusă de elemntul de execuție este de forma: [20]

𝐻𝐸𝐸(𝑠) =𝐾𝐸𝐸

𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1

(4.5) Ținând cont de toate aceste elemente care interacționează cu procesul, se

poate defini funcția de transfer a părții fixate:

𝐻𝐹 𝑠 = 𝐻𝐸𝐸 𝑠 ∙ 𝐻𝑃 𝑠 ∙ 𝐻𝑇𝑇 𝑠 =𝐾𝐸𝐸

𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1∙

𝐾𝑝𝑇𝑝𝑠 + 1

∙ 𝐾𝑇 =𝐾𝐹

𝑇𝐹1𝑠 + 1 (𝑇𝐹2𝑠 + 1)

(4.6)

4.1.2 Proiectare regulator PI Procesele de curgere sunt de obicei procese rapide cu o inerție mică al căror

regim staționar prezintă un grad sporit de sensibilitate la perturbații bruște. În general, pentru procesele de curgere ce sunt caracterizate printr-o constatntă de timp mică și o amplificare mare se recomandă un regulator PI. Regulatorul PI poate asigura, în funcție de caracteristicile procesului și de criteriile de performață, o eroare staționară εst nulă și dacă este nevoie, un comprtament neinerțial al ieșirii.

Performațele sistemului pot fi îmbunătățite cu ajutorul unei componente

derivative,dar trebuie sa se țină cont de faptul căintroducerea acesteia pe calea directă generează o crestere suplimentară a comenzii.

În cazul reglării debitului unde prezența zgomotelor determinate de variația debitului sunt frecvente, introducerea componentei derivative este nerecomandată.[22]

Procesul pentru care voi proiecta regulatorul PI este cel evidențiat de relația

(4.6), un proces de ordinul 2 fară timp mort. Din punct de vedere al metodei de

41

proiectare, voi folosi sinteza sistemului de reglare automată pornind de la funcția de transfer in buclă închisă H0(s).

Funcția de transfer a unui sistem de reglare automată de ordinul al doilea în

buclă inchisă are forma:

𝐻0 𝑠 =𝜔𝑛

2

𝑠2 + 2𝜉𝜔𝑛 + 𝜔𝑛2

(4.7)

Cunoscând funcția de transfer în buclă închisă se poate ușor deduce funcția de transfer pe calea directă , Hd(s) în funcție de care se poate găsi regulatorul dorit conform relației:

𝐻𝑅 𝑠 =1

𝐻𝐹 𝑠 ∙ 𝐻𝑑 𝑠 =

1

𝐻𝐹 𝑠 ∙

𝐻0 𝑠

1 −𝐻0 𝑠

(4.8)

Așa cum se poate observa în relația (4.8), structura regulatorului include modelul invers al procesului. Această abordare este posibilă în cazul în care procesul este caracterizat printr-o rațională strict proprie și stabilă.

Luând în considerare excesul poli-zerouri al funcției de transfer a procesului,

𝑒𝑝 ≤ 2, obținem forma regulatorului:

𝐻𝑅 𝑠 =𝜔𝑛

2𝜉∙

1

𝑠(1

2𝜉𝜔𝑛𝑠 + 1)

∙ 𝑇𝐹1𝑠 + 1 (𝑇𝐹2𝑠 + 1)

𝐾𝐹

(4.9)

Pentru a obține un regulator PI voi alege parametrii 𝜉 și 𝜔𝑛 astfel încât:

1

2𝜉𝜔𝑛= 𝑇𝐹2

(4.10) Introducând egalitatea (4.10) în relația (4.9) voi obține regulatorul PI:

𝐻𝑃𝐼 𝑠 =𝜔𝑛

2𝜉𝑠∙ 𝑇𝐹1𝑠 + 1

𝐾𝐹

(4.11) cu următorii parametri:

𝐾𝑅 =

𝜔𝑛

2𝜉∙𝑇𝐹1

𝐾𝐹𝑇𝐼 = 𝑇𝐹1

(4.12)

4.1.3 Studiu de caz

În cazul sistemului de răcire cu apă se vor considera următoarele funcții de transfer ale procesului, elementului de execuție si al elemntului sensibil:

42

𝐻𝑇𝑇(𝑠) = 1

𝐻𝑃(𝑠) =0,5

6,7𝑠 + 1

𝐻𝐸𝐸(𝑠) =1

5𝑠 + 1

(4.13) ceea ce conduce la o expresie a părții fixate de forma:

𝐻𝐹(𝑠)0.5

5𝑠 + 1 ∙ (6,7𝑠 + 1)

(4.14) Procesul astfel obținut este un proces rapid, având max{TF} < 10 secunde. Din punct de vedere al stabilității, sistemul este stabil conform criteriului Nyquist simplificat, având ambii poli plasați în semiplanul stâng. [22]

𝑝1 = −

1

5

𝑝2 = −1

6,7

(4.15) Pentru a obține parametrii Kr și Ti ai regulatorului trebuie aleseconvenabil

valorile pentru pulsatia naturală 𝜔𝑛 și pentru factorul de amortizare 𝜉 conform

relației (4.11).

Pentru un suprareglaj 𝜍 < 5% , și în acelasi timp pentru a păstra timpul

tranzitoriu la o valoare scăzută, aleg vloarea factorului de amplificare astfel: 𝜉 = 0.7.

În continuare, pentru a realiza simplificarea necesară obținerii regulatprului PI, voi

alege constanta de timp mai mare, 𝑇𝐹2 = 6,7 secunde. Înlocuind cu aceste două

valori în relația (4.11) voi obține valoarea pulsației naturale 𝜔𝑛 :

𝜔𝑛 = 0,106 (4.16)

În urma efectuării acestor calcule, am obținut toate elementele necesare pentru a determina cei doi parametri ai regulatorului PI. Astfel, conform relațiilor (4.12) , obținem:

𝐻𝑃𝐼 𝑠 = 𝐾𝑅 𝑇𝐼𝑠 + 1

𝑇𝐼𝑠 = 0,76 ∙

5𝑠 + 1

5𝑠

(4.16) Simularea sistemului de reglare automată obținut este realizată cu ajutorul simulatorului Simulink al pachetului MATLAB 2012. Din răspunsul sistemului la intrarea treaptă unitară voi extrage timpul tranzitoriu si suprareglajul sistemului, folosind regulatorul PI în forma (4.16).

43

Figura 4.3 Răspunsul în timp al SRA debit

Indicii de performață obținuți sunt:

- Timp tranzitoriu: ttp = 27,14 secunde (considerat la momentul în care ieșirea intră și ramâne în banda de 5%)

- Suprareglaj: σ = 4.3% - Timp de rejecție a perturbației: 27 secunde - Eroare staționară εst =0

În cadrul sistemului de răcire, SRA debit are în principal rolul de a rejecta

perturbațiile apărute pe magistrala de apă rece, având o referință constantă. După cum am precizat, această structură de reglare nu are capacitatea de a asigura o comportare optimă atât în ceea ce priveste modificarea referinței, cât și în raport cu rejectarea perturbației. Având în vedere rolul principal al sistemului de reglare automată a debitului voi efectua acordarea parametrilor regulatorului PI pentru a obține un timp de rejecție a parturbației minim, pastrând totuși un suprareglaj acceptabil.

În urma unui set de simulări succesive, simulări în care am variat cei doi

paramtri ai regulatorului PI am obținut următorul raspuns al sistemului. Acest răspuns în timp este satisfăcator atât în ceea ce privește urmărirea referinței, dar mai ales oferă un timp de rejectare a perturbației treaptă mult îmbunătățit. Parametrii KR și TI obținuți în urma acordării sunt:

𝐾𝑟 = 1𝑇𝐼 = 5.5

(4.17)

44

Figura 4.4 Răspunsul în timp al SRA debit cu perturbație treaptă unitară

Performanțele obținute în urma acordării sunt îmbunătățite în ceea ce priveste rejecția terturbației treaptă, păstrând totusi valori în limite acceptabile ale timpului tranzitoriu si ale suprareglajului.

- Timp tranzitoriu: tt = 40 - Suprareglaj: σ = 6% - Timp de rejecție a perturbației: =22 secunde

4.2 Sistemul de reglare automată a temperaturii Sitemul de reglare a temperaturii pe fiecare ramură de răcire, cu ajutorul

schimbătorului de căldură reprezintă elementul cheie al sitemului de răcire cu apă. Cu ajutorul acestei bucle de reglare se va menține la un nivel de referință temperatura produsului ce trebuie răcit, asigurându-se o dinamică ce va trebui sa se încadreze în cerințele de performață imopuse. Procesul de răcire la nivelul schimbătorului de căldură este un proces cu parametri distribuiți. Așa cum am presupus în cadrul modelării matematice, parametrul care se distribuie este reprezentat de temperatura produsului, iar distribuția acestuia se face în funcție de lungimea schimbătorului de căldură.

Din punct de vedere al modului de funcționare al sistemului de reglare

automată, regulatorul va controla debitul de apă rece care intră în schimbătorul de căldură cu ajutorul elementului de execuție în funcție de temperatura returnată de traductorul de temperatură, la ieșirea produsului din schimbătorul de căldură.

Deoarece procesul cu parametri distribuiți este un proces complex, înainte de

a stabili strategia de control si tipul regulatorului, voi realiza analiza procesului , și totodată a părții fixate în ansamblu.

HP(s) – funcția de transfer a procesului

45

În urma modelarii matematice realizate asupra schimbătorului de căldură în

interiorul căruia schimbul de căldură se realizează de la produs către agentul de răcire, am obținut o funcție de transfer a procesului cu parametri distribuiți de ordin 2 și cu timp mort.

𝐻𝑝 𝑠 =1

1 + 𝜏1𝑠(1 + 𝑘1𝑒


𝑇𝑝2𝑠 + 1

(4.18)

HTT(s) – funcția de transfer a traductorului de temperatură

Așa cum am precizat, traductorul de temperatură folosit în instalația de răcire

cu apă industrială este un traductor cu termorezistență. Forma funcției de transfer a acestui regulator este aleasă pe baza literaturii de specialitate și totodată pe baza experienței acumulate până la momentul de față în domeniul automatizărilor industriale. În consecință, coi considera o funcție de transfer de timp proporțional, care caracterizează cu o precizie ridicată comportamentul intrare-ieșire al traductorului de temperatură.

𝐻𝑇𝑇(𝑠) = 𝐾𝑇

(4.19)

Valoarea parametrului KT poate fi obținută folosind o relație asemănătoare relației (4.4), cu ajutorul caracteristicii statice a acestuia. Astfel, utilizând valorile la echilibru al curentului din gama 4 – 20 mA, I0 și ale temperaturii la echilibru T0, obținem:

𝐾𝑇 =

𝐼0𝐼𝑚𝑎𝑥

∙ 100

𝑇0

𝑇𝑚𝑎𝑥∙ 100

=𝐼0𝐼𝑚𝑎𝑥

∙𝑇𝑚𝑎𝑥𝑇0

(4.20) HEE(s) – funcția de transfer a elementului de execuție

Elementul de execuție care cotrolează debitul de apă rece care intră în

schimbătorul de căldură este reprezentat de o valvă cu 3 căi. Pe lângă rolul deja menționat, valca cu 3 căi redirecționează surplusul de debit de apă rece pe o ramură ce ocolește schimbătorul de căldură. Funcția de transfer introdusă de către elementul de execuție este și în acest caz o functie de transfer de ordinul întâi:

𝐻𝐸𝐸(𝑠) =𝐾𝐸𝐸

𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1

(4.21)

Înglobând cele trei funcții de transfer evidențiate prin (4.18), (4.19) și (4.20) obțin funcția de transfer a părții fixate. Pentru a evita eventuale confuzii între notația timpului mort și constanta de timp a proceslui voi nota 𝜏1 = 𝑇𝑝1.

46

HR(z-1) CNA HF(s)

CAN

𝐻𝐹 𝑠 = 𝐻𝐸𝐸 𝑠 ∙ 𝐻𝑃 𝑠 ∙ 𝐻𝑇𝑇 𝑠 =𝐾𝐸𝐸

𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1∙

1

1 + 𝑇𝑝1𝑠(1 + 𝑘1𝑒


𝑇𝑝2𝑠 + 1∙ 𝐾𝑇

(4.22)

4.2.1 Definirea strategiei de reglare Având în vedere forma complexă a părții fixate evidențiată de relația (4.22) ,

atât din punct de vedere al numarului mare de poli, cât și din punct de vedere al prezenței timpului mort, un algoritm de reglare convențional de timp PI sau PID nu reprezintă cea mai bună soluție. Din acest motiv, voi opta pentru un sistem de reglare automată numeric, cărui schemă bloc funcțională este reprezentată în figura 4.5.

-

Figura 4.5 Schemă bloc funcțională a SRA numeric

Motivele pentru care am ales un sistem de reglare automată numeric, pe langa gradul mare de complexitate al procesului care necesită un regulator capabil de a genera o comandă adecvată, sunt gradul de utilizare frecventă al acestui tip de regulator în industria actuală și totodată numeroasele avantaje oferite. Dintre acestea amintesc faptul că realizarea numerică a legii de reglare oferă o precizie superioară regulatoarelor analogice, posibilitatea includerii regulatorului numeric în cadrul unui sistem distribuit de conducere și nu în ultimul rând posibilitatea de de a îngloba regulatorul numeric întrun sistem de reglaree automată complex, capabil sa realizeze funcții de supraveghere sau diverse grafice ale unor mărimi calculate sau de proces. Elementele specifice ale sistemului de reglare numeric sunt elementele de intefață, elemente ce asigură conversia semnalelor continue în semnale numerice (Convertor Analog Numeric – CNA) și procesul invers de conversie a comenzii numerice în comandă continua (Convertor Numeric Analogic – CAN). 4.2.2 Proiectare regulator

Pentru a putea proiecta un regulator care să corespundă cerințelor de funcționare a părții fixate evidențiate de relația (4.22) , este esențială tratarea timpului mort în mod corespunzător. Timpul mort al procesului este un indicator important care scoate în evidență gradul de deficultate al reglarii procesului respectiv. De regulă, cu cât timpul mort este mai mare cu atât dificultățile de reglare cresc. Pentru o si mai bună analiză, mărimea timpului mort în comparație cu constanta de timp dominantă a procesului reprezintă un indicator mult mai exact.

rk εk uk u(t) y(t)

yk

47

În cazul de față, voi aproxima timpul mort al procesului printr-o rațională strict

proprie prin intermediul aproximării de tip Padé. În consecinţă voi alege următoarea dezvoltare Padé uzuală de ordinul (2+0): [22]

𝐻𝜏(𝑠) =1

1 + 𝜏 𝑠 +𝜏2

2𝑠2

(4.23)

Înlocuind timpul mort 𝜏 din relația (4.22) cu dezvoltatrea Padé a acestuia

evidentțiată prin relația (4.23) și efectuând calculele obțin o formă a părții fixate care să imi permită realizarea unui regulator corespunzător.

𝐻𝐹 𝑠 =𝐾𝐹 1 + 𝜏 𝑠 +

𝜏2

2 𝑠2 + 𝐾𝐹 𝐾1

(𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1) 1 + 𝑇𝑝1𝑠 𝑇𝑝2𝑠 + 1 1 + 𝜏 𝑠 +𝜏2

2𝑠2

(4.24)

relație în care 𝐾𝐹 = 𝐾𝐸𝐸𝐾𝑝2 𝐾𝐹 . Am obținut o funcție de transfer a părții fixate strict

proprie cu un număr de 5 poli și un exces poli zerouri ep= 3. Pentru funcția de transfer a părții fixate obținută voi proiecta un regulator cu comandă continuă, regulator pe care ulterior il voi discretiza prin intermediul uneia din metodele cunoscute. Metoda prin intermediul careia voi proiecta regulatorul este sinteza sistemului de reglare automată pornind de la funcția de transfer în buclă închisă H0(s). În continuare voi considera o funcție de transfer în buclă închisă H0(s) de ordinul 2 confrom (4.7), care deși reprezintă o aproximare a funcției de transfer reale, are capacitatea de a oferi o delimitare a domeniului posibil de acordare a regulatorului. Această observație de bazează pe faptul că, indferent de complexitatea sistemului, se pot alege doua constante de timp dominante ale acestuia în funcție de care se poate analiza comportamentul sistemului în buclă închisă. După alegerea formei funcției de transfer în buclă închisă, pot stabili cerințele locale de performață dorite în funcție de coeficientul de amortizare 𝜉 și se pulsația

naturală 𝜔 cu privire la suprareglaj, timp tranzitoriu și eroare staționară la treaptă, obținând astfel valorile de referință 𝜉0 și 𝜔𝑛0:

- 𝜍 ≤ 𝜍0

- 𝑡𝑡 = 𝑡0 (4.25)

- 𝜀𝑠𝑡 = 0

Pentru HF(s) caracterizat prin raționala strict proprie și stabilă se poate obține regulatorul conform relației (4.8) folosind inversa funcției HF(s) și funcția de transfer pe calea directă Hd(s).

48

În cazul proceselor caracterizate de raționale strict proprii și stabile care au excesul poli zerorui mai mare de 2, caz în care se încadrează si HF(s) al cărui exces poli-zerouri ep = 3 este necesară corecţia funcţiei de transfer H0(s) prin introducerea unui pol suplimentar care sa asigure implementabilitatea regulatorului obținut cu relația (4.8). În acest caz funcția de transfer în buclă închisă va fi de forma:

𝐻0𝐶 𝑠 =𝜔𝑛0

2

𝑠2 + 2𝜉0𝜔𝑛0 + 𝜔𝑛02 ∙

𝑝

𝑠 + 𝑝

(4.26) Polul p reprezintă un pol real situat pe aza reală negativă, departe de origine pentru ca efectul acestuia asupra performanțelor tranzitorii sa fie nesemnificative, eroarea staționară rămânând nulă. Se recomandă ca valoarea acestui pol introdus sa fie: [22]

abs 𝑝 ≫ 6 ∙ 𝜉0𝜔𝑛0 (4.27)

Astfel am obținut toate elementele necesare calculării regulatorului, a cărui formă este:

𝐻𝑅 𝑠 =1

𝐻𝐹 𝑠 ∙

𝐻0𝐶 𝑠

1 −𝐻0𝐶 𝑠

(4.28) a cărui variantă dezvoltată este:

𝐻𝑅 𝑠 =𝜔𝑛0 ∙

2 𝑝

𝑠2 + 2𝜉0𝜔𝑛0 + 𝜔𝑛02 𝑠 + 𝑝 − 𝜔𝑛0∙

2 𝑝∙

(𝑇𝐸𝐸𝑠 + 1) 1 + 𝑇𝑝1𝑠 𝑇𝑝2𝑠 + 1 1 + 𝜏 𝑠 +𝜏2

2 𝑠2

𝐾𝐹 1 + 𝜏 𝑠 +𝜏2

2 𝑠2 + 𝐾𝐹 𝐾1

(4.29)

4.2.3 Discretizarea regulatorului

Discretizarea comenzii continue 𝑢 𝑡 , 𝑡 ∈ ℝ+ este realizată prin intermediul

convertorului analog-numeric folosind o perioadă de eșantionare T stabilită în strânsă legătură cu specificul procesului. În urma conversiei se obține converisa marimii continue y(t) într-o marime numerică yk în funcție de T.

𝑦𝑘 = 𝑦(𝑘𝑇)

(4.30) Funcția de transfer a regulatorului, așa cum am obținut-o în relația (4.29),

poate fi discretizată utilizând metoda Euler (metoda dreptunghiurilor 4.30) sau metoda Tustin (metoda trapezelor 4.31). 1

𝑠≈

𝑇

𝑧−1 (4.30)

1

𝑠≈

2

𝑇

𝑧−1

𝑧+1 (4.31)

Metoda Tustin aproximează cu o precizie mai ridicată raspunsul în timp în comparație de metoda Euler. Totodată, metoda euler de aproximare poate conduce la instabilitate, existând posibilitatea ca un sistem continuu stabil sa fie transformat într-un sistem discret instabil. Chiar dacă necesită un efort mai mare de calcul, voi alege metoda Tustin pentru discretizarea regulatorului (4.29).

49

Perioada de eșantionare T reprezintă un factor esențial pentru performațele regulatorului. Din acest motic perioada de eșantionare se alege ținând cont de proces. În cazul proceselor cu timp mort, categorie în care se încadrează și HF(s) evidențiat în relația (4.24), perioada de eșantionare se alege în funcție de valoarea timpului mort. Conform literaturii de specialitate care dezvoltă problematica legii de reglare discretă în cazul proceselor cu timp mort, se recomandă alegerea perioadei de eșantionare conform relației: [22]

𝑇 ≈ (0,3 ÷ 1) ∙ 𝜏 (4.32)

Odată calculată, comanda numerică este transmisă la momente discrete de timp către spoces. Elementul de interfațare care realizează această transmisie a comenzii este convertorul numeric-analogic. Rolul acestuia este de a converti mărimile numerice în mărimi analogice compatibile cu intrarea elementelor de execuție. Pentru a conversia comenzii numerice voi alege un extrapolator de ordinul zero, extrapolator care menține menține constantă comanda între doua momente discrete de timp. Astfel, comanda continuă va avea urmatoarea forma:

𝑢 𝑡 = 𝑢𝑘 𝑡 ∈ [𝑘𝑇, 𝑘 + 1 𝑇] (4.33)

4.2.4 Studiu de caz

În cazul sistemului de răcire cu apă voi considera urmatparele funcții de transfer ale procesului (în conformitate cu forma obținută în urma modelării matematice), elementului de execuție și ale elementului sensibil:

𝐻𝑇𝑇(𝑠) = 1

𝐻𝑃 𝑠 =1

2𝑠 + 1(1 + 0,6 ∙ 𝑒−1𝑠)

𝐻𝐸𝐸 𝑠 =1

6𝑠 + 1

0.2

55𝑠 + 1

(4.34)

Așa cum am evidențiat prin relatia (4.23), voi aproxima timpul mort al procesului printr-o rațională strict proprie prin intermediul aproximării de tip Padé. În urma calculului elementar în urma căruia rezultă timpul mort sub forma unei raționale strict proprii, obțin partea fixată:

𝐻𝐹 𝑠 =0.1𝑠2 + 0.2𝑠 + 0.32

55𝑠 + 1 6𝑠 + 1 2𝑠 + 1 (0.5𝑠2 + 𝑠 + 1)

(4.35) Procesul obșinut în (4.35) este un proces lent, având o constantă de timp de 55 de secunde (max{TF}>10 secunde) și cu timp mort. Funcția de transfer se caracterizează prin 3 poli reali plasați în semiplanul stîng și doi poli complex conjugați a căror parte reală este deasemenea situată în semiplanul stâng. Având în vedere

50

această observație, conform criteriului Nyquist simplificat procesul obținut este un proces stabil. [22]

𝑝1 = −

1

55

𝑝2 = −1

6

𝑝3 = −1

2𝑝4 = −1 + 𝑖𝑝5 = −1 − 𝑖

(4.36) Consider o funcție de transfer în buclă închisă H0(s) în conformitate cu (4.7), pe baza careia voi stabili cerințele locare de performață în raport cu referința treaptă. În funcție de aceste cerințe voi putea să definesc pulsația naturală și factorul de amortizare al sistemului în buclă închisă. Cerințele de performață impuse sunt următoarele:

- tt < 85 de secunde - σ = 0% (4.37) - εst = 0

Pe baza acestor cerințe de performață pot stabili 𝜉0 și 𝜔𝑛0 . Valorile celor doi

parametri aleși ce asigură cerințele de performață impuse conform (x.37) sunt:

𝜉0 = 0.9

𝜔𝑛0 = 0.05

(4.38) Așa cum am menționat, având un exces poli-zerouri ep = 3 este necesară

corecția funcției de transfer H0(s) prin introducerea unui pol suplimentar care să asigure implementabilitatea regulatorului. Corecția este efectuată prin intermediul

unui compensator de forma 𝐻𝑐=𝑝

𝑠+𝑝 , în urma acesteia voi obține funcția de transfer

în buclă închisă H0c conform relației (4.26).

Din punct de vedere numeric voi alege polul p>> 6𝜉0𝜔𝑛0, pentru a nu afecta performanțele de regim tranzitoriu al buclei. În acest sens aleg polul p=5. Înlocuid în relația (4.26) obțin H0c , evidențiind compensatorul.

𝐻0𝑐 =0.0025

𝑠2 + 0.09𝑠 + 0.0025∙

5

𝑠 + 5=

0.0125

𝑠3 + 5.09𝑠2 + 0.4525𝑠 + 0.0125

(4.39)

Răspunsul funcției de transfer în buclă închisă compensată este reprezentat în figura 4.6 .Este de observat faptul că performațele sistemului ramân cele stabilite de (4.37).

51

Figura 4.6. Raspunsul funcției în buclă închisă la intrare treaptă unitară

În urma obținerii funcției în bucla închisă compensată H0c și avănd în vedere că procesul este stabil iar funcția de transfer este strict proprie, pot cacula regulatorul continuu conform relației :

𝐻𝑅 𝑠 =1

𝐻𝐹 𝑠 ∙ 𝐻𝑑

𝑐 𝑠 =1

𝐻𝐹 𝑠 ∙

𝐻0𝑐 𝑠

1 − 𝐻0𝑐 𝑠

(4.40) Dupa efectuarea calculelor obțin regulatorul:

𝐻𝑅 𝑠 =4.125𝑠5 + 11.08𝑠4 + 14.29𝑠3 + 6.444𝑠2 + 0.8𝑠 + 0.0125

0.1𝑠5 + 0.709𝑠4 + 1.383𝑠3 + 1.719𝑠2 + 0.1448𝑠

(4.41)

Figura 4.7. Răspunsul SRA temperatură la intrarea treaptă unitară

52

În cazul rejecției perturbației treaptă unitară cu o valoare de 10% din comandă,

sistemul de reglare automată are următorul răspuns:

Figura 4.8. Răspunsul SRA temperatură la intrarea treaptă unitară și rejecția perturbației

Prin dicretizare cu metoda Tustin și o perioadă de discretizare T=1, aleasă în

funcție de timpul mort 𝜏 care în cazul de față are valoarea 1, obțin urmatorul

regulator discret:

𝐻𝑅 𝑧−1 =

13.76 − 38.91𝑧−1 + 42.64𝑧−2 − 24.15𝑧−3 + 8.048𝑧−4 − 1.372𝑧−5

1 − 1.628𝑧−1 + 0.5913𝑧−2 − 0.0461𝑧−3 − 0.0292𝑧−4 + 0.1118𝑧−5

(4.42)

5. Aplicația de monitorizare și control distribuit Facând primii pași în industrie în anii ‘80, conceptul de Sistem de Control

Distribuit (Distributed Control System – DCS) a ajuns în zilele noastre nelipsit din fiecare ramură a industriei la nivel mondial. Sistemele DCS s-au dezvoltat odată cu evoluția exponențială a nivelului tehnologic, înglobând cele mai noi și performante produse din numeroase ramuri: electronică, telecomunicații, IT&C.

Conceptul de DCS este recunoscut în general ca făcând referire la un sistem

de control al unei unități industriale, al unui proces sau al oricărui tip de sistem dinamic în care elementele de control nu sunt fizic centralizate, ci sunt distribuite în interiorul sistemului.

53

Întreagul sistem de controllere este interconectat într-o rețea de comunicatii si monitorizare. Utilizarea DCS se regaseste într-o multitudine de ramuri industriale, (centrale electrice, rafinarii, uzine petrochimice si metalurgice) având atribuții specifice de monitorizare si control a echipamentelor distribuite.

DCS a fost introdus în paralel de catre Honeywell și de catre firma japoneză

de inginerie electrică Yokogawa care au venit pe piață cu două sisteme : TDC 2000 și CENTUM. Noul concept de automatizare a aparut in special datorită utilizarii la scară largă a microprocesoarelor în zona controlului de proces. Una dintre caracteristicile de baza ale sistemului de control distribuit a fost introducerea programarii cu ajutorul limbajului FBD (Function Block Diagram), mod de programare care a rezistat pana in ziua de azi. [23]

Unul dintre cele mai importante avantaje aduse de DCS a fost posibilitatea de

comunicație digitală între controllere, stații de lucru și alte elemente ale rețelei. Odată cu evoluția Internetului si dezvoltarea tehnologiei Ethernet ce foloseste stiva TCP/IP, sistemele DCS au adoptat aceasta modalitate de comunicații. În ceea ce priveste timpul magistralelor de câmp care să înlocuiasca standardul analogic 4-20 miliamperi si care sa devina standard IEC, au existat diverse variante create de marile firme ce dominau automatizarile industriale. Dintre acestea au fost adoptate la scara mare Industrial Ethernet, Fieldbus si Profibus. [24]

Un pas important în dezvoltarea DCS a fost migrarea de pe sistemele UNIX

catre sisteme bazate pe Windows, proces desfășurat în anii ‘90. Exceptând aplicatiile specifice controlului în timp real care au ramas pe sistemele UNIX, totul a fost migrat pe sisteme Windows. Odată cu trecerea produse Microsoft, au dezvoltate noi tehnologii, cum ar fi OPC (Object Linking and Embedding for process control), prin care a fost redefinit standardul de conectivitate .

OPC a fost proiectat cu scopul de a oferi o baza de date comună între aplicații

industriale bazate pe Windows. OPC oferă conectivitate de tip Client—Sever . Producătorul de echipamente creaza OPC Server pentru fiecare echipament al sau iar integratorii de sisteme de control distribuit creaza un OPC Client, fiind astfel posibila interconexiunea diferitelor echipamente existente pe piața.

Scopul serverelor OPC o metodă de acces la datele echipamentelor din cadrul

controlului de proces pentru toate pachetele software ale PLC sau DCS(atata timpcat sunt OPC Client). Această posibilitate de acces este realizată cu ajutorul unei interfețe comune care odata creată poate fu utilizată de către orice aplicatie OPC Client.

Sistemele de control distribuit sunt implementate în direrite aplicații industriale,

indiferent de marimea acestora și sunt conectate la toți senzorii, traductoarele si elementele de execuție existente. Sistemul distribuit primeste atat informații de proces – cu ajutorul traductoarelor – cât și informații de feedback pentru a se asigura buna funcționare a tuturor elementelor de auomatizare.

În ceea ce privește capacitatea de a susține bucle de control, sistemele de

control distribuit moderne înglobează nu numai regulatoare tradiționale (PID) ci suportă modaliăți de control logic sau secvențial și au chiar posibilitatea de a implementa aplicații cu rețele neuronale si sisteme fuzzy.

54

Sistemele de control distribuit sunt prevăzute în general cu redundanță la nivelul procesoarelor pentru a asigura un maxim de fiabilitate si disponibilitate a sistemului. DCS-urile moderne ofera un grad ridicat de suport pentru programator, având numeroase librării preimplementate, astfel utilizatorul final sa se concentreze mai puțin pe programarea de bază și mai mult pe buna functionare a sistemului de control distribuit. Astfel inginerii au nevoie, pe lângă cunostințele specifice aplicației industriale, și de cunostințe de programare și totodată o buna cunoastere a echipamentului specific DCS.

5.1 Sistemul DCS CENTUM VP Încă de la apariția sistemelor de control distribuit s-a pus accent atat pe

dezvoltarea metodelor de control cât și a interfețelor operator. Chiar daca scopul DCS nu s-a modificat până în zilele noastre, sistemele au evoluat punându-se accent pe integrarea tuturor informațiilor de la nivelul unei instalații pentru a asigura funcționarea in cele mai bune condiții și cu cele mai bun randament.

Pachetul software CENTUM VP produs de Yokogawa a ajuns la a șaptea

generație a sistemelor CENTUM. Configuraţia sistemului CENTUM VP CENTUM VP nu are o arhitectură aparte faţă de sistemele DCS existente în

momentul de faţă. Astfel, arhitectura CENTUM VP include:

interfaţa om-maşină (HIS – Human Interface Station)

stație de control (FCS – Field Control Station)

echipamente de rețea.

Aceste compenente de baza ale sistemului oferă suport atât pentru aplicații de mici dimensiuni cât si pentru aplicații industriale foate mari si complexe, cu pana la 1000000 de taguri. CENTUM VP a fost gandit si dezvoltat urmarind principiul de a pastra disponibilitatea instalației industriale indiferent de conditiile de utilizare. Scopul urmarit sistemul DCS al Yokogawa este acela de a funcționa fara erori, păstrând in funcțiune instalația. Fiabilitatea acestui sistem este verificata de un mare numar de FCS-uri încă operaționale la mai mult de 20 de ani e la instalare.

Într-o configurație CENTUM VP, FCS-urile sunt proiectate să funcționeză fără

partea grafică reprezentata de HIS. Procesarea datelor, controlul logic, procedurile, în esență controlul fundamental de proces este înglobat în FCS. HIS-urile funcționează numai ca elemente de monitorizare și supraveghere. Într-un sistem de control, FCS se comporta ca un server iar HIS ca un client. Gradul de disponibilitate al unui FCS (conform specificațiilor Yokogawa) este de 99.99999% (de unde și posibilitatea foarte redusa de a opri producția din cauza unor erori interne) și respectă unrmătoarele cerințe:

Este afectat de un numar foarte redus de erori

Este tolerant la defecte

Recuperarea din starea de eroare se face într-un timp foarte scurt.

55

Pentru a asigura gradul macsim de disponibilitate, fiecare FCS ruleaza în mod independent,eliminând astfel probabilitatea de a opri toată instalația din cauza unei singue erori. Întrun sistem tipic client-server, în momentul în care serverul devine nefuncțional, toți clienții devin deasemenea nefuncționali, ceea ce inseamnă că tot controlul și toate datele vor fi pierdute pana în momentul repornirii serverului.

Componentele CENTUM VP [25]

Pentru a realiza un sistem DCS complet care să asigure un grad ridicat de

performanță, CENTUM VP pune la dispoziția utilizatprilor următoarele componente: Interfața om-masină (HIS) – CENTUM VP foloseste un PC pentru

partea de interfață. Un PC poartă numele de HIS atunci când are instalat pachetul soetware pentru control și monitorizare.

Stație de inginerie (ENG) – Stația de inginerie este folosită pentru configurarea sistemului si mentenanță. Un singur PC poate îngloba atat funcții de HIS cât și de ENG.

Stații de control (FCS) – FCS-ul este un controller de înaltă fiabilitate creat de Yokogawa cu scopul de a efectua funcții complexe de control , achiziție de date de intrare/ieșire cu ajutorul limbajelor de programare specifice. Din punct vedere structural, FCS-ul cuprinde o unitate de control (FCU – Field Control Unit)

Stație de subsistem (Generic Subsystem Gateway – GSGW) – Reprezintă o stație de operare si monitorizare a subsistemelor. În cazul în care ste utilizată o platforma PC, rolul aceseia este de a reașiza conexiunea de date cu subsistemul folosind interfața OPC DA (Open Product Connectivity, Data Access) așa cum este ea definită de OPC Foundation. Datele generate de subsistem sunt atașate unui bloc funcțional de tip GSGW pentru a fi mai apoi procesate si monitorizate prin intermediul interfeței om-mașină, la fel ca în cazul oricărui FCS.

Stație pentru integrarea OPC a sistemului (System Integration OPC Station – SIOS) – SIOS este folosit pentru a integra CENTUM VP cu sisteme decontrol al procesului ai altor dezvoltatori. Cu ajutorul acestei componente CENTUM VP poate realiza schimbul de date și poate primi alarme si evenimente de la sistemele externe prin intermediul interfeței OPC.

Stație de comunicație (Unified Gateway Station – UGS) – UGS este folosit pentru a CENTUM VP și alte subsisteme prin intermediul Vnet/IP. Funcțiile standard ale UGS permit comunicația între CENTUM VP și subsisteme prin intermdiul a numeroase protocoale indutriale de comunicație: Modbus, Ethernet/IP, sau PDC DA, permițând acestuia să controleze și să monitorizeze subsistemele in aceslasi mod în care controlează și monitorizează un FCS.

Convertor de magistrală ( Bus Converter- BCV) – util pentru erealizarea comunicației CENTUM VP cu versiuni mai vechi ale acestuia (CENTUM CS 3000, CENTUM CS 1000, etc.)

Rețea de control (Vnet/IP, Vnet) – Vnet/IP este un protocol ce respecta standardul IEEE 802.3, ce ofera viteze de transfer de până la 1Gbps. Rețeaua de control leagă stațiile HIS,FCS și BCV.

În general un sistem de control distiubuit CENTUM VP poate avea 3

configurații dinstincte, realizate in funcție de numarul de componente folosite și de complexitatea aplicației. [26]

56

1. Configurație de bază - până la 100000 de taguri ce pot fi monitorizate - Maxim 256 de stații conectate

2. Configurație de sistem de mari dimensiuni - Până la 1000000 de taguri ce pot fi monitorizate - Maxim 1024 de stații conectate

3. Configurație de sistem de mici dimensiuni

- Până la 8000 de taguri ce pot fi monitorizate - Maxim 256 de stații conectate

FCS – structură și componente Un FCS este format din 4 elemente principale: Sursă de alimentare – PSU ( Power Supply Unit) Unitate de procesare – FCU (Field Control Unit) Card de comunicatie Caduri I/O analogice sau digitale

Toate aceste elemente sunt montate pe rack în unități structurale numite noduri, iar pe un singur nod pot fi montate maxim 12 unitati – există 12 sloturi, numerotate începând de la 1 de la dreapta la stânga. Într-un FCS exista întotdeauna minim un nod care conține unitatea de control, celelalte noduri fiind optionale pentru cazul în care mai este nevoie de alte module I/O.

Figura 5.4 . Nodul 1 al unui FCS

Modul în care componentele unui FCS sunt montate pe sloturile unui nod nu

este complet aleator. Astfel, sloturile 1 și 2 vor fi ocupate întotdeauna cu sursa de alimentare reduntantă, indiferent dacă pe acel nod exista un modul de control sau nu. Modulele de control (FCU) ocupă sloturile 3 și 4 ale nodului 1.

În cazul în care este nevoie de un număr mai mare de noduri, vor fi montate și

carduri de comunicație care fac legatura între unitatea de control de pe nodul 1 și componentele celorlalte noduri. Cardurile de comunicație sunt deasemenea montate cate 2 pentru a respecta redundanța. Pe nodul 1 acstea vor ocupa sloturile 4 și 5, iar pe nodul 2 pe sloturile 3 și 4.

Nodurile suplimenatare pot fi montate atât pe același rack cat și în rackuri

diferite la distanțe ce diferă de la maxim 5 km la maxim 50 km, în funcție de modelul modulului de comunicație folosit. Nodurile suplimentare pot fi conectate în doua configurații: înseariat sau stea.

57

Figura 5.5 . Configurații serie și stea pentru conexiunea nodurilor

Una din funcțiile care ofară FCS-ului un grad sporit de fiabilitate este redundața. Procesorul, sursa de alimentare, modulele de comunicație si modulele I/O sunt dublu redundante. Atât modulele active cât și cele în așteptare porcesează datele simultan, astfel încât chiar dacă unul din modulul principal nu mai funcționează, modulul redundant va prelua imediuat sarcinile astfel încât procesul va continua să funcționeze. Modulele nefuncționale pot fi inlocuite online,asigurându-se în acest fel un grad foarte ridicat de stabilitate a procesului.

Sursa de alimentare si unitățile de control sunt redundante întotdeauna, în

timp ce modulele de comunicație si modulele I/O pot fi redundante, opțional. Trebuie însa remcarca faptul că, în cazul modulelor de comunicație, chiar daca se opteaza pentru neredundanță, slotul ramas liber pe nod nu poate fi folosit în alt scop, fiind alocat automat celui de-al doilea modul de comunicație.

Cea mai importantă caracteristică in ceea ce privește stabilitatea unui FCS

este reprezentată de redundanța unității de procesare. Așa cum am arătat, fiecare FCS dispunde de două unități de procesare. Mai mult însă, fiecare astfel unitate înglobează de doua procesoare redundante care execută sincorn același set de instrucțiuni pe același set de date. Ieșirile celor doua procesoare sunt comparate, reducându-se foarte mult riscul de apariție a unei erori. [25]

Figura 5.6. Dublă redundanță a modulului de control

Protocoalele Vnet și Vnet/IP [25]

Comunicația între diferite FCS-uri si HIS-uri se realizează cu ajutorul rețelei Vnet/IP. Sistemele mai vechi foloseau rețeaua Vnet ce oferea o viteză de pana la 10MB/s la o distanță de 185 de metri. În cadrul acestei rețele se pot folosi cablu coaxial cu o lungime de maxim 500 de metri pe segment sau fibră optică ce permite distanțe de până la 20 de kilometri.Din anul 2004, YOKOGAWA foloseste pentru

Serie Stea

58

rețelele sistemelor sale protocolul Vnet/IP. Acest nou protocol este compatibil cu Vnet, încorporând toate caracteristicile acestuia, și folosește protocolul IP pentru comunicație. Acest nou protocol face posibila conectarea într-o rețea comună a unei varietăți mai mari de echipamente, oferind mult mai multă flexibilitate.

Este în același timp un protocol fiabil ce dispune de mecanisme performante

de detecție si corectie a erorilor, atât a celor software cât și a celor provocate de mediul înconjurător (zgomote). Nu în ultimul rând, Vnet/IP este in deplină conformitate cu standardele de timp real (Real Time Internet), transmițând informația în perioade de timp bine determinate.

Modulul de rețea Vnet/IP dispune de doua magistrale: Bus1 si Bus 2. În

general, Bus1 este folosit pentru comunicația elementelor de control, iar Bus 2 de comunicația cu elemente non-CENTUM prin intermediul protocolului TCP/IP. Redundanța este asigurată prin posibilitatea ca, în cazul în care Bus 1 încetează sa mai funcționeze, comunicație de control trece automat pe Bus 2. Vnet/IP poate transmite prin intermediul cablurilor torsadate UTP la distanțe de până la 100 de metri, iar prin fibră optică la distanțe de până la 5 kilometri.

5.2 Analiză intrări/ieșiri Următorul pas după efectuarea listei de echipamente este stabilirea intrărilor și

iesirilor aferente fiecărui echipament, intrări și ieșiri care vor duce informația către și

dinspre sistemul DCS.Pentru a elimina orice urmă de confuzie, voi folosi termenii de

„semnal de intrare‖ și ―semnal de ieșire‖ dupa cum urmează:

Semnal de intrare (input) – semnal ce vine de la echipament la cardul specific al sistemului DCS

Semnal de ieșire (output) – semnal ce vine către echipament de la cardul specific al sistemului DCS

Într-o primă fază voi construi lista de semnale digitale, atât de intrare cât și de

ieșire.

Intrare digitală(DI) – semnale generate în general de contacte se stare,

presostate, termostate, semnale de feedback al diferitelor echipamente. Aceste

semnale sunt tratate de controlerul DCS ca informații cu doua stări, starea închisă a

contactului reprezentând ‚1‘ logic, iar starea deschis a contactului representănd ‗0‘

logic.

Ieșire digitală (DO) – semnale ce reprezintă în general comenzi către

echipamentele cu doua stări din câmp (comenzi închis/deschis).

În procesul de față, echipamentele care primesc si transmit semnale digitale

sunt pompele, valvele închis/deschis, presostatul și butoanele de urgență.

Semnalele fie ele digitale sau analogice sunt reprezentate folosind standardul

KKS, iar structura indentificatorului acestora este formată din indentificatorul

echipamentului. Pentru a enumera semnalele, se înlocuiesc cele 12 caractere ale

59

echipamenului cu simbolul *** , dupa care se vor adauga indentificatorul fiecarui

semnal. Semnificația fiecărui caracter este explicată în Anexa

În continuare sunt prezentate semnalele digitale ale fiecarui tip de echipament

în parte:

Valvă – intrări digitale:

1. ***XB01 – feedback deschis (‚1‘ daca valva este complet deschisa, ‗0‘ altfel) 2. ***XB02 – feedback inchis (‗1‘ daca valve este complet inchisa, ‗0‘ altfel)

Valvă – ieșiri digitale:

1. ***YB01 – comandă deschis/închis (‚1‘ pentru comanda DESCHIS, ‚0‘ pentru

comanda ÎNCHIS)

Pompă – intrări digitale

1. ***XB03 – Status READY (‚1‘ în cazul în care pompa îndeplineste toate condițiile pentru a fi pornită normal, ‚0‘ altfel)

2. ***XB04 – Status TEST (‚1‘ în cazul în care pompa este în modul de testare, ‚0‘ altfel)

3. ***XB06 – Status RUNNING (‚1‘ dacă pompa este pornită, ‚0‘ altfel) 4. ***XB07 – Dispozitiv FAULT (‚1‘ dacă pompa este în avarie, ‚0‘ altfel) 5. ***XB23 – Status REMOTE/LOCAL (‚1‘ daca pompa este remote –poate fi

controlată din DCS, ‚0‘ dacă este locală-nu poate fi controlată din DCS) 6. ***XB46 – Status WARNING (‚1‘ dacă pompa emite semnal de avertizare, făra a-

și modifica starea, ‚0‘ în caz contrar)

Pompă – ieșiri digitale

1. ***YB01 – Comandă START (‚1‘ se dă comandă pentru pornirea pompei, ‚0‘

altfel) 2. ***YB02 – Comandă STOP (‚1‘ se dă comandă pentru oprirea pompei, ‚0‘ altfel) 3. ***YB05 – Comandă RESET (‚1‘ se dă comandă de repornire a pompei, ‚0‘ altfel) 4. ***YB67 – Not Allow Local (‚1‘ dacă nu i se permite pompei sa fie comandată

local, ‚0‘ dacă i se permite să fie comandată local)

Presostat – intrare digitală

1. ***XB01 – Stare presostat (‚1‘ presostat activ, presiune peste limită, ‚0‘ presiune

sub limită)

Buton oprire de urgență – intrere digitală

1. ***XB01 – Stare oprire de urgență (‚1‘ oprire de urgența ACTVĂ, ‚0‘ altfel)

Intrările și ieșirile analogice sunt conectate la traductoare și la valvele de

control:

60

Intrare analogică (AI) – Intrările analogice sunt în cele mai multe cazuri curenți

din gama 4 – 20 mA, care sunt convertite în valori flotante cu intervale specificate.

Aceste intrărări reprezintă principalele elemente ce vor fi ulterior procesare de către

sistemul de control.

Ieșire analogică (AO) – Ieșirea analogică reprezintă o ieșire fizică (curent sau

tensiune), ce rezultă în urma convertirii valorilor numerice care rezultă în urma

procesării datelor.

Traductor analogic – intrare analogică

1. ***XQ01 – semnal în curent 4-40 mA ce vine de la traductor

Valvă de control (2 sau 3 căi) – ieșire analogică

1. ***XQ01 – semnal de comadă al valvei de comandă

Toate aceste intrări și ieșiri vor fi înglobate în sistemul DCS.

5.3 Dimeansiunarea sistemului DCS În urma stabilirii numarului de semnale de intare si ieșie, digitale respectiv

analogice, se pot alege cardurile I/O ale sistemului DCS pe care vor fi alocate

semnalele.

Conform alocării semnalelor realizată anterior și luând în considerare

numarului acestora, întregul proces va comunica cu sistemul DCS cu ajutorul a

următoarelor seturi de semnale:

51 semnale de intrare digitale

29 semnale de ieșire digitale

20 semnale de intrare analogice

4 semnale de ieșire analogice

Unitatea de monitorizare si control folosită este stația AFV30D Duplexed Field

Control Unit oferită e Yokogawa. Asa cum ama aratat, un nod al stației de conntrol

poate avea un numar maxim de 8 carduri de intrare/ieșire. Pentru lista se semnale

întocmită s-au folosit urmatoarele carduri:

Intrări analogice (sloturile 1 și 2) – 2 carduri AAI143-H cu 16 canale, compatibile HART

Ieșiri analogice (sloturile 3 și 8) – 2 carduri AAI841-H cu 8 canale de intrare și 8 canale de ieșire, compatibile HART

Intrări digitale (sloturile 4 și 5) – 2 carduri ADV151-P cu 32 de canale

Ieșiri digitale (sloturile 6 și 7) – 2 carduri ADV551-P cu 32 de canale

61

Pe lângă acoperirea numarului de intrări, respectiv ieșiri, pentru alegerea

modulelor I/O am ținut cont de asigurarea redundanței, aspect foarte important intr-

un sistem DCS. Deși sistemul CENTUM VP oferă un grad foarte înalt de redundanță,

la nivel de procesor, unitate de control, canale de comunicații între stații, este

necesară includerea redundanței și în proiectarea prorpiu zisă. În acest sens, toate

echipamentele a căror secventă de pornire este activată în cazul eventualelor

defecțiuni ale echipamentelor în funcțiune la un moment dat, vor avea intrările și

ieșirile conectat pe carduri diferite. De exemplu, cele doua magistrale de alimentare a

bazinului vor fi conectate diferit, una pe sloturile 4 DI și 6 DO iar cea de-a doua pe

sloturile 5 DI și 7 DO. În mod asemănător cele doua pompe de pe magistralele de

distribuție a apei reci cât și elementele celor doua ramuri de răcire sunt deasemena

conectate pe carduri diferite.

Modulele I/O analogice sunt compatibile HART. Protocolul HART (Highway

Addressable Remote Transducer) folosit de semnalele analogice are la bază

folosirea semnalului analogic de curent 4-20 mA și asigură două canale de

comunicație: semnalul analogic de 4-20 mA ce comunică valorile masurate de

dispozitivele de câmp și un semnal digital (suprapus peste cel analogic) care

comunică informații despre dispozitive (stare, diagnoză, valori calculate sau alarme.

Protocolul HART reprezintă o soluție de comunicație completă, robustă și ușor

de configurat care are deasemnea și avantajul unui preț convenabil. Din punct de

vedere al principiului de funcționare, HART suprapune peste semnalul de curent

continuu un semnal sinusoidal modulat în frecvență (1.200 Hz reprezintă 1 logic iar

2.200 Hz reprezintă 0 logic), semnal a carui valoare medie este intotdeauna 0 zero,

neafectând semnalul analogic de 4-20 mA.

Din punct de vedere al structurii, protocolul HART foloseste un model OSI

redus, implementând doar nivelele 1,2 și 7 ale stivei OSI( nivelele Fizic, Legătură de

date și fizic și ofera o viteză de transfer de până la 1200 bit/s printr-un cablu cu doua

fire. Topologiile folosite in cadrul rețelelor ce beneficiază de serviciile protocolului

HART sunt „punct la punct‖ si „multidrop‖, ce din urmă fiind utilă la supervizarea

instalațiilor ce se întind pe suprafețe mari (conducte, stații de epurare, rezervoare de

benzină). [24]

În cadrul sitemului distribuit CENTUM VP, atât stațiile de control cât și interfața

om-mașină sunt unic identificate prin numărul domeniului și numarul stației. Numărul

maxim de domenii admise este de 16, iar numarul maxim de stații este de 64. Atât

numărul domeniului cât și numărul stației sunt setate hardware cu ajutorul unor

contacte. În plus, nodurile unui FCS sunt setate deasemenea hardware prin același

tip de contacte, numărul acestora variind intre 1 și 8.

62

Figura 5.7. Contacte pentru setarea domeniului si stației

Valorile domeniului și al stației au rol software (numele FCS-ului si HIS-ului

declarat software trebuie să coincidă cu domeniul și stația setate hardware), dar mai

în principal rolul acestora este foarte importatant în cadrul comunicației prin

protocolul Vnet/IP. Ambele stații, FCS și HIS vor avea atribuită o adresă IP (32 de

biți) a carei formă standard are sețati primii 16 biți la valoarea 172.16. *. *., iar ultimii

16 biți (grupuri de câte 8) vor fi formați întotdeauna din numarul domeniului (prmii 8

biți) respectiv numărul stației (ultimii 8 biți).

Pentru aplicația de control distribuit a sistemului de răcire cu apă industrială

am folosit domeniul 1 și stația 1 în cazul FCS-ului (FCS0101) și domeniul 1 și stația

62 în cazul HIS-ului (HIS0162). Prin urmare, cele doua IP-uri setate pentru FCS

respectiv HIS sunt 172.16.1.1 și 172.16.1.62.

5.4 Analiza variabilelor interne

În cadrul programului software implementat voi avea nevoie noi variabile

locale numite SWITCH și de variabile generatoare de alarme – MESSAGE.

Variabilele de tip SWITCH (pot avea valoarea 0 sau 1) sunt variabile interne

ale programului de monitorizare și control, variabile a caror valoare este modificată în

funcție de intrările sistemului și de logica programului și in funcție de care se pot lua

decizii cu privire la ieșirile sistemului. Variabilele SWTICH sunt specifice fiecărui tip

de echipament. Variabilele SWITCH sunt deasemenea indentificate cu ajutorul

codului KKS al echpamentului la care se adaugă identificatorul specific al variabilei.

Ca și în cazul intrărilor și ieșirilor voi înlocui codul KKS cu simbolul *** pentru a

explica fiecare switch:

Switch valvă închis/deschis

1. ***SFLT – Totalizator alarme (în cazul în care intervine o alarma de orice tip și

cu referire la valva în cauză din sistem, acest switch devine ‚1‘) 2. ***FRST – Resetare alarme (cu ajutorul acestui switch sunt resetate alarmele

apărute la valvă) 3. ***AOP – Comandă de deschidere automată (în cazul în care, comform logicii

din program valva trebuie deschisă automat, switchul de comandă devine ‚1‘)

63

4. ***ACL – Comandă de închidere automată (în cazul în care, comform logicii

din program valva trebuie închisă automat, switchul de comandă devine ‚1‘) 5. ***BPS -- Comutator bypass

Switch pompă

1. ***AST – Comandă automată de start (în cazul în care, comform logicii din

program pompa trebuie deschisă automat, switchul de comandă devine ‚1‘) 2. ***ASP – Comandă automată de stop (în cazul în care, comform logicii din

program pompa trebuie închisă automat, switchul de comandă devine ‚1‘) 3. ***CST – Comandă de start (‚1‘ dacă există comandă de start, automat sau

manual) 4. ***CSP – Comandă de stop (‚1‘ dacă există comandă de stop, automat sau

manul) 5. ***BSP – Comutator Bypass 6. ***SFLT – Totalizator alarme (în cazul în care intervine o alarma de orice tip și

cu referire la pompa în cauză din sistem, acest switch devine ‚1‘; are rolul de alarmă generală

7. ***FRST – Resetare alarme (cu ajutorul acestui switch sunt resetate alarmele

apărute la pompa în cauză). 8. ***PSA -- Oprirea pompei pentru protecție (‚1‘ dacă pompa este oprită în

protecție)

Într-un sistem DCS bine structurat, transmiterea informatiilor de proces către

operator ocupă un loc foarte important, cu atât mai mult în cazul unor defecte sau

atenționări cu privire la funcționarea defectuasă a unor echipamente. Din acest motiv,

variabilele de tip MESSAGE trebuie atent alese.

O alarmă poate fi însoțită de o actiune decisă de sistemul de control, sau

poate fi doar informativă, lasând operatorului posibișlitatea de decizie. Alarmele apar

in fereastra de alarma a procesului, iar informațiile utile generate în cazul CENTUM

VP sunt timpul generării, gradul de importanță a alarmei, tagul echipamentului care a

generat alarma, descriere și acțiune.

Fiind destinate operatorului uman, un aspect important în ceea ce prievste

alarmele sunt culorile care însoțeste o alarma în fereastra specifică. Pentru controlul

sistemului de răcire cu apă voi folosi urmatoarele tipuri de alarme, însoțite de culorile

specifice.

GALBEN --- alarmă de atenționare. Aceste alarme sunt generate în general

în cazul în care o marime de proces atinge o anumită valoare stabilită în prealabil – alarmă LO sau HI

ROSU – alarmă ce se generează intr-o situație limită, și care necesită o acțiune pentru a remedia problema aparută. O asemenea alarma atrage de obicei o actiune asupra unor echipamente de tip OF/OFF (valve,pompe), acțiune care scoate procesul din zona periculoasă – alarme LL sau HH

PORTOCALIU – Alarmă care semnalează o eroare sau defecțiune a cardurilor de comunicatie (IOP intrare sau OOP ieșire)

VERDE -- Dispariția stării de alarmă; problema a fost rezolvată

64

Figura 5.8 Exemple de alarme generate de CENTUM VP

Fiecare echipament, în speță valve si pompe vor avea posibilitatea de a

genera alarme legate de modul lor de funcționare. În acest mod, operatorul va avea

o imagine clară asupra sistemului si va putea lua cele mai bune decizii atunci cand o

alarma apare.

Utilitatea variabilelor de tip MESSAGE nu se rezuma însă doar la generarea

unor mesaje de alarmă, ci ca și în cazul SWITCH-urilor au doua stari logice (1 sau 0)

care pot fi folosite in logica de program.

Variabile de tip MESSAGE valve

1. ***AV – alarmă generată în cazul în care atăt senzorul ,valva inchisa‘ cat si

‗valva deschisa‘ sunt active 2. ***POP – alarmă generată în cazul in care valva este in stare de deschidere

de protecție; în același timp , în cazul în care ***POP ia valaorea logică ‚1‘ este setată comanda de deschidere a valvei.

3. ***PCL -- alarmă generată în cazul în care valva este în stare de închidere de protecție; în același timp , în cazul în care ***PCL ia valaorea logică ‚1‘ este

setată comanda de închidere a valvei. 4. ***RCL – mesaj generat în cazul în care valva are permisiune de închidere

(‚1‘ dacă valva are permisiune de închidere, ‚0‘ altfel)

5. ***ROP – mesaj generat în cazul în care valva are permisiune de deschidere (‚1‘ dacă valva are permisiune de închidere, ‚0‘ altfel)

6. ***DVP – Deviație deschidere; dupa setarea comenzii de deschidere a valvei, sistemul asteapta un anumit timp raspunsul de valvă deschisă; în cazul în care timpul a expirat și raspunsul de valva deschisă nu a fost recepționat de sistemul DCS, ***DVP ia valoarea logică ‚1‘ și este generat mesajul aferent de

alarmă. 7. ***DVM -- Deviație închidere; dupa setarea comenzii de închidere a valvei,

sistemul asteapta un anumit timp raspunsul de valvă închisă; în cazul în care timpul a expirat și raspunsul de valvă închisă nu a fost recepționat de sistemul DCS, ***DVM ia valoarea logică ‚1‘ și este generat mesajul aferent de alarmă.

Variabile de tip MESSAGE pompe

1. ***PST -- alarmă generată în cazul in care pompa inițiază secvența de start pentru protecție; în același timp , în cazul în care ***PST ia valaorea logică ‚1‘

este setată comanda de pornire a pompei.

65

2. ***PSP -- alarmă generată în cazul in care pompa inițiază secvența de oprire pentru protecție; în același timp , în cazul în care ***PSP ia valaorea logică ‚1‘ este setată comanda de oprire a pompei.

3. ***RST -- mesaj generat în cazul în care pompa are permisiune de pornire (‚1‘ dacă pompa are permisiune de pornire, ‚0‘ altfel)

4. ***RSP -- mesaj generat în cazul în care pompa are permisiune de oprire (‚1‘ dacă pompa are permisiune de oprire, ‚0‘ altfel)

5. ***NRDY – alarmă generată în cazul în care pompa devine indisponibilă 6. ***DFLT – alarmă generată în cazul în care pompa se defectează 7. ***DVP – Deviație deschidere; dupa setarea comenzii de pornire a pompei,

sistemul așteapta un anumit timp raspunsul pompă în funcțiune; în cazul în care timpul a expirat și raspunsul pompă în funcțiune nu a fost recepționat de sistemul DCS, ***DVP ia valoarea logică ‚1‘ și este generat mesajul aferent de

alarmă. 8. ***DVM -- Deviație închidere; dupa setarea comenzii de oprire a pompei,

sistemul asteaptă un anumit timp raspunsul de pompă oprită; în cazul în care timpul a expirat și raspunsul de pompăoprită nu a fost recepționat de sistemul DCS, ***DVM ia valoarea logică ‚1‘ și este generat mesajul aferent de alarmă

9. ***TEST – mesaj generat în cazul în care pompa este în modul de testare 10. ***WNG – Atenționare; în funcție de anumiți parametri ai pompei, parametri ce

sunt monitorizați de către sitemul DCS, poate fi generat un semnal de atenționare, astfel încât operatorul are posibilitatea de a lua o decizie pentru eliminarea eventualului pericol.

5.5 Interfațarea cu utilizatorul Interfața cu utilizatorul este dezvoltată în sectiunea HIS0162 a programului, in

afara programului principal din FCS0101 Elementele grafice sunt diferite de cele oferite de biblioteca standard. Acestea

au fost realizate conform cerințelor și standardelor impuse de YOKOGAWA. Am realizat interfața cu utilizatorul pentru a putea evoluția echipametelor pe măsură ce am dezvoltat programul de control.

În figura 5.9 se poate observa o valvă ON/OFF cu solenoid așa cum apare în

interfața:

Figura 5.9 Valvă ON/OFF cu solenoid

Elemente componente ale valvei ON/OFF

Valvă fară permisiune de deschidere/închidere

Valvă ce a intrat în starea de protecție

66

Corpul valvei cu solenoid Gri – valvă închisă Verde – valvă deschisă

Indică starea de FAULT a valvei (funcționează intermitent)

Regim manual

În figura 5.10 se poate observa o pompă centrifugă închis/deschis așa cum

apare în interfață:

Figura 5.10 Pompă centrifugă ON/OFF

Elementele component ale pompei centrifuge ON/OFF sunt:

Pomp ce a intrat în starea de protecție

Pompa funcționează doar cu comandă locală

Pompă fară permisiune de deschidere/închidere

Corpul pompei centrifuge Gri – pompă închisă Verde – pompă în funcțiune

Indică starea de FAULT a pompei (funcționează intermitent)

Indică regimul manual al pompei

Valvele de control sunt valve un 2 sau 3 căi de timp pneumatic. Din punct de

vedere numeric, voi afișa valoarea comenzii și valoarea efectivă a deschiderii în procente.(figura 5.11)

Figura 5.11 Valve de control pneumatice

Elementele grafice ale interfeței pot fi monitorizate, iar parametrii acestora pot

fi modificați cu ajutprul unui bloc de vizualizare (Faceplate). Acest faceplate poate fi standard, din bliblioteca mediului CENTUM VP sau poate fi extinsă cu elemente noi. Cu ajutorul meniului faceplate un element moate fi trecu din automat în manual,

67

poate fi pornit sau oprit și I se pot seta diversi parametri. În consecință, faceplate-ul are un rol foarte important în dezvoltarea aplicatiei. Deasemenea, din faceplate se poate accesa meniul Tunning, meniu în care deasemenea pot fi setați diferiși parametric. Nu în ultimul rând, din faceplate-ul unui echipament se poate ajunge la programul de bază în simulare, facănd posibil în acest mod depanarea online a logicii programului.

Faceplate-ul unui echipament poate fi accesat prin dublu-click asupra

elemntului respectiv. Toate celelalte meniuri pot fi accesate din faceplate, cu click dreapta.

Figura 5.12 prezintă faceplate-ul unei pompe, format din componenta standar

extinsă și componenta realizată special pentru acest tip de pompă. Diferența între faceplate-ul standar și cel standard extins este dată de existența butoanelor.

Figura 5.12 Faceplate pompă

Prin intermediul butoanelor START și STOP echipamentul poate fi comandat

din ecranul DCS doar dacă este in modul MANUAL. În caz contrar cele doua butoane sunt blocate. Butonul ACK devine roșu de fiecare dată când pompa intră în stare de FAULT. Dacă situația se remediază, devine roșu intermitent iar dupa ce este apasat devine gri. Informațiile suplimentare ale faceplateului arată starea diverselor variabile interne sau intrări feedback discutate anterior. Totodată din lista evidențiată în figura 5.13 se pot modifica diverse stari ale pompei.

Figura 5.13 Stare pompă

În cazul valvelor ON/OFF am folosit același tip de faceplate, diferența fiind

doar stările afișate, specifice valvei. Deasemenea, butoanele au același efect ca ți în

68

cazul pompelor. În figura 5.14 se poate observa o valvă în poziția AUTOMAT,cu cele doua butoane de închidere și deschidere blocate.

Figura 5.14

Pentru aplicația de control dinstribuit a sistemului de răcire cu apă am realizat

blocuri de vizualizare extinse, blocuri ce conțin informații adiționale ale echipamentului respectiv.

Legăturile elementelor grafice realizate în HIS0164 și programul de control

aflat în FCS0101 se realizează cu ajutorul tagurilor. Butoanele de selecție sunt butoane din biblioteca standard oferită de

CENTUM VP. Aceste butoane sunt realizate astfel încât culoarea safie interschimbabilă (butonul activ –verde, butonul inactiv – gri). În cazul butonului care comandă recircularea apei, butonul inactiv devine transparent.

Elementele de afișare analogice sunt deasemenea create pentru acest

proiect. După definirea tuturor componentelor grafice, am realizat întreaga structură de

control ditribuit (figura 5.15).

69

Figura 5.15. Ecranul de monitorizare si control

5.6 Structura aplicației de monitorizare si control

În urma stabilirii intrărilor și ieșirilor din sistemul de control distribuit, alocarea acestora pe modulele de comunicație și definirea variabilelor interne, se poate trece la următorul pas al dezvoltării sistemului DCS, de foarte mare importanță: programarea sistemului de control distribuit. Programarea în mediul CENTUM VP se realizează în mare măsură cu ajutorul blocurilor funcționale care sunt grupate într-un mediu de lucru numit Control Drawing (DR). Acestea sunt numerotate începănd cu DR0001 pânâ la DR0200.

Având în vedere că deciziile la nivelul DCS se iau in mare măsură în funcție

de valorile returnate de către traductoarele din câmp, un prim pas este scalarea marimii primite prin intrările analogice și transformarea în urnități ingineresti.

În cadrul programului, am realizat scalarea marimilor analogice în cadrul

DR0001 și DR0002. Pentru această operație am folosit blocul PVI – Input Indicator Block. Așa cum se poate observa în figura 5.16, intrarea analogică referețiată prin tagul corespunzător declarat pe modulul de intrări analogice este legată la blocul PVI prin intrarea „IN‖ a acestuia. Valorle mărimilor ingineresti dorite se introduc în cadrul blocului PVI accesând meniul „Proprietăți‖ al acestuia. În urma acestei operații, pot folosi in continuare în cadrul programului valoarea de proces în unități inginerești. Acest lucru se realizează folosind numele blocului PVI și atributul „.PV‖. De exemplu: 02HTQ10CT001.PV.

70

Figura 5.16 Scalarea intrărilor analogice

Pentru cele 3 traductoare de nivel am folosit un Control Drawing special

(DR0004) pentru a realiză funcția de mediere a valorilor. Pentru această am folosit blocul AS-M – Auto Selector Block. Rolul acestuia este acela de a returna valoarea medie a celor 3 traductoare. Intrările acestui bloc sunt constiruite din ieșirile blocutilor PVI aferente fiecarui traductor de nivel, numerotate de la 1 la 3.

În funcție de utilitatea acestuia, blocul AS-M poate returna intrarea 1,2 sau 3,

sau ca în cazul de față valoarea medie (intre cea mai mică și cea mai mare). Funcționalitatea blocului se paote modifica din simulare (modificarea ramane apoi setată), apelând numele blocului în funcția „Name Input‖ a ecranului de simulare CENTUM VP (figura 5.17). parametrul ce trebuie modificat este parametrul „Signal Selection Switch‖ (SW), iar setarea acestuia se face în meniul „Tunning‖ al blocului AS-M. Pentru a returna valoarea medie, valoarea parametrului SW este 4.

Ieșirea blocului AS-M ce consta așa cum am explicat in valoarea medie a

celor 3 intrări este introdusă deasemnea intr-un bloc PVI pentru a putea fi folosită ulterior în logica de program.

Figura 5.17 Funcția Name Input în ecranul de simulare CENTUM VP

Pentru fiecare pompă și valvă am realizat cate o rutină specifică în cadrul careia sunt implementate toate funcțiile pe care le poate realiza echipamentul respectiv. Aceste rutine specifice înglobează intrările și iesirile, atăt cele de comandă căt și cele de feedback ale echipamentului respectiv iar cu ajutorul variabilelor interne de tip SWITCH sau MESAJ decid dacă echipamentul funcționează corespunzător

71

sau nu, caz în care generează diferite alarme și acționează automat asupra echipamentului.

Pentru a descrie structura programului, voi prezzenta succint blocurile

funcșionale folosite: [27]

RL – Blocul expresie logică: acest bloc realizează comparații numerice sau logice între diferite elemente. Operanzii sunt scriși pe doua coloane, X și Y iar rezultatul poate fi accesat astfel

- NUME_BLOC.X_NUMAR_LINIE.LT – X<Y - NUME_BLOC.X_NUMAR_LINIE.GT – X>Y

LC64 – Blocul schema logică : bloc de programare logică. În cadrul acestui bloc se pot face legăturile între intrări și ieșiri folosint diverse porți logice, timere etc.

Bloc ȘI

Bloc SAU

Bloc TIMER

Bloc NOT

Bloc IMPULS

Bloc cu doua intrări ce funcționează conform relației OUT=IN1 AND NOT(IN2)

Bloc basculant Set—Reset cu 1 ieșire

ST16 – Tabel de secvențe : Cu ajutorul acestui bloc de pot implementa relații de tipul ―DACA conditie DA/NU ATUNCI actiune DA/NU‖. În acest mod se pot realiza numeroase relații intre variable intarare/iețire sau variabile interne

CALCU – Bloc de calcul: în cadrul acestui bloc pot fi scriși diverși algoritmi și se pot efectua operații asupra variabilelor interne cu ajutorul unui limbaj general de programare.

_SFCSW – Bloc de secvente: În cadrul acestui bloc pot fi introduse diverse secvente realizate cu libmajul SFC(Sequential function chart).

Blocuri de vizualizare: Aceste blocuri fac legatura între elementele grafice realizate în HIS și variabulele de program din FCS.

HAS3C – bloc de timp faceplate. Acest bloc poate realiza relația intre elementul faceplate extins și variabilele de program - oferă suport pentru cele 5 butoane si pentru cele 3 variabile afișate pe faceplate

PV- valoare de proces SV- valoare setată MV – valoare manipulată

PBS5C – bloc ce suporta integrarea a maxim 5 butoane din grafic.

PID – bloc a cărui funcție este de regulator PID

Rutină valvă ON/OFF Rutinele valvelor sunt implementate câte una în DR0008 – DR0016.

http://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_function_chart

72

Cu ajutorul acestor rutine este implementată funcționalitatea valvelor ON/OFF în funcție de intrările/ieșirile definite si de variabiele interne. În cadrul acestor rutine se vor iniția comenzile ON/OFF automate, verificându-se în prealabil dacă valva respectivă îndeplineste toate condițiile pentru a fi pornită, respectiv oprită. Totodată se generează alarmeleaferente în caz de defecțiune.

Rutină pompă ON/OFF Rutinele pompelor sunt implementate în DR0060 – DR0064. Cu ajutorul acestor rutine este implementată funcționalitatea pompelor

ON/OFF în funcție de intrările/ieșirile definite si de variabiele interne. În cadrul acestor rutine se vor iniția comenzile ON/OFF automate, verificându-se în prealabil dacă pompa respectivă îndeplinește toate condițiile pentru a fi pornită, respectiv oprită. Totodată se generează alarmeleaferente în caz de defecțiune.

Având aceste elemente funcționale implementate, am putut trece la

dezvoltarea funcționalității de ansamblu a sistemului DCS. Am proiectat si implementat diversele secvențe de pornire/oprire pentru grupurile de pompare și deasemnea am implementat buclele de reglare.

Figura 5.18 Grup de pompare al zonei 1

Conform figurii 5.18, zona 1 este alcătuită din:

2 pompe 01HTQ11 AP001 și 01HTQ10 AP001

4 valave acţionate cu solenoid 01HTQ11 AA101 şi 01HTQ11 AA102 montate pe primul segment

alături de pompa 01HTQ11 AP001 01HTQ10 AA101 şi 01HTQ10 AA102 montate pe al doilea segment

alături de pompa 01HTQ10 AP001

01HTQ10 GK101 – buton pentru oprire de urgenta a pompelor şi valvelor

Zona 1 asigură alimentarea cu apă din reţea a bazinului de stocare.

Alimentarea bazinului este realizată cu ajutorul uneia din cele două pompe. Cele

doua magistrale nu vor funcționa niciodată în paralel. Pompa în funcțiune va fi aleasă

de catre operator cu ajutorul butoanelor Grup 1 și Grup 2, iar cea de-a doua va intra

în funcțiune numai în cazul de defecțiune a ramurii în funcțiune. Butoanul de selecție

care indică grupul în funcțiune va fi verde ,iar cel al pompei în asteptare va rămâne

gri; în cazul de trecere pe cea de-a doua ramură culoarea se va modifica automat.

Operaturul va avea posibilitatea de a selecta care din cele doua segmente este în

funcțiune numai în cazul în care la acel moment nu este niciuna funcțională; în caz

contrar cele doua butoane vor fi blocate.

73

Am implementat funcționalitatea celor doua semgemnte în DR0020. În cazul

celor două butoane, legătura cu logica de program se realizează prin intermediul

blocului PBS5C, în cazul de față 01HTQ11CL001-PB. Acest bloc poate reține

statusul a maxim 5 butoane În acest mod voi putea folosi statusurile celor două

butoane declarate în pagina grafică în logica de program realizată cu blocuri

funcționale.

Figura 5.19 DR0020

01HTQ11EC001 – secvență de pornire Grup1

01HTQ11EC002 -- secvență de oprire Grup1

01HTQ10EC001 -- secvență de pornire Grup2

01HTQ10EC002 -- secvență de oprire Grup2

Un exemplu de secvență de pornire implementată prin intermediul blocului

_SFCSW poate fi observat în fgura 5.20

Figura 5.20 Secvență de pornire Grup1

Secvenţa de pornire este realizata in 4 paşi și a fost implementată prin intermediul

blocului _SFCSW. Pașii efectivi ai secvenței de pornire sunt realizați cu urmatoarea

secvență

74

INITIALIZARE: Declar variabilele cu ajutorul carora voi porni cele 3 elemente,

în acest caz elementele de timp SWITCH ***AOP pentru valvă și ***AST pentru

pompă. Deasemena trec toate echipamentele pe modul automat.

1. Pasul 1 – ***AOP = 1 deschid valva premergătoare pompei; dacă deschiderea a fost efectuata cu succes (status GOOD) se trece la pasul 2;

2. Pasul 2 – ***AST = 1 pornesc pompa; dacă pompa returnează statusul RUNNING se trece la pasul 3

3. Pasul 3 – ***AOP = 1 se deschide valva catre bazinul de stocare. 4. Pasul 4 – ***AOP = 0 dacă valva s-a deschis complet

Dacă dupa toţi cei 3 pasi nu returnează status FAULT, secventa de pornire a

fost efectuata cu succes. În caz contrar, dacă sistemul primeste un feedback care

anunță o defecțiune, secvenţa este oprita şi iniţiată o nouă secventa de pornire a

celui de-al doilea segment.

Pornirea/oprirea pompelor se face in strânsă legătura cu nivelul apei din

bazinul de colectare. Voi explica modul de rulare al secvențelor de oprire/pornire în

cadrul descrierii zonei 2.Trecerea la cea de-a doua pompă se face automat daca

segmentul selectat de operator nu efectuează cu succes secventa de pornire.

În cazul în care secvenţa de pornire a pompei ce a fost selectată de operator

este realizată cu succes, cea de-a doua pompă va intra în așteptare pentru cazul în

care prima ramură se va defecta.

Figura 5.21 Blocurile LC64 și RL din DR0020

În blocul LC64 am implementat și elemente de protecție ale pompelor. Astfel,

o pompă nu are permisiune de pornire dacă valva premergătoare nu este comlet

deschisă. Deasemenea, dacă după o comanda de pornite a pompei nu se primeste

confirmarea deschiderii valvei anterioare timp de 4 secunde, pompa va fi oprită

automat.

Logica comenzii de oprire sau pornire a celor doua segmente se poate

observa în figura 5.22.

75

Figura 5.22 Logica de control pentru grupul de pompare

Prin intermediul blocului ST16 am implementat diverse reguli de tipul „dacă

CONDIȚIE atunci ACȚIUNE‖, așa cum se poate observa în figura 5.23:

Figura 5.23 Reguli de funcționare

De exemplu, deblocarea celor doua butoane de control al grupurilor de

pompare se face folosind urmatoarea formulare:

DACĂ C01 ȘI C02 ȘI C03 ȘI C04 ȘI C05 ȘI C06 sunt 0, ATUNCI A01 și A02

sunt trecute în 0

Blocarea acestora se face daca unul din echipamente nu este oprit.

76

DACĂ C01 SAU C02 SAU C03 SAU C04 SAU C05 SAU C06 sunt 1, ATUNCI

A01 și A02 sunt trecute în 1.

În cazul zonei 2 voi avea următoarele elemente (figura 5.24)

Figura 5.24 Echipamente zona 2

Elemente:

Bazin de stocare a apei reci

3 pompe submersibile 02HTQ10 AP001 – pompa submersibilă ce aparţine sistemului de

recirculare 02HTQ11 AP001,02HTQ11 AP002 – pompe submersibile ale

sistemului de distribuție a apei reci

02HTQ11 AA101, 02HTQ11 AA102 – valve cu solenoid

02HTQ10 CL001, 02HTQ10 CL002, 02HTQ10 CL003 – traductoare de nivel

02HTQ10 CT001 – traductor de temperatură

02HTQ10 CQ001 – analizor prezenţă hidrocarburi

02HTQ11 CP001 – indicator presiune

02HTQ11 CP102 – presostat magistrală de apă rece

După cum am precizat, pornirea si oprirea automată a pompelor din zona 1 se

realizează în funcție de nivelul de apă din bazinul de colactare conform tabelului 5.1:

Valoare traductor nivel Acţiune

02HTQ10 CL901 – 95% ALARMA HH

02HTQ10 CL901 – 85% ALARMA HI

02HTQ10 CL901 – 80% 01HTQ11 AP001 – OFF 01HTQ11 AA101 – OFF 01HTQ11 AA102 – OFF

01HTQ10 AP001 – OFF 01HTQ10 AA101 – OFF 01HTQ10 AA102 – OFF

02HTQ10 CL901 – 30% 01HTQ11 AP001 – ON 01HTQ11 AA101 – ON 01HTQ11 AA102 – ON

01HTQ10 AP001 – ON 01HTQ10 AA101 – ON 01HTQ10 AA102 – ON

77

Tabelul 5.1 Comanda pompelor reumplere în funcție de nivelul din bazin

Sistemul de alimentare a bazinului cu apă de la reţea (zona 1) este comandat

bipoziţional in funcţie de nivelul returnat de valoarea medie a traductoarelor de nivel.

La un nivel de 30% este iniţiată secvenţa de pornire; este pompată apă din exterior

pana când nivelul atinge 80%, moment în care este iniţiată secvenţa de oprire. În

cazul în care nivelul continuă sa creasca sunt generate alarme la 85% -- HI– si la

95% -- HH --. Bazinul de colectare a apei este un bazin deschis. Din acest motiv nu

sunt prezente elemente suplimentare pentru a impiedica nivelul apei sa depăseasca

limita superioară a bazinului. În această situaţie, apa se revarsa intr-un spaţiu

deschis si nu reprezinta un pericol pentru instalaţie.

Elementele prezente in Zona 2 asigura distribuţia apei catre consumatori.

Distributia apei este realizată similar ca în cazul sistemului de pompe de

reintroducere a apei, cu ajutorul uneia din pompele 02HTQ11 AP001 sau 02HTQ11

AP002. În cazul în care ramura selectată de operator se defectează , cea de-a doua

ramură va intra automat in funcțiune. Posibilitatea operatorului de a realege ramura

în funcțiune va fi inactivă cât timp o ramură este defectă. Selectarea pompelor de

face de asemenea cu ajutorul a doua butoane.

Trecerea la pompa secundară se face automat daca segmentul principal nu

efectuează cu succes secventa de pornire.

Logica de control al pompelor de distribuție și recirculare este implementată în

DR002. (figura 5.25)

Figura 5.25 Comanda pompelor de distribuție și recirculare

Ca si în primul caz, secvențele de pornire si oprire sunt efectuate prin

intermediun blocului _SFSCW.

Secvenţa de pornire se realizează in 3 paşi:

78

INITIALIZARE: Declar variabilele cu ajutorul carora voi porni cele 3

elemente, în acest caz elementele de timp SWITCH ***AOP pentru valvă și ***AST

pentru pompă. Deasemena trec toate echipamentele pe modul automat.

1. Pasul 1 – ***AST =1 se porneste pompa; dacă pompa returnează statusul RUNNING se trece la pasul 2

2. Pasul 2 – ***AOP =1 se deschide valva catre reţeaua de consumatori. 3. Pasul 3 – END: ***AOP =0 dacă valva s-a deschis complet

Figura 5.26 Secvență de deschidere popă de distribuție

Analizorul 02HTQ10 CQ001 testează apa din bazinul de colectare şi

detectează eventuale urme de hidorcarburi provenite din scurgeri de produs ce

trebuie racit la nivelul schimbătoarelor de căldură. În caz de detecţie este generată o

alarmă pe consola operator si vor fi oprite pompele de distribuție căt si pompa de

recirculare. Prezența hidrocarbutilor poate genera un risc crescut de incendiu, motiv

pentru care până la remedierea problemei cele trei pompe vor fi nefuncționale.

Pornirea si funcţionarea pompelor sumbmersibile 02HTQ11 AP001 şi

02HTQ11 AP002 se efectueazăconform valorilor returnate de traductorul de nivel si

indicatorul de presiune.

Valoare traductor nivel Acţiune

02HTQ10 CL001 – 13% 02HTQ11 AP001 – ON 02HTQ11 AA101 – ON

02HTQ11 AP002 – ON 02HTQ11 AA102 – ON

02HTQ10 CL001 – 12% ALARMA LO

02HTQ10 CL001 – 11% ALARMA LL

02HTQ10 CL001 – 10% 02HTQ11 AP001 – OFF 02HTQ11 AA101 -- OFF

02HTQ11 AP002 – OFF 02HTQ11 AA102 – OFF

Tabelul 5.2 Comanda pompelor de distribuție în funcție de nivelul din bazin

Pompa submersibila este pornita la un nivel minim de 13%. În cazul in care

nivelul scade, este generată alarma LO la 12% si alarma LL la 11%. Dacă situaţia nu

se remediază si nivelul ajunge la 10%, pompa este oprită. Repornirea se poate face

cand nivelul atinge 13%.

79

Pompele submersibile sunt restricţionate şi de valoarea presiunii pe conductă.

Presostatul 02HTQ11 CP102 are rolul de a iniţia secvenţele de închidere pentru

pompele submersibile ce distribuie apa rece – 02HTQ11 AP001 şi 02HTQ11 AP002 -

- în cazul în care detectează o crestere a presiunii pe conductă peste un anumit prag

critic. Scopul acestuia este acela de a asigura un grad sporit de siguranţă atat pentru

funcţionarea pompelor submersibile cât și pentru integriatea conductelor.

Valoare indicator presiune Acţiune

02HTQ11 CP001 > 13 bar ALARMA HI

02HTQ11 CP001 > 14 bar ALARMA HH

02HTQ11 CP001 > 15 bar 02HTQ11 AP001 – OFF 02HTQ11 AA101 – OFF

02HTQ11 AP002 – OFF 02HTQ11 AA102 – OFF

Tabelul 5.3 Actiunea presostatului asupra pompelor de distribuție

În cazul in care se inregistrează o scădere a presiunii peste 15 bari grupurile

de pompare sunt oprite.

Recircularea apei din bazin este realizata neredundant cu ajutorul pompei

submersibile 02HTQ10 AP001. Recircularea se face în funcţie de temperatura apei

din bazin dar și în funcție de optiunea operatorului şi este restricţionată de nivel si

tempertură.

Comandă în funcţie de nivel:

Valoare indicator nivel Acţiune

02HTQ10 CL001 – 13% 02HTQ10 AP001 – ON 02HTQ10 AA101 – ON

02HTQ10 CL001 – 10% 02HTQ10 AP001 – OFF 02HTQ10 AA101 – OFF

Tabelul 5.4 Comanda pompei de recirculare în funcție de nivel

Comandă în funcţie de temperatura:

Valoare indicator temperatura Acţiune

02HTQ10 CP001 – 17ºC 02HTQ10 AP001 – ON 02HTQ10 AA101 – ON

02HTQ10 CP001 – 14ºC 02HTQ10 AP001 – OFF 02HTQ10 AA101 – OFF

Tabelul 5.5 Comanda pompelor de recirculare în funcție de temperatură

Sistemele de reglare automată sunt implementate pe fiecare ramură de răcire.

Pentru controlul debitului am implementat un regulator PI cu ajutorul blocului PID.

Parametrii blocului vor fi implementați cu ajutorul ferestrei TUNNING din simulare. În

cazul reglarii temperaturii, legea de control găsită în capitolul 4 este implementată cu

ajutorul unui controoler numeric local care va primi referința de la sistemul DCS.

(figura 5.27)

80

Figura 5.27 Buclele de reglare a debitului si temperaturii.

În final, am implementat blocuri de simulare. Aceste blocuri simulează

comportamentul real al echipamentelor setând diferiți parametri în funcție de

comanda dată. (De exemplu, după comanda de deschidere a valvei blocul de

simulare va seta pe 0 feedback-ul „VALVA DESCHISA‖ si va seta 1 ―VALVA

INCHISA‖.

6. Concluzii și perspective Integrarea elementelor de proces într-un sistem de control distribuit a devenit,

în contextul actual de dezvolatare a industriei, o practică frecventă, dar care necesită un grad înalt de cunostințe din diferite domenii.

Plecând de la definirea buclelor de reglare și stabilirea strategiei de

conducere, proiectarea și acordarea regulatoarelor și nu în ultimul rând monitorizarea si controlul tuturor elementelor de proces, am creat și implementat un sistem de control care să raspundă celor mai complexe cerinte funcționale ale circuitului de răcire.

Totodată am prevazut numeroase elemente în cadrul sistemului de control

distribuit care sa diminueze și chiar să elimine eventualele funcționări defectuase ce pot duce la distrugeri materiale sau la afectarea factorului uman. Cu ajutorul acestor elemente am crescut gradul de siguranță în funcționare al sistemului.

În decursul dezvoltării aplicației de control distribuit am dobândit un important

bagaj de cunoștințe, având posibilitatea sa lucrez alături de inginerii din cadrul companiei YOKOGAWA. Totodată am acumulat o importantă experiență de lucru în cadrul mediului de dezvoltare CENTUM VP, relizănd o aplicație funcțională și cu utilitate practică.

81

7.Bibliografie:

[1] -- Carl R. Branan, 2005, Cooling Towers, Rules of Thumb for Chemical Engineers (Fourth Edition)

[2] -- Australian Institute of Air Conditioning Refrigeration and Heating (AIRAH). Types of Cooling Towers.

[3] – John Maulbetsch, 2003, Cooling System Retrofit Costs, EPA Workshop on Cooling Water Intake Technologies

[4] – Barbara A. Carney, Thomas J. Feeley, 2005, Department of Energy/Office of Fossil Energy’s Power Plant Water Management R&D Program, U.S.Department of Energy

[5] – Nenad Milosavljevic, Pertti Heikkilä, 2001, A comprehensive approach to cooling tower design, Applied Thermal Engineering, Volume 21

[6] – Kim, J.K. and Smith, R., 2001, Cooling water system design. Chem Eng Sci, 56(12): 3641–3658.

[7] – Kröger, D.G., 2004, Air-cooled Heat Exchangers and Cooling Towers: Mass Transfer and Evaporative Cooling. (Penn Well Corporation, OK, USA), pp. 223–328

[8] – Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1996, Chemical Engineering: Fluid Flow, Heat Transfer and Mass Transfer (5th ed.). (Pergamon Press, Oxford)

[9] – Mann, J. and Liu, Y.A., 1999, Industrial Water Reuse and Waste Water Minimization. (McGraw-Hill, New York, USA).

[10] – M.H. Panjeshahi, A. Ataei, M. Gharaie, 2008, Optimum design of cooling water systems for energy and water conservation, Chemical Engineering Research and Design

[11] – Sadik Kakaç and Hongtan Liu, 2002, Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design, CRC Press

[12] – Janetta Culiță, Dan Ștefănoiu, 2008, Modele analitice pentru procese cu transfer termic, Modelare analitică și experimentală a modelelor

[13] – Documentatie ASCO Engineering Information Solenoid Valves

[14] – Documentatie ASCO Engineering Information 2-Way/2 Position Valves

[15] – Baha Abulnaga, 2004, Pumping Oilsand Froth, 21st International Pump Users Symposium

[16] – Larry Bachus, Angle Custodio 2003. Know and understand centrifugal pumps. Elsevier

[17] – Robert J. Alonzo, 2010 Electrical Codes, Standards, Recommended Practices and Regulations: An Examination of Relevant Safety Considerations

http://204.154.137.14/technologies/coalpower/ewr/pubs/IEP_Power_Plant_Water_R&D_Final_1.pdf



http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431100000788



http://turbolab.tamu.edu/proc/pumpproc/P21/01.pdf

http://books.google.com/books?id=vEcP8Laon9wC&pg=PA317



82

[18] – Kerlin, Thomas W. & Johnson, Mitchell P. 2011 Thermocouples: What One Needs To Know

[19] – Agilent Semiconductor Practical Temperature Measurements , Application Note 290

[20] – Dumitru Popescu, 2013, Sisteme de conducere a proceselor industriale, Notite de curs

[21] – Sergiu Stelian ILIESCU, 2006, Teoria Reglării Automate, Editura Proxima

[22] – Ioan DUMITRACHE, 2005, Ingineria Reglării Automate,Editura POLITEHNICA

[23] – Ciprian LUPU, 2013, Sisteme integrate de conducere, Notițe de curs

[24] – Alexandru DUMITRASCU, 2013, Rețele industriale de calculatoare, Notițe de curs

[25] – ***, Integrated Production Control System CENTUM VP System Overview (General Overview), YOKOGAWA CENTUM VP TI 33K01A10-50E

[26] – ***, Integrated Production Control System CENTUM VP System Overview (HMI Overview), YOKOGAWA CENTUM VP TI 33K01A11-50E [27] – ***, Online manual YOKOGAWA CENTUM VP

http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=Control_Fundamentals1&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=87289

http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=Control_Fundamentals1&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=87289

http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7822E.pdf

Date post:	04-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	duongcong
View:	225 times
Download:	2 times

LUCRARE DE LICENȚĂ -...

Documents