Asist.ing. Teodor V. Chira

LUCRĂRI DE LABORATOR LA AUTOMATIZAREA INSTALAŢIILOR 1 Asist.ing. Teodor V. Chira

Elementul de execuţie este acel element de automatizare care efectuează modificări în cadrul procesului automatizat (pe baza semnalului de comandă primit de la regulator). Întrucât în majoritatea cazurilor elementul de execuţie efectuează lucru mecanic el are nevoie, pe lângă semnalul de comandă, de o sursă de energie (dacă vorbim de un element de execuţie electric va fi necesar un circuit de forţă pentru alimentarea sa). În instalaţiile pentru construcţii elementele l de execuţie pot săă fie, de exemplu: pompe, ventilatoare, compresoare, clapete şi jaluzele servoacţionate (în instalaţii de ventilare şi condiţionare a aerului), ventile elctromagnetice şi vane servoacţionate, arzătoare, rezistenţe încălzitoare etc. 2

Un element de execuţie este compus din elementul de acţionare (partea motoare) şi organul de execuţie propriu zis (organul de reglare) determinat t denatura mărimiiă iicomandate. Elementul l de acţionare transformă ă mărimea de comandă c(t), într-o mărime motoare de execuţie, pentru care natura fizică şi nivelul energetic sunt compatibile cu organul de reglare care acţionează direct asupra procesului tehnologic prin intermediul mărimii m(t). După natura energiei utilizate în funcţia de execuţie, aceste elemente se clasifică în: electrice, pneumatice şi hidraulice. După modul de acţionare clasificarea este: cu acţiune continuă, discontinuă şi de tip pas cu pas. În practică sunt utilizate două tipuri de elemente de execuţie, în funcţie de relaţia între mărimea de comandă c, obţinută la ieşirea din regulator şi mărimea de execuţie m: -cuacţiune integrală (meste proporţională cu integrala mărimii c sau cu viteza de deplasare a tijei elementului de execuţie); -cuacţiune proporţională (m este proporţională cu c). ) 3

Principalele calităţi ce trebuie luate în considerare pentru un element de execuţie sunt: - puterea (sau cuplul) dezvoltată la ieşire, corelată cu puterea necesară acţionării organului de reglare, pentru întreg domeniul de încărcare al procesului; - domeniul de liniaritate, cât mai mare al caracteristicilor statice, în vederea asigurării sensibilităţii necesare reglajului; - precizie şi fiabilitate cât mai performante; -vitezederăspuns cât mai mari (constante de timp de răspuns cât mai mici); i) - posibilitatea reglării vitezei în limite largi, cu inversarea sensului de mişcare; -soluţii constructive cât mai simple (uşor de întreţinut) şi câtmai economice. 4

Elemente de acţionare pneumatică şi hidraulică Din punct de vedere constructiv, aceste elemente pot fi: cu membrană (cu simplu şi dublu efect), cu piston (cu simplu şi dublu efect) pentru mişcări de translaţie respectiv cu palete, pentru mişcări unghiulare. Pot fi comandate de regulatoare electronice sau pneumatice. La utilizarea regulatorului electronic, cuplarea între regulator şi elementul de execuţieţ se face prin intermediul unui convertor electro-pneumatic, care transformă liniar, semnalul unificat electric, într-un semnal unificat pneumatic. p 1 2 5 1 2 6 4 5 7 3 p 4 3 ABUR ABUR 7 El. acţionare pneumatică: stânga de tip ND; dreapta de tip NI. 5

p 5 1 2 1 2 6 4 5 7 3 p 4 3 ABUR ABUR 7 Elemente componente: 1 membrană ă elastică; ă 2 capac rigid id superior; 3 capac rigid inferior; 4 tijă acţionare ventil; 5 resort elicoidal; 6 corpul armăturii(carcasa); 7 ventilul de reglaj. Se observă că la elementul de acţionare de tip ND arcul menţine ventilul în poziţia deschis(în absenţa presiunii p) iar la cel de tip NI arcul menţine ventilul în poziţia închis (în lipsa presiunii p). Presiunea p vine de la o sursă de aer comprimat. 6

Sus: Piston cu simplu efect (presiunea p invinge forţa elastică a resortului şi rezultă deplasarea rectilinie δ). Jos: Piston cu dublu efect (În acest caz deplasarea rectilinie δ apare ca efect al rezultantei presiunilor p 1 şi p 2,aplicate de-o parte şi de alta a pistonului). Elemente componente: 1 cilindru; 2 piston; 3 resort elicoidal; 4 tijă de acţionare. Presiunile p, p 1 şip 2 pot proveni de la o sursă de aer comprimat (cilindri pneumatici) sau de la o pompă hidraulică (cilindri hidraulici). 7

Elemente de acţionare electrică Acţionarea electrică a organelor de reglare se poate face: -continuu, cu ajutorul motoarelor electrice de c.c. (clasice, pas cu pas, cu reluctanţă variabilă), motoare electrice monofazate, bifazat sau trifazate şi cu ajutorul motoarelor electrice cu rotor disc şi a servomotoarelor electrice; Servomotoarele constituie o categorie specială de motoare electrice, la care prin diverse metode (la cele moderne prin utilizarea unor traductoare şi drivere electronice) se cunoaşte în permanenţă poziţia rotorului (sau elementului mobil la mişcare rectilinie); - discontinuu, cu ajutorul electromagneţilor (în cazul automatizărilor în instalaţiile pt. construcţii cel mai elocvent exemplu este ventilul electromagnetic sau pe scurt electroventilul). 8

Elemente de acţionare electrică continue Utilizarea motoarelor pas cu pas permite acţionarea discretă a organelor de reglare. Pentru puteri reduse necesare acţionării organului de execuţie se utilizează ca element de execuţie motorul de c.a. bifazat. Turaţia axului motorului pentru o sarcină dată este proporţională cu valoarea curentului din înfăşurarea de comandă, iar sensul de rotaţie depinde de faza curentului de comandă, care este cu 90 în avans sau în urma curentului de lucru care circulă prin a doua înfăşurare a motorului. Cuplarea cu organul de reglare se face prin intermediul unui reductor de turaţie, pentru a se asigura un cuplu mărit faţă de puterea motorului şii totodatăt tă şii o compatibilitate t între turaţia motorului, cu turaţia de antrenare a organului de execuţie. Motorul de c.a. este un element robust, simplu şi cu inerţie mică, avantaje care-l situează înaintea motorului de c.c. Motoarele electrice, ca elemente de acţionare, au viteza de răspuns mai redusă decât cele pneumatice sau hidraulice, dezvoltă un cuplu mai redus pentru acelaşi volum, dar sunt mai fiabile şi maiuşor de întreţinut. 9

Exemplu de elemente de execuţie antrenate de motoare de c.a. Stânga: pompă cu debit variabil antrenată cu motor de c.a. a cărui turaţie este reglată cu ajutorul unui CSFV (convertor static de frecvenţă variabilă); 1 motor c.a.; 2 CSFV; 3 pomp cu debit variabil. Dreapta: Vană acţionată de un motor de c.a. Prin intermediul unui reductor de turaţie cu roată melcată; 1 motor c.a.; 2 reductor cu roată melcată; 3 tija de acţionare; v armătura de reglaj (debitul prin conducta pe care este montată vana se modifică prin modificarea pierderilor de sarcină introduse 10 de ventil).

Convertor static de frecvenţă variabilă (CSFV), în l. Engleză Variable Frequency Drive (VFD) utilizabil pentru alimentarea motorului unei pompe cu scopul reglării debitului acesteia. 11

Pompă cu turaţie variabilă având CSFV-ul dedicat, montat pe corpul pompei. 12

Motoarele pas cu pas sunt motoare de o construcţie specială cu mai multe înfăşurări sub formă de poli, care sunt alimentate pe rând(în c.c.), iar rotorul se învârte în funcţie de succesiunea de alimentare a acestor poli. Pentru alimentarea acestor motoare se utilizează dispozitive electronice special concepute, denumite drivere pentru motoare pas cu pas. La apariţia unui semnal de comandă pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa până când polii săi se vor alinia în dreptul polilor opuşi statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol în pol, de unde şi denumirea sa de motor pas cu pas. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesară precizie ridicată (hard disc, copiatoare). Constructiv m.p.p. se clasifica în: m.p.p. cu reluctanţă magnetică variabilă; m.p.p. cu magnet permanent ; m.p.p. hibride. 13

Schema principială a unui motor pas cu pas cu reluctanţă magnetică variabilă. Aşa cum se observă în figură sunt alimentate simultan fazele 1 şi 1, apoi se trece la faza 2 şi 2 etc. pentru rotirea în sensul acelor de ceasornic, respectiv se alimentează fazele în ordine descrescătoare pentru rotire în sens antiorar. M.p.p. cu reluctanţă magnetică variabilă: avantaje principale - frecvenţa maximă de comandă atinge limite relativ mari si deci se pot realiza viteze ridicate; construcţie mecanică simplă; poate fi realizat pentru o gama largă de paşi unghiulari; este bidirecţional dacă dispune de un numar mărit de faze. dezavantaje - nu memorează poziţia şi nu dezvoltă cuplu electromagnetic în lipsa alimentării fazelor statorice; oscilaţii importante ale rotorului la alimenatarea unei 14 singure faze statorice la un moment dat.

Schema principială a unui motor pas cu pas cu magnet permanent. Asa cum se observă în figură sunt alimentate simultan fazele 1 şi 1, apoi se trece la faza 2 şi 2 etc. pentru rotirea în sensul acelor de ceasornic, respectiv se alimentează fazele în ordine descrescătoare pentru rotire în sens antiorar. M.p.p. cu magnet permanent: Avantaje: dezvoltă un cuplu de fixare al rotorului chiar în cazul nealimentării fazelor; consum energetic mai redus; rotorul are o mişcare amortizată datorită prezenţei magnetului permanent. Dezavantaje: performanţele motorului sunt afectate de variaţia caracteristicilor magneţilor permanenţi; tensiunea electromotoare indusă în înfăşurarea de comandă are valori ridicate. 15

16

Configuraţia unui driver pentru un motor pas cu pas (care este un motor de tip sincron) realizată cu ajutorul unui microprocesor 8066 având o frecvenţăţ de tact de 8MHz. 17

În figura anterioară: TP semnifică traductor de poziţie al rotorului; A/N convertor analog numeric; DIS bloc distribuitor ib it (acest realizează ă alimentarea succesivă ă a fazelor); TC - traductoare de curent; A şi B două faze succesive ale motorului pas cu pas. În partea superioară este detaliată partea de alimentare a motorului pas cu pas realizată cu tranzistoare. Motoare pas cu pas 18

În anumite situaţii poate fi necesară acţionarea rectilinie cu ajutorul unor elemente de execuţie electrice (alternativ s-ar putea utiliza cilindri pneumatici sau hidraulici). Astfel de elemente de poziţionare sunt actuatoarele liniare prezentate în continuare. Servomotorul electric SE antrenează, prin intermediul reductorului R, transmisia şurub-piuliţă TSP. Piuliţa este cuplată rigid cu tija T care are o mişcare de translaţie. Limitatoarele de cursă LC1 şi LC2 asigură respectarea mişcării tijei T în limitele cursei mecanice impuse. 19

Actuatoare liniare de diferite dimensiuni 20

Elemente de acţionare electrică discontinue (tip tot nimic). Acţionarea cu electromagneţi se caracterizează prin realizarea a numai 2 poziţii ale organului de reglare deschis sau închis. Asemenea elemente de acţionare sunt frecvent întâlnite în reglările industriale bipoziţionale. Trecerea dintr-o stare staţionară în cealaltă stare staţionară se realizează într-un timp scurt (0,1 sec), la aplicarea semnalului de comandă maxim. Electroventilul este un exemplu de electromagnet asociat cu un ventil ca organ de execuţie (ventil electromagnetic); El este frecvent utilizat în instalaţiile pentru construcţii ca element de execuţie. După poziţia normală (poziţie staţionară - neacţionat) electroventilele pot să fie de tip normal închis (NI) sau normal deschis (ND). Alimentarea electromagnetului se poate face în c.c. (la tensiuni 6, 12, 24, 110V) sau în c.a. (24, 110, 250, 400V). 21

Electroventil de tip NI: 1 bobina electromagnetului; 2 armătura mobilă a electromagnetului; 4 resort elicoidal; 5 disc suport pentru resort; 6 corpul armăturii; 7 ventilul. În absenţa ţ tensiunii ii nominale la bornele bobinei resortul menţine ventilul presat pe scaunul ventilului închizând calea de trecere a fluidului. La energizarea bobinei forţa magnetică învinge forţa elastică a resortului şi îndepărtează ventilul de scaunul său (îlridică pe distanţa δ) lăsând să treacă fluidul prin armătură. La electroventilele de tip ND funcţionarea este inversă. 22

Diferite variante constructive de electroventile; Sus electroventile pentru lichide; Stânga jos - electroventil pt. Gaz (CO 2 ). 23

Robinete de reglare servoacţionate: Spre deosebire de ventilele electromagnetice, robinetele (sau vanele) servoacţionate pot lua orice poziţie între deschis şi închis, fiind aşadar utilizabile pentru reglajul continuu al debitului fluidelor pe conducte. La robinetele de reglare, mărimea de intrare este mecanică (deplasare) determinată de elementul de acţionare, iar mărimea de ieşire este debitul de fluid introdus sau evacuat spre, respectiv din instalaţia tehnologică (procesul reglat). Relaţia matematică ce exprimă legătura dintre debitul de fluid printr-un robinet de reglare şi secţiunea de trecere a acestuia: Q R C Q s R P P R Unde Q R este debitul prin robinet; C Q coeficient de debit care caracterizează rezistenţa hidraulică a robinetului; s R suprafaţa secţiunii de trecere a fluidului prin robinet; P R căderea de presiune pe robinet; ρ densitatea fluidului. 24

Căderea de presiune pe robinet, datorată rezistenţei hidraulice a robinetului, este variabilă şi dependentă de tipul fluidului şi de caracteristicile constructive ale robinetului. P R P 0 P C P P P este căderea totală de presiune între sursa de fluid şi procesul tehnologic ; P C 0 1 P2 căderea de presiune pe conducta de legătură de la sursă la robinet, însumată cu căderea de presiune pe conducta de la robinet la proces; Se poate observa că debitul fluidului prin robinet nu depinde numai de poziţia ventilului (mai închis sau mai deschis), respectiv de poziţia ţ tijei de reglare ci şi de sistemul hidraulic în care este montat robinetul, adică de căderile de presiune. De asemenea trebuie observat că robinetul influenţează debitul, prin construcţia sa geometrică, fluidul prin caracteristicile proprii, iar sistemul hidraulic, prin presiunea date de sursă şicăderile de presiune pe conductele de legătură. 25

Influenţa robinetului se concretizează printr-un coeficient, care se defineşte prin relaţia: K V C Q s K h unde, h este cursa ventilului (h N este cursa nominală, adică distanţa maximă dintre scaunul ventilului şi ventilul propriu zis al robinetului). Semnificaţia fizică a acestui coeficient se observă din interpretarea relaţiei: K V R QR P şi are semnificaţia că exprimă, debitulînm 3 /oră, al unui fluid ce trece prin robinet, fluid cu densitatea=1kg/dm t 3 (apă), care produce o cădere de presiune de 1daN/cm 3, adică un debit specific ce trece prin robinetul de reglare în condiţiile precizate. Acest coeficient este cunoscut în tehnica reglării automate sub denumirea de caracteristica intrinsecă a unui robinet. R V 26

K V0 - valoarea de debit minim care mai poate trece prin robinet, pentru h =0; K VS - valoarea de debit maxim care trece prin robinet, pentru h=h N ; În instalaţiile de automatizare ti se utilizează ă tipuri de caracteristici intrinseci ale ventilelor de reglaj denumite astfel: - caracteristica de tip liniar 1; - caracteristica de tip logaritmic 2; - caracteristica de deschidere (închidere) de tip rapid 3; 27

Un parametru caracteristic pentru robinetul de reglare îl reprezintă raportul de reglare: R R K VS K V 0 Acesta defineşte lărgimea domeniului de reglare de la o valoare minimă K V0, la o valoare nominală K VS. Calculul debitului care trece printr-un robinet, presupune cunoaşterea valorii corespunzătoare a lui K V, ţinând seama de relaţia Q R K V P R Alegerea robinetului se face în funcţie de valoarea lui K V, ţinând seama de natura fluidului, l i de proprietăţile fluidului l i şii de structura t sistemului i hidraulic în cadrul căruiaă este montat robinetul de reglare. Caracteristica statică a unui robinet de reglare [Q R =Q(h)] se defineşte, ţinând seama de faptul că, înfuncţie de tipul robinetului şi de sistemul hidraulic, căderea de presiune pe robinet este variabilă. 28

Alegerea elementelor de execuţie O primă etapă în alegerea elementului de execuţie constă în alegerea şi dimensionarea organului de acţionare în funcţie de tipul procesului, de caracteristica statică a acestuia, de caracteristicile fluidului introdus sau evacuat, de traseul pe care se montează organul de reglare şi de perturbaţiile ceacţionează ă asupra procesului. La alegerea unui organ de reglare a debitului de fluid trebuie parcurse etapele: 1. Se calculează pierderile de presiune pe conductă corespunzătoare debitului maxim, nominal şi minim; 2. În funcţie de pierderile de presiune care rezultă pe robinet, se alege caracteristica statică de lucru a robinetului de reglare, precum şi tipul caracteristicii intrinseci a acestuia (liniară sau logaritmică); 3. Se determină presiunea sursei pentru debitul maxim şi se precizează caracteristica statică a sursei de presiune; 4. Se determină căderea de presiune minimă pe robinetul de reglare, ţinând seama de pierderea minimă de presiune în sistem şi pe conductă; 29

Alegerea elementelor de execuţie 5. Se aleg variantele constructive ale ventilului şi robinetului de reglare, funcţie de caracteristicile ti il fluidului l i şii de căderea de presiune pe robinet; 6. Se calculează Kv al robinetului de reglare corespunzător debitului maxim Kv max, debitul minim Kv min, şi se alege din catalog Kvs, ţinând seama de relaţiile: Kvs (1,25 1,4) Kv max ; Kv min 1,2Kv0; 7. Se verifică dacă este îndeplinită condiţia: ţ Kvs /Kv min<rr; ; 8. Se calculează Kv pentru debitul nominal, stabilindu-se poziţia de funcţionare a robinetului de reglare în condiţii nominale. După alegerea organului de reglare conform acestui algoritm se trece la alegerea elementului de acţionare, alegere care are în vedere tipul acţionării (pneumatică, hidraulică, electrică) pe de o parte şi caracteristica dinamică a acestuia (proporţională sau integrală) pedealtă parte. 30

31

La elementele cu trei căi, caracteristica intrinsecă se referă la una din căi (de ex. A B) şi seurmăreşte ca permanent debitul de intrare să fie egal cu suma debitelor pe celelalte l lt douăă căi, indiferent de cursă. ă Pentru alegerea robinetelor se determină Q max este debitul maxim, în m 3 /h; γ greutatea t specifică, ă în dan/dm 3 p r pierderea de presiune admisă pe robinet la debit maxim, în dan/cm 2 ; Cu valoarea rezultată pentru Kv calcul se caută în tabelele producătorilor de robinete de reglare şi se ia valoarea cea mai apropiată de Kv calcul, respectiv Kvs. La acest Kvs rezultă diametrul scaunului Ds, care se ia mai mic sau egal cu diametrul nominal al flanşei de prindere Dn. 32

Caracteristici intrinseci ale unor robinete de reglare cu trei căi (căile reglate cu caracteristici logaritmice). 33

Diferite tipuri de vane servoacţionate. Stânga - vană cu3căi; căi; Sus - vane de tip fluture (cea din centru cu dublă acţionare: ţ servo şi mauală); Centru-jos: vană cu sferă. 34

Vană cu dublă acţionare: manuală şi cu motor c.a+reductor cu melc. 1 indicator poziţie; 2 condensator; 3 regletă conexiuni el.; 4 limitator cursă; 5 corpul vanei; 6 bază; 7 flanşă conectare; 8 geam transparent; 9 motor c.a.; 10 -rezist. încălzitoare; 11 - roată acţ. manuală; 12 - cuplaj acţ. man.; 13 - levier cuplare acţionare manuală; 14 - reductor cu melc. 35