MODULUL 3: SISTEME NUMERICE DESTINATE CONDUCERII PROCESELOR

Transcript

1 MODULUL 3: SISTEME NUMERICE DESTINATE CONDUCERII PROCESELOR 1. Subsistemele de baza ale unei structuri de cnducere cu SCPEN/CP Calculatrul de prces Subsistemul de alimentare cu energie electrica Unitatea aritmetica si lgica Memria de lucru Unitatea de cmanda Cnsla peratrului de prces Subsistemul I / E Interfata cu echipamentele periferice Schema blc a unitatii centrale Traductare Rlul şi lcul traductrului intr-un SRA. Clasificari Traductrul (T) este acel subsistem al unui sistem de reglare autmata sau de cnducere care are rlul de a stabili crespndenţa intre marimea de calitate z (sau marime de masurat) şi marimea de ieşire y ( sau marimea masurata) ce este apta de a fi prelucrata de sistemele de prelucrare autmata a datelr. 1

2 TRADUCTOARE Dupa marimea de intrare z Dupa marimea de iesire y Electrice Neelectrice Analgice Numeric Parametrice Generatare Inductive Rezistive Capacitive Inductiv Piezelectrice Termelectrice Hall Ftvltaice Criterii de clasificare pentru traductare y r _ SC (RA) EE P T y Rlul şi lcul traductrului intr-un SRA Traductr (T) ES A z Element sensibil w Cnvertr de iesire y (Detectr) (Adaptr) Subsistemele cnstituente ale unui traductr Un traductr este cnstituit din dua subsisteme: elementul sensibil (detectrul) (ES) şi cnvertrul de ieşire (adaptrul) (A). 2

3 Elementele caracterizante ale unui traductr Elementele ce caracterizeaza un traductr şi pe baza caruia se pt cmpara intre ele diferitele traductare sunt urmatarele : a) natura fizica a marimii de intrare şi de ieşire; b) puterea cnsumata la intrare şi cea transmisa sarcinii; c) caracteristica statica; d) caracteristica dinamica; e) pragul de sensibilitate; f) gradul (clasa) de precizie; g) nivelul de zgmt. Traductare. Studii de caz Traductarele se pt clasifica in funcţie de marimea de intrare in traductare pentru marimi electrice şi neelectrice sau in funcţie de marimea de ieşire in traductare analgice şi numerice. i) Traductarele analgice se impart la rândul lr in dua categrii: parametrice şi generatare. a) Traductarele parametrice (mdulatare) sunt acele traductare in care sub influenţa marimii de intrare se mdifica dupa lege bine determinata, unul din parametrii electrici (rezistenţa, inductanţa sau capacitate) ai circuitelr electrice a traductrului. Pentru detectarea acestei mdificari traductrul trebuie sa aiba sursa de energie auxiliara şi schema de masura a parametrului care se mdifica. 1. Traductare parametrice rezistive - Traductarele restatice z = u i R 0, l _ R x x z = u i y = u y _ R 0, l R x, x y = u y E A W u IES ES p a) b) Traductare restatice: a) de deplasare; b) de presiune 3

4 - Traductare termrezistive - Traductare tensimetrice P 2 TA (Activ) TC (Cmpensatr) TA TC SM A R 1 P 1 R 2 P 1 R 1 R 2 U ALIM z U ALIM a) b) Punţi de masura: a) metda prin derivaţie; b) metda de zer z 2. Traductare parametrice inductive - Traductare cu intrefier variabil N L L x R F I x U a 1 a2 L x1 R N F -F L x2 L Lx1 I x R 0 R Lx2 Lx1-Lx2 U b 1 b 2 Traductr inductiv in mntaj simplu(a 1) şi caracteristica statica(a 2 ). Traductr inductiv in mntaj diferenţial (b 1 ) şi caracteristica statica (b 2 ) 4

5 - Traductare de tip transfrmatr U IES U alim W Traductr inductiv tip transfrmatr diferential - Traductare inductive cu miez mbil L 1 R 3 d A V L 2 R 4 B 1 B 2 U alim a) b) Traductr inductiv cu miez mbil a ) schema cnstructiva; b) schema electrica de masura 3. Traductare parametrice capacitive b) Traductarele generatare (energetice) sunt dispzitive in care marimea de intrare este transfrmata intr- tensiune electrmtare ce pate fi utilizata nemijlcit de sistemul de cnducere. Aceste traductare nu necesita surse exteriare de alimentare. Aceste traductare sunt realizate in mai multe variante in funcţie de principiul care sta la baza transfrmarii marimii de intrare intr- tensiune de ieşire : - inductive : funcţineaza pe principiul maşinilr de c.c. sau c.a. ; - termelectrice (termcupluri) : au la baza efectul Seebeck ; - traductare de tip Hall ; - ph-metre ; - piezelectrice, etc. 5

6 Regulatare Rlul si lcul regulatrului autmat intr-un SRA. Clasificari. Calea directa v yr EC _ RA u A PROCES y B Calea inversa Rlul şi lcul RA intr-un SRA Cele mai imprtante criterii pentru clasificarea regulatarelr autmate sunt: Regulatare autmate dupa: tipul actiunii caracteristicile cnstructive sursa de energie externa agentul purtatr de semnal liniare: P,I,PI,PD,PID neliniare: bipzitinale, tripzitinale cu impulsurile mdulate numerice cu actiune cntinua discrete unificate specializate directe indirecte electrnice pneumatice hidraulice Criterii de clasificare pentru RA Elementele caracterizante ale unui RA Elementele care caracterizeaza un regulatr autmat şi pe baza carra se pt cmpara intre ele diferitele regulatare, in scpul alegerii celui mai adecvat tip, sunt urmatarele: natura fizica a marimii de intrare şi ieşire; mediul in care vr lucra regulatarele; 6

7 gradul de cmplexitate al prcesului şi perfrmanţele ce se impun marimii reglate. In general, pentru majritatea prceselr, legile de reglare P, PI, PD sau PID sunt satisfacatare, dar exista prcese la care se impun, datrita strategiilr cmplexe de cnducere, regulatare cu structuri speciale, cum ar fi cele de tip extremal, adaptiv etc. Astfel de structuri se realizeaza, insa, de cele mai multe ri, cu structuri numerice; psibilitaţile de integrare in sisteme numerice cmplexe de cnducere (calculatare de prces); parametrii legii de reglare : cnstanta de timp de integrare T I, cnstante de timp de derivare T D, banda de prprţinalitate BP ; transferul funcţinarii «autmat-manual» şi invers, fara şc şi fara echilibrare prealabila; viteza de raspuns a prcesului autmatizat (prces rapid sau lent); numarul de elemente de execuţie ce pt fi cmandate simultan, in paralel, de catre un regulatr; tipul elementului de acţinare; tipul rganului de reglare (nrmal inchis sau nrmal deschis); caracteristica statica a rganului de reglare; realizarea siguranţei in funcţinare a prcesului la intreruperea semnalelr de masura şi de cmanda. Regulatare autmate. Studii de caz. A. Regulatare cntinue i) Regulatare cntinue liniare a. Regulatare liniare standard Tipurile de regulatare cele mai utilizate astazi in industrie sunt regulatare standard, a carr cmprtare se pate explica prin cele trei frme de baza idealizate ale elementelr P, I şi D. Regulatrul standard cel mai imprtant şi cel mai cmplex are cmprtare PID. Mdul de acţiune al unui regulatr PID pate fi explicat printr- schema de cnectare in paralel a câte unui element P, I şi D. K R K I s u SAU K R T I 1s u K D s T D s Scheme blc echivalente pentru un regulatr PID 7

8 u(t) K R (1-T D ) Cmpnenta D K R Cmpnenta I Cmpnenta P u(t) K R 0 c) t u(t) K R -T I 0 t a) TI u(t) K R (1-T D ) 0 t d) u(t) K R (1-T D /T) Cmpnenta D K R Cmpnenta I Cmpnenta P K R u(t) K R (1-T D /T) K R 0 t e) -T I 0 T t b) 0 T f) t Raspunsul indicial a) ideal; b) real al uni RA de tip PID. Raspunsul indicial pentru un RA de tip c) P; d) PI; e) PD (ideal) şi f) PDT 1 (PD real) Observaţii: 1. Menţinam ca RA cntinue liniare realizeaza dependenţa intrare - ieşire de tip cntinuu, cea mai cmplicata expresia; legii de reglare ideala fiind legea PID: 1 d ( t) u t KR () t () t dt TD T I dt P I D Din relaţia de mai sus putem sa definim parametrii legii de reglare (cmanda), care sunt in acelasi timp şi parametrii pentru regulatr: K R factrul de amplificare exprimat prin banda de prprţinalitate BP BP% k R u k R unde si u sunt dmeniul de variaţie a lui si u. Pentru regulatarele unificate avem u. Banda de prprţinalitate BP pate fi definita ca variaţie prcentuala a marimii de intrare necesara pentru a prduce variaţie de 100% a marimii de ieşire a regulatrului. T I cnstanta de timp de integrare care defineşte cmpnenta integrala şi care are semnificaţia timpului in secunde sau minute necesar integratrului pentru a dubla raspunsul prprţinal riginal crespunzatr unei perturbaţii a prcesului sau ceea ce este echivalent, numarul de secunde (minute) necesar pentru repetarea raspunsului prprţinal (MPR: minute pe repetare, revenire sau egalare). MPR este echivalent cu T I. 8

9 Unii fabricanţi de aparatura masara cmprtarea integrala prin viteza de integrare (repetari pe minut rata de integrare sau revenire/minut) RPM, cu bservaţia ca, RPM = 1/MPR. % 4% % t (min) t (min) BP% 80% K R 1, 25 u 41,25 5% T 1min(1 MPR) I RPM 1/11 Interpretarea fizica a cnstantei de integrare T I T D cnstanta de timp de derivare: interpretarea fizica a cestei cnstante este ca raspunsul reglajului derivativ va fi egal cu cel al reglajului prprţinal ce va apare dupa un timp T D minute (secunde) şi se va aplica imediat la ieşire (real dupa mica intârziare). % 10 5 % t BP% 100% K T D R 1 2min t Interpretarea fizica a cnstantei de derivare T D Un regulatr autmat este cnstituit din mai multe subsisteme, principale fiind elementul de cmparaţie şi subsistemul care relizeaza legea de reglare. Cmparatrul cel mai simplu al unui regulatr este dat in figura de mai js, marimile de cmparaţie fiind semnale in curent. Aceste semnale sunt cnvertite in tensiuni. Cmparatrul permite determinarea marimii şi sensului errii: in fig.11.b se da schema mai cmpleta care cuprinde şi un cmutatr al mdului de acţiune direct sau invers CD/I. Alegearea tipului de acţiune este dictata, in general, de tipul rganului de reglare. 9

10 4 20 ma 4 20 ma ø R Ω uy 2 y ø ø 1 u ø x ø R2 250 Ω uyr ø ø 1 CD/I a) b) ø Element de cmparaţie a) element de cmparaţie simplu; b) element de cmparaţie şi cmutatr al acţiunii direct-invers Blcul de reglare este realizat cu ajutrul unui amplificatr, de bicei amplificatr peraţinal, prevazut cu circuite specifice pe reacţie şi intrare pentru a se realiza legea de cmanda drita. 2. Termenul de plarizare. Termenul de plarizare se ia frecvent egal cu 50% din marimea de cmanda. Deci, marimea de cmanda la un regulatr P trebuie sa fie egala cu 50% atunci când y yr independent de amplificarea regulatrului. 3. Prezenţa cmpnentei I cnduce la valare a cmenzii care va ieşi din plaja de reglaj, aparând aşa-numitul fenmen de saturaţie. b. Aspecte privind realizarea legilr de reglare O prblema imprtanta in funcţinarea unui regulatr este prblema cmutarii referinţei. In funcţinarea regulatarelr ne intâlnim destul de des cu prblema cmutarii marimii de cmanda. ii) Regulatare cntinue neliniare La regulatarele cntinue neliniare, dependenţa dintre marimea de cmanda u(t) şi erarea () t este neliniara. Principalele tipuri de regulatare neliniare sunt: - regulatarele bipziţinale ( tt sau nimic ); - regulatarele tripziţinale. 10

11 Daca la un regulatr cntinuu in funcţiune, marimea de la ieşire a regulatrului in dmeniul admis pate accepta rice valare, marimea de ieşire a regulatrului bi- si tripziţinal pate avea inttdeauna numai 2 sau 3 valri determinate (stare de cmutare). u - Regulatr bisau tripzitinal PROCES v y Sistem de reglare autmata cu regulatr bi- sau tripziţinal Un regulatr bipziţinal pate fi pe rând pe una din pziţii cnectat şi decnectat ale unui cmutatr, iar un regulatr tripziţinal, de exemplu, pe una din cele trei pzţii inainte, inapi şi repaus ale unui mtr. In acest fel acest regulatr se realizeaza printr-un simplu element cmutatr, a carui caracteristica statica este indicata in tabelul 2. Acest tip de regulatr pate fi prevazut cu reacţie interna cu cmprtare in timp ajustabila. PD -a b u _ -b a x r a) K r, T r _ PID x r b) K r, T r T r1 u m _ PI x r T m c) K r, T r Principalele regulatare bi- si tripziţinale cu reacţie interna 11

12 a. Regulatare bipziţinale u() u() u m u m 0 -P 0 P -u m -u m a) b) Regulatr bipziţinal: a) caracteristica ideala a unui regulatr bipziţinal; b) caracteristica reala a unui regulatr bipziţinal b. Regulatare tripziţinale Regulatrul tripziţinal fera psibilitatea stabilirii unei valri suplimentare intre u m şi u m pentru marimea de cmanda. Caracteristica statica a regulatrului tripziţinal ideal este redata in figura de mai js: u() u() u m u m - P - P 0 P - P 0 P - P -u m -u m a) b) Regulatr tripziţinal: a) caracteristica ideala; b) caracteristica reala Clasificarea elementelr neliniare ale unui sistem de reglare autmata 1. b 7. - a a - b 2. Limitare b - b 8. Histerezis (in angrenaje) 3. Cmprtare bipzţtinala (tip releu) b -a a - b Cmprtare tripziţinala 9. Caracteristica neliniara arecare xe Cuantizare 12

13 4. - a α a α xe Zna marta (cu insensibilitate) - a α a Cu histerezis - a α a α xe α xe Cmprtare tripziţinala cu histerezis Frmarea mdulului 1 2 Multiplicare 1 2 Imparţire B. Regulatare discrete (regulatare numerice) Se cunsc dua versiuni de regulatare discrete: regulatare cu impulsuri şi regulatare numerice, ultimele fiind cele mai utilizate dearece ele funcţineaza pe principiul micrsistemelr de calcul, similare calculatarelr de prces. i) Regulatare in impulsuri Un regulatr funcţinând in impulsuri nu primeşte erare (t) in md cntinuu, ci in md discret. Prin eşantinare, se preiau valrile instantanee ale marimii cntinue () t la intervale de timp fixe, T, pe durata farte scurta, T, bţinându-se astfel semnalul discret (). t Acest semnal cnstitue intrarea in regulatr, care dupa prelucrarea errii discrete cnfrm algritmului implementat prin structura, prduce la iesire marime de cmanda u ( t ), tt sub frma de impulsuri, de aceeaşi frecvenţa 1/T ca cele de intrare. Intr-un sistem autmat in care tate celelalte blcuri sunt cntinue, semnalul de cmanda u ( t ) al regulatrului in impulsuri este reţinut pe durata T, pâna la ssirea unui nu impuls, prin intermediul unui element de reţinere. Dispzitivele de esantinare a marimilr de intrare şi ieşire sunt de cele mai multe ri incluse cnstructiv in regulatrul discret. ii) Regulatare numerice Realizarea numerica a unei legi de reglare este justificata in principal de urmatarele cauze: a. psibilitatea de incadrare a regulatrului numeric intr-un SRA numeric cmplex, in care sa se realizeze şi funcţii de supraveghere, testari de limite, analize şi raparte peridice, afişari grafice ale unr marimi calculate sau de prces; b. pentru prcese lente, cu cnstante de timp mari, devine psibila cnducerea cu acelaşi regulatr numeric, in timp divizat a mai multr bucle de reglare; 13

14 c. psibilitatea de integrare a regulatrului numeric intr-un sistem ierarhizat, cndus prin calculatr; d. psibilitatea mdularizarii prin prgram (sftware) a structurilr de reglare (P,PI,PID, neliniare) şi a cnfigurarii simple, prin cuplarea rutinelr menţinate, a unr structuri de reglare in cascada, de raprt, multipla, s.a. e. psibilitatea implementarii unr algritmi de reglare evluaţi (ex: cnducerea dupa stare). Marimile cu care pereaza un regulatr numeric sunt marimi eşantinate in durata şi eşantinate in amplitudine: Eşantinarea in durata: se preiau valrile marimilr la mmente discrete de timp. Cndiţia este ca frecventa de eşantinare sa fie de cel puţin de dua ri mai mare ca frecventa maxima cntinuta in semnalul analgic pentru a nu apare pierdere de infrmaţie utila. Practic aceasta frecventa se ia de 8 10 ri mai mare decât frecvenţa prprie a prcesului cndus. Eşantinarea in amplitudine cnsta in inlcuirea mulţimii cntinue a valrilr semnalului cu mulţime discreta, finita de valri. Algritmii de reglare se pt prezenta in dua frme: algritmi de pziţie şi de viteza. Pentru lege de cmanda PID avem urmatarele expresii: - algritmul de pziţie (abslut) n T ( n) ( n 1) u( n) K R ( n) ( j) TD u0 TI j0 T - algritmul de viteza (incremental) u( n) u( n) u( n 1) T TD K R ( n) ( n 1) ( n) ( n) 2 ( n 1) ( n 2) TI T cu T periada de esantinare; ( n) ( nt ); u( n) u( nt ) u - valarea initiala a cmenzii (plarizare); K R - factrul de amplificare; T D - cnstanta de derivare; T - cnstanta de integrare. I Pe linga numerasele şi evidentele avantaje, reglajul numeric are şi serie de dezavantaje, cum ar fi: - sensibilitate la zgmt, ceea ce impune filtrare numerica sau analgica; - intrduce timp mrt datrita prcesului de eşantinare, fapt ce se pate evita prin marirea frecvenţei de eşantinare; - erarea de discretizare, in special evidenţa la acţiunea derivativa: se cauta sa fie evitate astfel de cmpnente in legea de cmanda. 14

15 Observatii: 1. In general, mdelul discret a unui sistem se pate bţine printr- prcedura de discretizare a funcţiei cntinue (exemplu: metda dreptunghiului, metda trapezelr, metda Runge- Kutta, etc.) sau direct din transfrmata Laplace sau cu ajutrul transfrmatei z. 2. Prin semnal numeric (in cadrul acestei lucrari) vm inţelege semnalele cuantizate in valare (amplitudine) in cuante echidistante şi eşantinate in timp. 3. Vm prezenta câteva aspecte legate de reglarea numerica: Rezluţia ieşirii din CAN depinde de lungimea cuvântului in biţi. Intrucât fiecare bit pate avea valarea 0 sau 1 şi n biţi pt genera 2 n stari. De exmplu un CAN pate genera 1 bit ce ne pate indica daca temperatura se afla in jumatatea de js a dmeniului (valarea 0) sau in cea de sus (valarea 1): rezluţia va fi 0,5 sau 50%. In practica ieşirea lui CAN este pe 11 sau 12 biţi cu rezluţia 0,05% (1/2048) sau 0,0025% (1/4096). Algritmul de reglare numeric cnvenţinal PID se flseşte in special, in frma algritmului de viteza u( n) a1 ( n) a2 ( n 1) a3( n 2) unde a 1, a 2, a 3 sunt cnstante ce depind de T, T I, T D, K. Aceasta frma necesita pt lcaţii de memrie (valarea plarizarii, deci a valrii de regim staţinar pate fi atribuita ca valare iniţiala) şi efectuarea a şapte peraţii. Semnalul inainte de a fi intrdus in sistemul numeric de cnducere trebuie sa fie filtrat analgic şi/sau numeric. Intradevar, fie un semnal cntinuu care cnţine şi un semnal de inalta frecvenţa : Zgmt de inalta Zgmt de jasa frecventa frecventa Nivel mediu de zgmt 0 T 2T 3T 4T 5T 6T Generarea zgmtului de jasa frecvenţa Intr-un semnal cntinuu, nivelul de zgmt nu afecteaza, in general, marimea de ieşire dearece frecvenţa sa este prea mare pentru a influenţa funcţinarea cmpnentelr relativ lente ale sistemului. Intr-un sistem numeric zgmtul pate fi şi el eşantinat la mmentele kt. Se pate bserva generarea unui zgmt de jasa frecvenţa; de frecvenţa mai mici decât a celui riginal. Prezenţa acestuia afecteaza perfrmanţele echipamentului numeric, dearece intra in 15

16 dmeniul frecvenţei de eşantinare şi deci in spectrul de frecvenţa al raspunsului prcesului. Acest efect este cunscut sub numele de erare de reprezentare. Se impune deci filtrarea semnalului inainte de eşantinare. Cea mai simpla frma a unui filtru numeric pate fi descrisa prin relaţia: y f ( n) q y ( n 1) (1 q) y( n) f unde y f (n) - marimea filtrata la a n-a eşantinare; y (n) - marimea de la intrarea filtrului (inclusiv zgmtul) la a n-a eşantinare; 0 q 1 - parametrul filtrului. Se bserva, ca la q = 0, nu evem filtrare, iar la q = 1 marimea masurata este ignrata. O valare curenta este q = 0,15. Intre dua eşantinari succesive CAN are ieşirea menţinuta la valare cnstanta de extraplatrul de rdinul zer. In figura de mai js se ilustreaza cmparaţia dintre un semnal cntinuu analgic şi semnalul eşantinat de ieşirea CAN. Extraplatrul va intrduce un timp mrt egal cu T/2, ceea ce reduce marginea de amplitudine (amplificare) a buclei. Efectul este cu atât mai redus cu cât frecvenţa de eşantinare este mai mare. u T u( t ) 2 Semnal intarziat ut (), t Semnal cntinuu u ~ ( t ) Iesire de la CNA 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T t Apariţia timpului mrt in urma eşantinarii şi extraplarii (de rdin zer) Datrita eşantinarii semnalului cntinuu analgic va aparea erare de eşantinare. In cazul unei marimi analgice, exista un prag inferir (cel mai puţin bit semnificativ cmpbs) sub care nu mai pt fi detectate variaţiile marimii. In figura de mai js se exemplifica acest lucru pe cntribuţia acţiunii derivative, când viteza de variaţie a marimii analgice este mai mica de un bit pe un interval de eşantinare. La depaşirea pragului de insensibilitate, intrarea se mdifica cu un bit pe eşantin. La urmatarea 16

17 eşantinare, derivata este din nu zer, dearece variabila cntinua s-a mdificat cu cantitate sub pragul de insensibilitate. Din acest exemplu rezulta şi faptul ca, acţiunea derivativa se flseşte rar dearece prduce pulsaţii nedrite la vanele de reglaj. Marime analgica T Iesire derivativa Erare de discretizare Revenind la cele dua frme ale unui algritm de reglare numeric, de pziţie şi de viteza, remarcam ca al dilea prezinta avantajul ca nu necesita iniţializari ca primul pe de parte, iar pe de alta parte permite cmutari AUTOMAT-MANUAL fara şcuri la elementul de execuţie. Algritmul incremental se flseşte cu elemente de execuţie de tip integratr. Pentru realizarea legilr de reglare numerica, se prezinta dua variante cnstructive: a) Elementul de execuţie ce urmeaza blcului de reglare are funcţie de transfer aprximativ prprţinala. In acest caz legea de reglare se realizeaza in intregime in interirul regulatrului. In figura de mai js este prezentat un dispzitiv de reglare PI, in varianta in care erarea este analgica. * y r Cmparatr CA/N analgic - y P u * I Regulatr numeric PI CN/A u - EE m b) Elementul de execuţie are un caracter integratr. In acest caz se prefera ca şi elementul de execuţie sa fie intrdus in blcul de reglare. 17

18 In figura urmatare se prezinta varianta de realizare a unui regulatr PI, cu elementul de execuţie de tip I. D u * CN/A u EE m P Regulatr PI cu element de execuţie I Pentru bţinerea unui blc de reglare PID se pt utiliza schemele blc din figura de mai js. In cazul utilizarii mtarelr pas cu pas ca elemente de execuţie discrete, prezenta cnvertarelr numeric-analgice nu mai este necesara. * P I u * * I u * D D Regulatare numerice PID Exemplificare: Regulatrul multifunctinal SIPART DR 24 Se va face prezentare generala a echipamentului, cu scpul de a se pune in evidenta mdul de perare, facilitatile ferite de echipament si psibilitatile de utilizare. Utilizarea sa nu necesita cunstinte de prgramare; Se pate utiliza in rice structura de cnducere: individual, cu echipamente analgice si numerice, in sisteme distribuite sau cu calculatr de prces. Cnstructie mdulara, ceea ce asigura un service rapid; In memrie sunt stcate serie de functii de baza si cmplexe ale unitatii functinale: a) Functii matematice:,,,, valare absluta, valare reciprca, generatr de functii, lgaritm, functia putere, negare, radical etc.; b) Functii de timp: filtru adaptiv, trecere sus, trecere js, integratr (cu intrare analgica si/sau binara), timp mrt, timer etc.; c) Functia de cmparatie: selectie de max - min, limitare etc; d) Functia de reglare: PID cu iesire cntinua, neliniar tripziinal, reactie; e) Functie lgica: SI, SAU, NAND, NOR, bistabil D, numaratr, etc; 18

19 f) Cmutatr: de marimi binare si analgice, multiplexr g) Functii de memrare: analg, Max, Min, integratr, etc; h) Generatr prgramabil. Aspectul de baza este cnstituit din urmatarele elemente de baza: Panul frntal cu elemente de afisare si manevra (service); Placa de baza cu CPU si clemele de legaturi; Carcasa si sursa de alimentare. Referinta interna Valare parametru y r (digital) y (analgic) Nume parametru y(digital) FIC-105 (m 3 /h) A 1 A 2 A 3 A 4 Nefunctinare Revine la mdul de perare prces Adaptare: cntinuu(terminat), intermitent (adaptare in funtiune) Mdificare referinta Semnalizare "manual":cntinuu(intern), intermiternt(extern) Cmutare autmat/ manual Semnalizare la cmanda externa Start cnfigurare OUT % Reglarea marimii de executie ("creste"/"scade") Marimea de iesire din regulatr (%) Regulatrul dispune de: Intrari: 3 analgice, 4 digitale; Iesiri: 3 analgice, 8 digitale; Pâna la 4 bucle de reglare. Panul frntal al SIPART DR24 19

20 Elemente de executie 1. Rlul şi lcul elementului de execuţie intr-un SRA. Clasificari. Elementul de execuţie (EE) este acel subsistem al unui SRA prin intermediul caruia sistemul de cnducere sau regulatrul autmat acţineaza asupra prcesului prpriu-zis. El este cnstituit din dua subsisteme principale: - elementul de acţinare (servmtr, mtr) EA; - rganul de reglare OR. După clasificări: EA (element de actinare) si OR (rgan de reglare)se pt da următarele Elemente de executie dupa Elementul de actinare (mtr) EA dupa Organul de reglare OR Electrice - mtr rtativ de c.c. sau c.a - mutatare cu tiristare - Electrmagnetic Pneumatice Hidraulice Mixte Electrice -Restatic - Intrerupatr - cu membrana - cu pistn (cu 1 sau 2 fete active) - rtative Electrice (rbinet, vana, clapeta) - dupa frma capului - dupa numarul. de scaune - dupa frma pturatrului Dupa mdul in care EE acţineaza asupra prcesului, se desebesc dua psibilitaţi: cu acţiune cntinua şi cu acţiune discntinua. Din punct de vedere al relaţiei intrare-ieşire, EE pt fi cu acţiune integrala sau prprţinala şi de aceasta dependenţa trebuie sa se ţina seama in stabilirea legii de cmanda. _ SC (RA) EE P T Rlul şi lcul EE. 20

21 Elemente caracterizante unui EE Alegerea unui EE cnsta, in md practic, in alegerea rganului de reglare şi, crelat cu acesta, a elementului de acţinare. La alegerea OR se au in vedere, in primul rând, caracteristicile cnstructive legate de tipul OR (electric sau neelectric), tipul variantei cnstructive (a crpului OR, numarul de scaune, frma pturatrului) şi in funcţie de temperatura, crzivitate şi txicitatea mediului de lucru. Element de executie (EE) EA OR u Element de h m Organ de reglare actinare Subsistemele cnstituente ale unui element de execuţie Dimensinarea prpriu-zisa a OR se face pe baza caracteristicii intrinseci, ţinând cnt de datele iniţiale (debitul de fluid, mediul de lucru, caderea de presiune, etc). In alegerea EE trebuie sa se ţina seama, de asemenea de asigurarea unei funcţinari sigure, de caracteristicile statice şi dinamice, de dmeniul de liniaritate, de viteza de raspuns, etc. Elemente de acţinare. Studii de caz. Elemente de actinare pneumatice a 1 b 21

22 h a 2,1 ) h(t) p u (t) Ideal p u h(t ) Real a 1 - schema cnstructiva simplificata a 2,1 - caracteristica statica a 2,2 - caracteristica dinamica b - element de actinare la deschidere p u (t) a 2,2 ) t Elemente de actinare Imbunatatirea caracteristicii statice şi dinamice a EA cu membrana se realizeaza prin utilizarea unui pziţiner a carui schema cnstructiva simplificata este data in figura de mai js. SM TP h r h h u B p u pu1 AP a) p 0 B p 0 h p U h U _ u p U1 h AP SM OR m h r TP b) c) Elemente de acţinare pneumatic cu membrana cu pziţiner: a) schema cnstructiva; b) schema blc; c) caracteristica statica p u 22

23 Pziţinerul este un accesriu mntat pe vana şi este prevazut, de regula, cu un ventil de clire (sau intrerupatr) care permite scaterea lui de pe traseul dintre semnalul de la regulatr şi EA. Acest lucru este necesar in timpul unr peraţii de intreţinere. Acţinarea acestui ventil de clire se face dupa ce s-a verificat daca pziţinerul amplifica sau restrânge dmeniul de reglaj sau daca a fst sau nu flsit cu funcţie inversa (inversarea semnalului). Elementele de acţinare cu pistn h h p u a) b) Elemente de acţinare pneumatice cu pistn : a) cu simplu efect ; b) cu dublu efect Elemente de acţinare electrice Organe de reglare Organele de reglare pt fi: - electrice ; - neelectrice. Prin caracteristica lr statica şi dinamica OR influenţeaza stabilitatea SRA, precum şi calitatea prcesului de reglare (cnducere). De exemplu, prin alegerea crespunzatare a EA şi a OR se pt cmpensa neliniaritaţile celrlalte elemente din bucla de reglare (figura de mai js). 1/A PC pr _ RA EE PT p p PT Cmpensarea neliniaritaţilr prin EE Caracteristica intrinseca se defineşte prnind de la expresia debitului Q ce trece prin rbinet. Q 1 2 S r P r 23

24 unde: - ceficientul de pierdere (rezistenta) lcala; - densitatea agentului de reglare; S r secţiunea de trecere a rbinetului; P r - pierderea de presiune remanenta prin frecare. Ntam cu 1 K v 2 S r şi bţinem Pr Q K v sau c K v Pr Pentru un rbinet de reglare, parametrul K v se pate exprima in funcţie de cursa h a axului acestuia K K v v h care reprezinta caracteristica intrinseca a rbinetului K v nu depinde de restul ansamblului, ci numai de cnstrucţia rbinetului şi se pate exprima numeric prin debitul unui fluid de = 1 kg/dm 3 care trecând printr-un rbinet de reglare, determina Pr =1 dan/cm². Livrarea rbinetelr de reglare se face in funcţie de K v şi acestea sunt realizate cu caracteristici intrinseci de diverse tipuri: liniare, parablice, lgaritmice. Caracteristica de lucru definita prin relaţia: Q Q( h) ţine cnt de rezistenţa hidraulica a cnductei pe care are lc cadere de presiune P c şi careia i se pate ascia un parametru K c, ceficient de debit, analg cu K v Q Kc Pc Factrul de amplificare al vanei este dat de panta caracteristicii. Vana liniara are kor 1 in timp ce caracteristica parablica are k OR mic in vecinatatea pziţiei inchis pentru a atinge valri mari in pzitia inchis. Vana cu inchidere rapida se cmprta invers in raprt cu vana parablica. Pentru sistemele cndiţinat stabile, factrul de amplificare trebuie sa nu depaşeasca valare maxima. 24

25 Dearece: cu K kra kee kp kt kee kea kor unde: k 0 - factrul de amplificare al regulatrului; k EE - factrul de amplificare al elementului de execuţie; k OR - factrul de amplificare al rganului de reglare; k EA - factrul de amplificare al elementului de acţinare; k P - factrul de amplificare al prcesului; k T - factrul de amplificare al traductrului Rezulta ca k OR trebuie sa cmpenseze pe k P. In caz cntrar, ar trebui sa avem ajustare permanenta a lui k 0. Rezulta ca vana trebuie sa cmpenseze variaţiile amplificarii pentru un dmeniu larg de regimuri de funcţinare.vm exemplifica mdul de alegere a vanei functie de tipul prcesului: - Daca prin vana se face tranzitare a unui debit de fluid de la un sistem cu presiune inalta cnstanta la un sistem de jasa presiune, cu nivel redus de pierderi prin frecare (distincte de cele ale vanei prpriu-zise), atunci K este practic cnstant şi se va alege vana cu caracteristica liniara; - Daca sistemul are pierderi P C mari in raprt cu caderea de presiune pe vana, deci amplificare mai mare la debite mici şi mai mici la debite mari, se alege vana cu caracteristica parablica; - Vana cu deschidere rapida se flseşte in situaţiile unui reglaj de tip deschis/inchis, ca de exemplu, la un sistem de avarie. - K V K Q 1 Q h h h 100 h 100 a) b) Caracteristicile statice ale rganelr de reglare: a) caracteristica intrinseca ; b) caracteristica de lucru ( 1 ventil cu inchidere rapida ; 2 ventil liniar ; 3 ventil cu bila ; 4 ventil fluture ; 5 ventil parablic) 25

26 Sisteme de achizitie de date (DAQ) Achizitia de date este prcesul de masurare al unui fenmen electric sau fizic cum ar fi tensiunea, curentul, temperatura, presiunea sau sunetul. Achzitia de date bazata pe PC flseste cmbinatie de hardware mdular, sftware de aplicatie si un calculatr pentru realizarea masuratrilr. Cmpnentele unui sistem de achizitie de date sunt: 1. Traductare 2. Cnditinarea semnalului 3. Echipamente de achizitie de date 4. Drivere si sftware de aplicatie. Diagrama blc a unui sistem de achizitie de date cu PC Cnsideratii pentru alegerea ptima a sistemului de achzitie de date 1. Tipuri de masuratri si canale de intrare/iesire 2. Frma cnstructiva 3. Sftware si limbaje de prgramare 4. Cnsiderente de perfrmanta 26

27 Exemplificare Placa de achizitie de date pe interfata PCI, tip Humusft MF624 Placa de achizitie de date PCI Humusft MF624 Caracteristici: pt intrari analgice uniplare pe 14 biti; pt iesiri analgice pe 14 biti; cnversie analg/numerica rapida; 8 intrari digitale, 8 iesiri digitale; patru intrari de encder in cuadratura (uniplare sau diferentiale); patru numaratare/timere; cnsum redus de energie; include drivere pentru platfrme multiple (MATLAB,RTWindws, xpc, Windws) Aplicatii: Masuratri de tensiune CC; Interfatare de senzri si traductare; Analiza de vibratii si tranzitrie; Mnitrizare si cntrl de prces; Achizitie si analiza de frme de unda; Achizitie de date multicanal; Simulari in timp real; Iesire de tensiune prgramabila; Masuratri de pzitii; Sisteme serv; PWM; Masuratri in frecventa; Masuratri de timp; 27

28 Generare de pulsuri/frecventa; Numarare de pulsuri. Specificatii tehnice Intrari analgice Canale: 8 uniplare Cnvertr A/N: 14 bit, esantinare simultana Timp de cnversie: 1,6 micrsec., 1 canal 1,9 micrsec., 2 canale 2,5 micrsec., 4 canale 3,7 micrsec., 8 canale Gama de intrare: - 10V Impedanta de intrare: Ohm Cmanda trigger: Sftware, timer, externa Iesiri analgice Canale: Gama de iesire: Curent de iesire: Timp tranzitriu: 8, 14 bit - 10V 10 ma max. 31 micrsec., schimbare FC la -1/2 LSB Intrari/Iesiri digitale Linii de intrare: 8, cmpatibile TTL Linii de iesire: 8, cmpatibile TTL Timer/ Numaratr Numar de canale: 4 Rezlutie: 32 bit, 20ns Mduri: PWM, numaratr, generare de impulsuri Intrari encder Canale de intrare: 4, uniplare sau diferentiale Intrari: A, B, Index Frecventa de intrare: ma 2.5MHz Rezlutie: 32 bit General Cnsum energetic: V V V Temperatura de perare: 0 50 C ( F) Cnectr: 2 x DB-37 F Interfata: PCI 5V sau 3.3V 28

29 2. Aspecte ale sftware-ului sistemelr infrmatice destinate cnducerii prceselr Dupa cum s-a mai amintit, un calcultr devine calculatr de prces, prin aceea ca, prin intermediul elementelr de cuplare la prces (prin care se realizeaza schimbul de infrmatii spre/ si de la prces) si a prgramelr, pate sa lucreze in timp real (n real-time) cu prcesul tehnlgic la care a fst cuplat. Aceasta inseamna ca intre timpul de reactie (raspuns) al prcesului T p la perturbatie si cel al calcultrului T c trebuie sa existe relatie de frma T T daca prcesul este rapid sau Tc T p, pentru un prces lent. T p c p P R O C E S Cerere Raspuns Reactie prces Prgrame de utilizare Prgram 1 Prgram 2 CALCULATOR Sistem de prgrame pentru cmanda in timp real T C a) T p Cerere P R O C E S Raspuns Reactie prces CALCULATOR Prgrame de utilizare T C Relatinarea intre T c si T p in functie de tipul prcesului: a) prcess rapid T c T p ; b) prces lent T c << T p b) 29

30 Un calculatr de prces (ce functineaza in timp real) se pate caracteriza prin ceficienti de frma: pi 1 t pi tti tci cu N p i i1 1 unde: t ci timpul de ciclare al prelucrarii pentru prgramul i; t pi timpul de prelucrare al prgramului i; t ti timpul de transfer al prgramului i. In realitate, in lcul unitatii, din relatia de mai sus, se ia 0,7, dearece se cnsidera ca timpul efectiv de lucru este de 70%, restul de 30% fiind rezervata intreruperilr, testarilr in functinare, etc. Hardware-ul are functia de a asigura suprtul de implementare a sftware-ului. Privit din punct de vedere al partii de sftware, calculatrul de prces pate fi cnsiderat a fi rganizat pe trei nivele, asa cum se pate vedea in tabelul de mai js. NIVELUL 1 Translatare, sisteme descrise in alte limbaje decat cele ale masinii Frmule, tabele, Scheme lgice NIVEL 2 Cpilatare, sisteme de perare Parametrii specifici macrinstructiunilr NIVEL 3 Asamblare, subrutine Cdificare simblica Nivelele de rganizare sftware in calculatare numerice. Sistemul general de prgrame a unui calculatr de prces pate fi reprezentat sub urmatarea frma: UTILIZATOR PROGRAME DE APLICATII COMPILATOARE ASAMBLOARE MACROPRELUCRARE INCARCARE EDITARE DEPANARE CAUTARE SI SORTARE PROGRAME I/E SISTEME DE FISIERE PLANIFICATOR SISTEME DE SUBRUTINE ADMINISTRAREA MEMORIEI ADMINISTRAREA PERIFERICELOR Sistemul general de prgrame ale unui CP La realizarea cnducerii cu calculatare de prces specificul prgramarii rezida in urmatarele prbleme: - psibilitatea calculatrului de a raspunde instantaneu la semnalele de priritate emise de prcesul cndus, capacitate ce se datreaza sistemului de intreruperi; 30

31 - capacitatea sistemului de a primi date direct de la aparatajul de masura si reglare a prcesului; - necesitatea de a se asigura fiabilitate ridicata fluxului infrmatinal si de cnducere calculatr prces calculatr, precum si frmularii crecte a restrictiilr temprale in scpul cntrlului in timp real; - cerinta ca timpul real in care calculatrul este cupat cu anumita peratie sa fie strict crelata cu timpul in care se prduc alte evenimente, exteriare fata de calculatr; - psibilitatea cnducerii cntinue a prcesului de catre calculatr, pe de parte si de executie al altr algritmi in timpul in care calculatrul nu este cupat cu algritmul de cnducere a prcesului, pe de alta parte. Pregatirea prgramelr pentru calculatrul de prces cmprta principial dua etape imprtante: a) descrierea sistemului analizat si cdificarea infrmatiei primare; b) descrierea algritmilr de reglare destinati cnducerii prcesului si efectuarea unr calcule si peratii. In scpul cresterii flexibilitatii in prgrame exista tendinta de rganizare mdulara a sistemului de prgrame destinate cnducerii prcesului. PRELUCRARE INFORMATII OPTIMIZARE SI ADAPTARE SISTEMUL OPERATIV CALCULUL MARIMILOR DE REFERINTA CULEGEREA INFORMATIEI DE LA PROCES SI DDC PROCES REGLAJ Schema de rganizarea mdulara a prgramelr intr-un CP Este de mentinat ca mdulul de prelucrare a infrmatiei cntine frmulare matematica a algritmului de prelucrare a masuratrilr, dupa cum mdulul de ptimizare si adaptare include managementul unei baze de date pentru legatura cu nivelele superiare, ca si prgramul de mdificare pe baza rezultatelr curente, a algritmului de cntrl. Acest prgram de mdificare pate fi evaluat ff-line, la cererea prgramului de cntrl al sistemului perativ executabil in 31

32 timp real. Este de mentinat ca sistemul peratr este cel ce asigura prelucrarea si memrarea flexibila a datelr si rezultatelr. Existenta sistemelr de perare este legata de necesitatea alcarii si administrarii resurselr calculatrului, de satisfacerea cerintelr celr mai variate ale utilizatrilr. El trebuie sa raspunda crespunzatr la aparitia evenimentelr externe. masina de scris - supraveghere MONITOR I/E idem pentru bilantare peratr PLANIFICARE DE CATRE PROGRAMUL DE CONDUCERE prgrame si subprgrame de cnducere SISTEM OPERATIV INTRERUPERI prces MONITOR DE ERORI analiza avarie si prgram de executie CONDUCERE-EXPLOATARE aparate de masura Principalele cereri externe slicitate sistemului de perare Prgramul de cnducere a prcesului prin calculatr de prces pate fi rganizat in trei mduri: - functinarea prin intreruperi; prelucrarea cererilr intamplatare din prces pe baza planificata; - functinarea dupa timp; necesitatea de a prelucra fiecare element al sarcinii de cnducere la mmente precise sau cu frecventa precisa; - functinarea secventiala; executarea secventiala standard a sarcinilr. Legat de aceste aspecte este mentinat ca sistemele de cnducere cu calculatare de prces pt avea diverse structuri (arhitecturi). Prblema prgramarii unr astfel de sisteme va fi determinata de cmplexitatea prcesului si a echipamentului, timpii de raspuns, frecventa mesajelr si distribuirea lr, etc. In functie de cmplexitatea sistemului, prgramele unui sistem de cnducere functinand in timp real trebuie sa rezlve cateva sau tate din urmatarele prbleme: cntrlul liniilr de cmunicatie, crdnarea dinamica a timpului datrita succesiunii aleatare a evenimentelr, tratarea sarcinilr, manipularea sirurilr de asteptare, alcarea priritatilr (care pate fi un atribuit permanent al sarcinii sau ii pt fi atribuite cand respectiva sarcina este activata) si alcarea dinamica a memriei, siguranta mare in functinare si masuri speciale in cazul unr defectiuni de echipament, multiprgramare si multiprelucrare. Limbajele pentru aceste calculatare sunt in general limbaje prcedurale, in sensul ca majritatea starilr descrise sunt executabile. Ele trebuie sa fie in cncrdanta cu dua caracteristici de baza ale aplicatiilr de cnducere a prceselr, respectiv peratiile executabile sa fie prgramabile iar eficienta timpului de calcul sa fie maxima. 32