. ELEMENTELE DE EXECUŢIE ÎN SISTEMELE AUTOMATE.. Locul şi rolul elementului de execuţie într-un sistem automat Într-un sistem de reglare automată, figura., mărimea de ieşire y a procesului (parametrul reglat) se măsoară cu un traductor care furnizează semnalul x r (numit de reacţie) proporţional cu valoarea mărimii măsurate. Semnalul x r este comparat cu mărimea prescrisă y* (semnalul de ieşire al traductorului mărimii de intrare u), iar semnalul rezultat, eroarea ε (sau mărimea de abatere x a ), este prelucrat de regulatorul automat care furnizează mărimea de comandă x c, semnal aplicat elementului de execuţie. Elementul de execuţie intervine în procesul automatizat prin mărimea de execuţie x m în scopul realizării unei valori dorite a mărimii de ieşire y, în prezenţa mărimii de perturbaţie x p. Element de execuţie x p u Traductor de intrare y* + ε - Regulator x c Organ de x c Organ de x m Proces acţionare execuţie reglat y x r Traductor de reacţie Figura. Schema bloc a unui sistem de reglare automată Elementele de execuţie sunt componente ale sistemelor automate care asigură modificarea fluxurilor de energie sau de masă de la intrarea proceselor industriale automatizate. Prin intermediul acestor fluxuri se asigură valorile dorite ale parametrilor reglaţi de la ieşirea proceselor automatizate (temperaturi, debite, presiuni, concentraţii, poziţii, viteze, etc.). Un element de execuţie are un rol dublu: un rol informaţional, de transmitere al semnalului de comandă x c al regulatorului spre procesul industrial automatizat sub forma mărimii de execuţie x m şi un rol energetic, de vehiculare a unui flux de energie sau de masă (în general de putere însemnată) în vederea influenţării dorite a procesului industrial automatizat. Elementele de execuţie pot fi alese din cataloagele firmelor producătoare, dar numai pe baza unor calcule de dimensionare, avându-se în vedere procesele automatizate. Odată ales sau realizat elementul de execuţie, în urma unui calcul de dimensionare, proprietăţile dinamice şi staţionare ale acestuia practic nu se mai modifică. În general, într-o buclă de reglare automată, până la intrarea în elementul de execuţie, indiferent de suportul energetic folosit, circulă numai informaţii sub forma unor semnale a căror putere poate fi neglijată.
Elementele care preced elementele de execuţie pot fi considerate ca nişte dipoli, cu o mărime de intrare şi o mărime de ieşire. Suportul energetic al acestor semnale poate fi oarecare, acesta depinzând de echipamentul de automatizare utilizat (electric, hidraulic, pneumatic). În majoritatea aplicaţilor elementele de execuţie lucrează asupra unor debite (abur, apă, energie electrică, etc.), poziţii sau alţi parametri tehnologici ceruţi de procesele industriale automatizate. Prin element de execuţie se înţelege deci, acel ansamblu funcţional care, primind un semnal de la aparatura din bucla de reglare sau linia de comandă deschisă, face să varieze un parametru tehnologic la intrarea unui proces în scopul realizării unor valori dorite ale mărimii de ieşire a acestuia. Elementul de execuţie se compune, de obicei, din două părţi principale, un organ de acţionare (OA) şi un organ de execuţie (OE), figura.2. Rolul energetic al elementului de execuţie se referă la vehicularea unor fluxuri de energie şi de masă, preluate de la surse de energie exterioare (W E ), şi aplicate la intrarea procesului Fig..2 Element de execuţie automatizat. Vehicularea fluxurilor de energie se realizează cu ajutorul organelor de execuţie, acţionate de către organe de acţionare corespunzătoare, care pot fi privite, în marea majoritate a cazurilor, ca nişte elemente generatoare de forţă sau cuplu. Adesea, între organele de acţionare şi organele de execuţie, se introduc lanţuri cinematice, limitatoare de cursă şi limitatoare de efort, prin intermediul cărora se asigură potrivirea caracteristicilor acestora şi asigurarea unei funcţionări sigure. Organul de acţionare, numit şi servomotor, trebuie deci să asigure transformarea mărimii de comandă x c într-o mărime intermediară x ' capabilă să acţioneze asupra c organului de execuţie. Performanţele staţionare şi dinamice ale organului de acţionare, împreună cu cele ale organului de execuţie, influenţează performanţele buclelor de reglare din care fac parte. La alegerea tipului organului de acţionare se au în vedere: corelarea puterii dezvoltate de organul de acţionare cu puterea cerută de organul de execuţie, precizia şi siguranţa în funcţionare, viteza de răspuns, posibilităţi de reglare a vitezei de acţionare, posibilitatea reversării sensului de acţionare, sursele de energie disponibile etc. Avându-se în vedere că puterea vehiculată de blocurile componente ale unui element de execuţie, în marea majoritate a cazurilor nu poate fi neglijată, elementul de execuţie trebuie privit ca un element de putere, caracterizat deci printr-un cuadripol, cu câte două mărimi de intrare şi două mărimi de ieşire (presiune debit sau tensiune curent). 2
.2. Clasificarea elementelor de execuţie În ceea ce priveşte transferul semnalelor şi al fluxurilor de energie de către elementul de execuţie, acesta poate fi continuu sau discret. În primul caz, elementele de execuţie sunt cu acţiune continuă, iar dependenţa x m f(x c ) este o funcţie continuă. După forma dependenţei x m f(x c ), elementele de execuţie pot fi liniare sau neliniare. Elementele de execuţie liniare pot fi: - cu acţiune proporţională neinerţială x m (t) k p x c (t) (.) - cu acţiune integratoare t x m( t ) xc( t ) dt (.2) T i 0 - cu acţiune proporţională inerţială de ordinul unu T x& ( t ) + x ( t ) k x ( t ) (.3) m m Elementele de execuţie neliniare pot fi bipoziţionale sau tripoziţionale. Elementele de execuţie cu acţiune discretă funcţionează cu semnale de comandă sub forma unor succesiuni de impulsuri codificate, utilizate mai ales în cadrul comenzilor numerice. După agentul purtător de semnal, elementele de execuţie pot fi electrice, pneumatice sau hidraulice. După tipul mişcării imprimate organelor de execuţie de către organele de acţionare, elementele de execuţie pot fi cu mişcare de rotaţie sau mişcare de translaţie. În general tipul organului de execuţie este impus de procesul automatizat. În situaţia în care tipul organului de acţionare nu este impus de anumite considerente, alegerea acestuia se poate face avându-se în vedere următoarele: a) Organele de acţionare electrice prezintă cea mai largă răspândire, o gamă largă de puteri şi performanţe ridicate. Se recomandă în cazurile în care semnalul de comandă trebuie transmis la distanţă. Nu se recomandă utilizarea acestora în medii explozive şi în situaţii în care avaria reţelei de energie nu trebuie să afecteze funcţionarea unui proces tehnologic. b) Organele de acţionare pneumatice se recomandă în special pentru acţionarea ventilelor (robinetelor) de reglare sau în cazurile în care organul de acţionare trebuie să realizeze deplasări liniare mici, lente şi la un nivel energetic scăzut. Pot fi utilizate în medii explozive şi în regim de avarie al reţelelor electrice. p c 3
Nu se recomandă utilizarea lor când semnalul de comandă trebuie transmis la distanţe mari, cel mult până la 300 500 m. c) Organele de acţionare hidraulice sunt recomandate, faţă de cele pneumatice, în cazurile când se cer dezvoltate forţe şi acceleraţii mari la gabarite reduse. Din această sumară prezentare a elementelor de execuţie rezultă că ele, în mod obişnuit, schimbă şi natura fizică a semnalelor transmise..3. Organe de acţionare electrice În cazul reglării manuale a unui parametru tehnologic (de exemplu: temperatură, presiune, debit, nivel, viteză, poziţie, etc.) dintr-un proces oarecare, un operator uman urmăreşte valoarea instantanee a parametrului reglat pe baza indicaţiilor unui traductor (aparat indicator). În majoritatea cazurilor scopul reglării manuale este menţinerea parametrului tehnologic reglat cât mai apropiat de o valoare prescrisă tehnologic numită mărime de referinţă. Dacă operatorul observă apariţia unei abateri a parametrului tehnologic reglat faţă de mărimea de referinţă, în funcţie de amplitudinea şi semnul acestei abateri, operatorul ia decizii de modificare corespunzătoare a valorii mărimii de intrare în proces (mărimea de execuţie) pentru micşorarea şi eliminarea abaterii şi restabilirea parametrului tehnologic al procesului la valoarea prescrisă. În acest scop operatorul acţionează manual organul de execuţie pentru modificarea fluxului de energie sau de masă de la intrarea procesului. La un sistem de reglare automată organul de execuţie trebuie acţionat, în majoritatea cazurilor, de un echipament generator de forţă sau cuplu numit organ de acţionare. Organele de acţionare pot fi electrice, pneumatice sau hidraulice. În categoria organelor de acţionare electrice se pot încadra în funcţie de tipul organului de execuţie folosit: - electromagneţii; - releele şi contactoarele; - servomotoarele electrice; - diverse dispozitive electrice şi electronice de comandă. 4
.4. Elemente de execuţie cu comandă bipoziţională şi tripoziţională În cazul unor reglări nepretenţioase drept organe de acţionare electrice se folosesc electromagneţii. Prin cuplarea acestora cu robinete de reglare se obţin aşa numitele ventile de reglare electromagnetice. Asemenea organe de acţionare se pot folosi numai în cazul comenzilor bipoziţionale, ventilele electromagnetice lucrând în regim tot sau nimic, figura.3. Dacă ventilul este închis atunci când bobina electromagnetului nu este alimentată la tensiunea U (mărimea de comandă x c ), el se numeşte normal închis (NI). Dacă ventilul este deschis atunci când bobina electromagnetului nu este alimentată la tensiunea U, el se numeşte normal deschis (ND). Diagramele de funcţionare ale unor ventile electromagnetice ND respectiv NI, sunt prezentate în figura.3 b. Asemenea elemente de execuţie se pot folosi numai în cazul comenzilor bipoziţionale când, dacă se presupune o viteză infinită de deplasare a armăturii mobile şi o inerţie redusă a fluxurilor vehiculate, mărimea de execuţie variază în salturi, putând lua doar două valori, una maximă şi alta minimă. Fig..3. Element de execuţie bipoziţional (ventil electromagnetic) Valoarea medie a mărimii de execuţie, poate lua diverse valori în funcţie de raportul t a /t d, în care t a este timpul de alimentare al bobinei electromagnetului iar t d este timpul de deconectare al bobinei electromagnetului. Ca urmare, mărimea de ieşire a procesului tehnologic va oscila cu amplitudini dependente şi de structura intimă a acestuia, în jurul unei valori medii în funcţie de acelaşi raport t a /t d. Acest mod de comandă bipoziţională a fluxurilor de energie şi de masă de la intrarea proceselor industriale nu poate fi utilizat întotdeauna, îndeosebi datorită inerţiei acestor fluxuri comandate cât şi datorită inerţiei pieselor aflate în mişcare a căror punere în funcţionare ar necesita puteri foarte mari, din cauza gabaritelor foarte mari. În cazul acţionărilor de tip tot sau nimic datorită vitezei finite de deplasare a electromagneţilor şi inerţiei fluxurilor vehiculate apar timpi morţi la conectarea respectiv deconectarea electromagneţilor. În unele situaţii (dimensiuni mari, viteze de execuţie limitate, etc.), în locul ventilelor electromagnetice se folosesc ventile de reglare acţionate cu servomotoare electrice reversibile cu viteză constantă (figura.4). 5
Fig..4 Element de execuţie cu servomotor ventilului în funcţie de variaţia mărimii de comandă: Organele de acţionare de tip servomotor electric sunt cuplate cu organele de execuţie prin intermediul unor reductoare de viteză care, pe lângă rolul de reducere a vitezei, îndeplinesc şi funcţia de asigurare a unor anumite caracteristici funcţionale. Definind raportul de transmisie al reductorului de viteză, R V, prin i ω ω (.4) 2 / şi presupunând că ω t ) Kx ( t ) (.5) ( c rezultă dependenţa mărimii de execuţie x m (debitul de fluid Q), prin deplasarea armăturii mobile a xm( t ) ω 2( t )dt Ki xc( t ) dt (.6) Prin urmare, funcţia de transfer are expresia: G( s ) X m( s ) X ( s ) c Ki s T s i (.7) care evidenţiază comportarea pur integratoare a unor asemenea EE (figura.5), cu timpul de integrare: Fig..5. Comportarea dinamică a EE integrator T i Ki (.8) deci, o comportare dependentă de factorul de amplificare K al organului de acţionare şi de valoarea raportului de transmisie i. Astfel de elemente de execuţie se folosesc în cazul comenzilor tripoziţionale, când servomotoarele electrice primesc ca semnale de comandă una din mărimile +U, 0 sau U. În consecinţă, diagrama de variaţie în timp a poziţiei organului de execuţie ne arată că în acest caz organul de execuţie poate ocupa diverse poziţii, extreme sau intermediare, sau altfel spus organul de execuţie se opreşte în poziţia în care a fost surprins în momentul dispariţiei semnalului de comandă x c (fig..6). Această poziţie depinde de viteza de acţionare a organului de acţionare, de durata de acţionare şi de valoarea raportului de transmisie. 6
Fig..6 Diagrama de variaţie a mărimii de execuţie Asemenea elemente de execuţie asigură o reglare precisă deoarece scade numărul de conectări şi de deconectări, iar în regim staţionar organul de execuţie ocupă o poziţie intermediară, (între valorile extreme x mm şi x mm ), care asigură realizarea valorii staţionare dorite a parametrului reglat. Dacă elementul de execuţie cu comandă tripoziţională este astfel ales, din considerente de viteză a organului de acţionare, încât variaţia de debit provocată de organul de execuţie să readucă mărimea de ieşire a procesului tehnologic între limitele admise înainte de a se ajunge la debite extreme, acţionarea robinetului se poate opri într-o poziţie intermediară. Această situaţie de repaus se păstrează atâta timp cât diferenţa dintre debitul de energie sau de materiale intrat în proces şi debitul echivalent de ieşire, menţine mărimea de ieşire reglată între limitele prestabilite. Acest timp de repaus al elementului de execuţie tripoziţional este mult mai mare decât timpul de repaus între două acţionări succesive din cadrul acţionării elementulului de execuţie bipoziţional. Ca urmare, în acest caz servomotoarele, deci elementele de execuţie, vor avea un număr mai mic de acţionări iar mărimile reglate se pot menţine la valori mai apropiate de valorile prescrise decât în cazul reglărilor bipoziţionale..5. Elemente de execuţie cu poziţioner Efecte de execuţie mai bune se obţin dacă acţiunea organului de acţionare este proporţională cu mărimea de comandă x c, deci şi cu abaterea ε. Această acţionare proporţională se realizează prin utilizarea elementelor de execuţie cu poziţioner numite şi poziţionere (figura.7). În figura.7, A este un amplificator (electronic, pneumatic sau hidraulic), iar T P un traductor de poziţie. Ca urmare, bucla subordonată, formată din E C, A, OA şi T P este de fapt un servomecanism, realizând proporţionalitatea între x c şi x' c. Presupunând, în acest caz, amplificatorul A, organul de execuţie şi traductorul de poziţie T P elemente neinerţiale, cu funcţiile de transfer, respectiv, K A, K OE şi K T, şi ţinând seama de relaţia (.7), rezultă o comportare dinamică de tipul proporţional de ordinul unu. 7
Figura.7. Element de execuţie cu poziţioner Funcţia de transfer a elementului de execuţie cu poziţioner este: unde: G( s ) K A KOE Ti s + K A K T s KOE KEE si TEE K T i T K + T Ti K K A T EE. EE s (.9) Răspunsul la variaţia în treaptă a mărimii de comandă corespunde în acest caz cu graficul din figura.8. Figura.8.Comportarea dinamică a EE cu poziţioner Se observă că, prin intermediul poziţionerului, transferul integrator al unui element de execuţie cu organ de acţionare de tip servomotor, figura.5, se transformă într-un transfer de tip proporţional inerţial de ordinul unu. Asta înseamnă că, pentru diverse valori ale semnalului de comandă x c, la ieşirea elementului de execuţie cu poziţioner se obţin, în regim staţionar, mărimi de execuţie proporţionale cu acestea, de forma x m K EE x c (.0) Dacă regulatorul sistemului automat este liniar, atunci se poate afirma că elementul de execuţie cu poziţioner furnizează mărimi de execuţie proporţionale cu amplitudinea semnalului de eroare. Acest lucru are efecte favorabile asupra performanţelor sistemului de reglare. 8