COLEGIUL TEHNIC TRANSILVANIA BAIA MARE

PROIECT ATESTAT

INDRUMATOR: PROF.SALAGEAN GABRIELA

SISTEME AUTOMATE DE REGLARE A TEMPERATURII

CUPRINS:

1. Introducere..............................................pag.2. Sisteme de reglare automata (SRA)........pag. 2.1. Definiţie şi reprezentare grafică......pag.

2.2. Schema de principiu a unui SRA......pag.

2.3. Reacţia negativă.................................pag.

2.4. Schema funcţională concentrată a SRA...pag.

2.5. Regimuri de funcţionare ale SRA.......pag

2.5.1. Tipuri de semnale utilizate în automatică.......pag.

2.5.2. Regimuri staţionare......pag.

2.5.3. Regimuri tranzitorii......pag.

2.6. Clasificarea SRA.....pag.

2.6.1.Clasificarea în funcţie de viteza de desfăşurare a proceselor

tehnologice ....pag

2.6.2. Clasificarea în funcţie de gama de variaţie a semnalelor transmise...pag.

2.6.3.Clasificarea în funcţie de tipul semnalelor transmise..pag.

2.6.4.Clasificarea în funcţie de caracteristicile statice ale elementelor. ..pag

2.6.5.Clasificarea în funcţie de numărul regulatoarelor automate.pag.

2.6.6.Clasificarea în funcţie de numărul mărimilor reglate..pag.

2.6.7.Clasificarea în funcţie de legea de reglare............pag.

2.7. Perturbaţii........................................pag.

3. 3.Reglarea temperaturii..........................pag.

3.1.Exemple de SRA de reglare a temperaturii, cu structură evoluată

4. 4.Studiu de caz........................................pag.

4.1Funcţiile sistemului de automatizare a unei instalaţii frigorifice cu mai

multe spaţii răcite.........................pag.

5. 5.Protectia muncii.....................................pag.

Bibliografie...............................................pag.

1. Introducere

Operaţiile de conducere a proceselor tehnologice necesită un efort intelectual

foarte mare (număr mare de comenzi, care necesită o viteză de reacţie mare), ceea

ce poate duce la oboseală şi la comiterea unor erori. De aici a apărut necesitatea

transferării unei părţi din funcţiile (operaţiile) de conducere de la om (de la

operator) către echipamente (de obicei electronice) specializate, care lucrează în

mod automat.

Automatica este un domeniu al ştiinţei şi tehnicii care studiază principiile şi

echipamentele care asigură conducerea proceselor tehnologice fără

participarea directă a omului.

Dispozitivele de automatizare (D.A.) sunt dispozitive care realizează

comanda şi controlul unui anumit proces tehnologic (P.T.), în mod automat (fără

intervenţia directă a omului), în funcţie de condiţiile impuse.

Sistemul automat reprezintă un ansamblu format din:

- procesul tehnologic (P.T.) sau instalaţia tehnologică (I.T.)

automatizată

- dispozitivul de automatizare (D.A.)

Schema-bloc a unui sistem automat este următoarea:

Proces tehnologic sauInstalaţie tehnologică

Dispozitiv de automatizare

IeşireIntrare

Comandă, Conducere automată

Control, Măsurări

Programul prescris sistemului

Dispozitivul de automatizare controlează (măsoară) mărimile de ieşire ale

procesului tehnologic (de ex.: temperatura unui cuptor, presiunea într-un cazan,

viteza de rotaţie a unui motor electric etc.), le compară cu cerinţele impuse de către

programul prescris sistemului, şi în funcţie de rezultatul acestei comparaţii

comandă intrarea procesului tehnologic astfel încât acesta să revină la starea

impusă.

De exemplu: într-un frigider dispozitivul de automatizare reglează (comandă)

temperatura din incintă astfel: un termometru măsoară temperatura reală din

incintă, această valoare se compară cu cea prescrisă (prin comutatorul acţionat

manual). Dacă temperatura măsurată este mai mare decât cea prescrisă, se

comandă pornirea compresorului care răceşte incinta. În caz contrar se comandă

oprirea compresorului, ceea ce duce la creşterea temperaturii din incintă. Astfel, cu

foarte mici oscilaţii, temperatura din frigider se va menţine în apropierea valorii

prescrise.

2. Sisteme de reglare automata (SRA)

2.1. Definiţie şi reprezentare grafică

Definiţie: Sistemul de reglare automată (SRA) este un ansamblu format dintr-

o instalaţie tehnologică (IT) şi un număr de aparate şi echipamente de

automatizare, care asigură funcţionarea automată a IT.

Reprezentarea grafică a SRA se realizează prin intermediul schemelor

funcţionale, în care:

- Elementele componente (blocurile) din cadrul SRA se

reprezintă prin dreptunghiuri

- Mărimile fizice (semnalele) care se propagă între

elementele SRA se reprezintă prin săgeţi.

Exemplu: Se consideră o instalaţie tehnologică (IT) formată dintr-un cuptor

de tratament termic, în care temperatura T trebuie menţinută constantă.

Reglajul temperaturii se realizează prin intermediul debitului Q al gazului cu

care se alimentează cuptorul. Între Q şi T există o legătură de cauzalitate,

deoarece mărirea debitului Q are ca efect mărirea temperaturii T, şi invers, dacă Q

scade, va scădea şi temperatura T. Deci Q este cauza (mărimea de intrare în IT) iar

T este efectul (mărimea de ieşire din IT). În general, propagarea efectelor se

produce într-un singur sens, de la cauză spre efect.

Asupra funcţionării instalaţiei tehnologice mai acţionează şi anumite perturbaţii.

Perturbaţiile sunt influenţe de obicei externe, care influenţează în mod

nedorit funcţionarea IT şi modifică valorile mărimilor de ieşire. În cazul

exemplului dat principalele mărimi perturbatoare sunt:

2. puterea calorică Pc a gazului combustibil

3. numărul n de piese (de ex. lingouri de oţel) introduse în cuptor

4. temperatura ambiantă Ta din hală.

În reprezentarea grafică a IT din exemplul de mai sus mărimea de intrare Q se

va figura printr-o săgeată orientată spre IT de la stânga, mărimea de ieşire T printr-

o săgeată orientată dinspre IT spre dreapta, iar perturbaţiile Pc, n şi Ta prin săgeţi

orientate spre IT de sus în jos.

Reprezentarea grafică a instalaţiei tehnologice:

2.2. Schema de principiu a unui SRA

În exemplul prezentat anterior, cel al cuptorului de tratament termic, pentru a

menţine constantă temperatura T din cuptor – indiferent de oscilaţiile nedorite ale

diferitelor efecte perturbatoare – se utilizează următoarele elemente de

automatizare:

Elemente componente :

IT – instalaţia tehnologică (aici: cuptorul de tratament termic)

EC – element de comparaţie

RA – regulator automat

EE – element de execuţie (aici: un servomotor şi un ventil)

ITQ T

Pc

n Ta

RA EE IT

Tr

rp

r

ε ec

y

+

-

EC

Tr - traductor (aici: traductor de temperatură)

Semnalele transmise între elementele schemei:

rp – mărimea prescrisă

ε – abaterea sau eroarea

c – mărimea de comandă

e – mărimea de execuţie

y – mărimea de ieşire

r – mărimea de reacţie.

Rolul elementelor componente:

Traductorul (Tr): este un dispozitiv care transformă (converteşte) o mărime

fizică de obicei neelectrică y (temperatură, presiune, debit, viteză etc.) într-o

altă mărime fizică de obicei electrică r (tensiune, curent etc.).

Elementul de comparaţie (EC): este de obicei un circuit electronic cu 2 intrări

(+ şi -)şi o ieşire. La intrarea „+” primeşte mărimea prescrisă rp (o mărime

electrică, de obicei o tensiune), reglată printr-un potenţiometru de către

operator. Această mărime corespunde valorii prescrise a mărimii de ieşire y. La

intrarea „-” EC primeşte semnalul de reacţie r de la traductor, r fiind o mărime

electrică de acelaşi fel ca şi rp. La ieşire EC furnizează semnalul de eroare sau

eroarea ε, care se calculează astfel: ε = rp – r. Deci EC compară prin scădere

valorile lui rp şi r). Abaterea ε va fi 0 atunci când mărimea de ieşire y (aici

temperatura T) este egală cu valoarea prescrisă a acesteia (T=Tp, sau y=yp.

Regulatorul automat (RA): este de obicei un dispozitiv electronic, având rolul de

a prelucra semnalul ε după o anumită „lege de reglare” (prin anumite operaţii

matematice). Legea de reglare se alege în funcţie de caracteristicile

tehnologice ale IT, sau în funcţie de performanţele impuse. La ieşire, RA

furnizează semnalul c (mărimea de comandă), care se aplică la intrarea

elementului de execuţie EE.

Elementul de execuţie (EE): este comandat de semnalul c. Are rolul de a

interveni - prin intermediul mărimii de execuţie e – asupra IT în aşa fel, încât

să readucă mărimea de ieşire y (aici: T) la valoarea sa prescrisă yp (aici: Tp).

În cazul exemplului dat EE este format dintr-un servomotor, care deplasează

elementul mobil al unui ventil. La rândul său ventilul modifică debitul Q al

gazului combustibil care asigură încălzirea cuptorului.

Două exemplificări ale modului în care se efectuează autoreglarea

temperaturii din cuptor:

1. creşte n (nr. de lingouri introduse în cuptor) → scade T (scădere nedorită)

→ scade r → creşte abaterea ε = rp – r → creşte c → creşte e (aici debitul

Q) → creşte T (această creştere compensează scăderea iniţială, deci practic

T rămâne constantă, în jurul valorii sale prescrise Tp).

2. creşte Ta (temperatura ambiantă) → creşte T (creştere nedorită) → creşte r

→ scade abaterea ε = rp – r → scade c → scade e (aici Q) → scade T

(această scădere compensează creşterea iniţială, practic T rămâne

constantă).

2.3. Reacţia negativă

Transmiterea semnalelor în cadrul sistemelor de reglare automată (SRA) se

realizează în două sensuri:

1. De la intrare spre ieşire (calea sau legătura directă): rp → ε → c → e → y

adică prin elementele: EC → RA → EE → IT.

2. De la ieşire spre intrare (calea sau legătura inversă – numită şi reacţie):

y → r, adică prin traductor (Tr). Deoarece semnalul de reacţie r se aplică la

intrarea minus („-”) a elementului de comparaţie EC, se mai numeşte şi

reacţie negativă (RN).

Cele două căi de transmisie formează o buclă de reacţie (o buclă închisă).

Importanţa reacţiei negative (RN) în cadrul SRA:

1. Prin RN se primesc la intrare informaţii despre starea mărimii reglate

(deci despre starea ieşirii sistemului).

2. Datorită caracterului negativ al reacţiei, sistemul poate compara (prin

scădere) mărimea prescrisă (rp) şi cea de reacţie (r), şi astfel poate

acţiona în direcţia anulării (sau măcar a reducerii acestei diferenţe

(reprezentate de abaterea ε.

2.4. Schema funcţională concentrată a SRA

În cadrul acestei scheme concentrate semnificaţia notaţiilor este următoarea:

F – partea fixată a SRA (EE, IT, Tr) - IT este dată, iar tipul EE şi Tr este

determinat de construcţia IT şi de natura mărimii reglate

RA – regulatorul automat – elementul prin care proiectantul poate asigura

funcţionarea dorită a SRA.

Semnalele transmise între elemente:

i – mărimea de intrare (sau de referinţă)

y - mărimea de ieşire (sau reglată)

c - mărimea de comandă

a – abaterea (sau eroarea):

a = i – y

RA prelucrează valoarea abaterii a şi furnizează la ieşire mărimea de comandă

C, pe care o transmite către blocul F.

p1, p2 .... pn – perturbaţii

RA F

i

y

a c y+

-

EC

p1 p2 ..... pn

Deci din exterior SRA primeşte următoarele semnale: i, respectiv perturbaţiile

p1, p2 .... pn.

2.5. Regimuri de funcţionare ale SRA

2.5.1. Tipuri de semnale utilizate în automatică

Principalele tipuri de semnale utilizate în automatică se vor studia pe baza unui

exemplu, cel al unui cuptor de tratament termic. În cazul acestei instalaţii

tehnologice temperatura din interiorul cuptorului trebuie să aibă o anumită variaţie

în timp, descrisă cu ajutorul unui grafic ca cel din figura de mai jos:

Graficul reprezintă variaţia T=f(t), unde T este temperatura din cuptor

(valoarea prescrisă a temperaturii), iar t reprezintă timpul (în ore).

Se observă că există două tipuri de variaţie a mărimii T: momente de salt brusc

(în sus sau în jos), respectiv de creştere sau descreştere liniară (cu viteză finită).

Primul tip de variaţie se poate observa la momentele de timp t1 şi t6. La

momentul t1 temperatura T creşte brusc, instantaneu de la valoarea T1 la valoarea

t

T

t2 t3 t4 t5t1 t6

T1

T2

T3

T2. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie treaptă sau semnal treaptă. La

momentul t6 temperatura T scade brusc, instantaneu de la valoarea T2 la valoarea

T1. Acest tip de variaţie se numeşte variaţie treaptă negativă.

Între momentele de timp t2 şi t3 temperatura T trebuie să crească în mod liniar

în timp, adică cu viteză de creştere constantă, de la valoarea T2 la valoarea T3.

Acest tip de variaţie se numeşte variaţie rampă sau semnal rampă. Între

momentele t4 şi t5 temperatura T trebuie să scadă în mod liniar în timp, adică cu

viteză de scădere constantă, de la valoarea T3 la valoarea T2. Acest tip de variaţie

se numeşte variaţie rampă negativă (cu pantă negativă).

Semnalele treaptă şi rampă sunt cele mai des utilizate tipuri de semnale în

automatică.

2.5.2. Regimuri staţionare

Regimurile staţionare sunt regimuri sau stări de echilibru, în care mărimea de

ieşire (y) a sistemului de reglare automată (SRA) are aceeaşi variaţie în timp ca şi

mărimea de intrare (i), adică ieşirea urmăreşte variaţiile mărimii de intrare

(mărimii prescrise).

De exemplu, dacă mărimea de intrare i se menţine constantă (în cazul nostru

valoarea prescrisă a temperaturii T), atunci şi mărimea de ieşire y este constantă

(valoarea reală a temperaturii din cuptor), sau dacă mărimea de intrare i are o

variaţie tip rampă, atunci şi mărimea de ieşire y are tot o variaţie de tip rampă

(creşte sau scade cu aceeaşi viteză ca şi mărimea de intrare).

2.5.3. Regimuri tranzitorii

Sunt de fapt stări de dezechilibru, adică regimuri de trecere (de tranziţie) de la

un regim staţionar anterior la un alt regim staţionar ulterior.

Cauza apariţiei acestor regimuri tranzitorii este aceea, că în unele situaţii

mărimea de ieşire y nu poate urmări în mod instantaneu (fără întârziere) variaţiile

mărimii de intrare, deoarece efectul acestor variaţii se transmite cu o anumită

întârziere între elementele SRA.

În exemplul dat, vor apărea regimuri tranzitorii la momentele t1 şi t6, adică

atunci, când mărimea de intrare (temperatura prescrisă T) are variaţii tip treaptă.

Pe durata regimurilor tranzitorii sistemul acţionează pentru a se putea trece de

la vechiul regim staţionar (în care i=i1, y=y1) la noul regim staţionar (în care i=i2,

y=y2). În acest interval mărimea de ieşire y are oscilaţii în jurul noii sale valori

staţionare, cu amplitudine descrescătoare.

Regimurile tranzitorii pot fi provocate şi de unele perturbaţii care scot temporar

SRA din starea staţionară.

2.6. Clasificarea SRA

2.6.1. Clasificarea în funcţie de viteza de desfăşurare a proceselor

tehnologice

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA pentru procese rapide

- SRA pentru procese lente

SRA pentru procese rapide:

Întârzierile care apar în transmiterea semnalelor între blocurile componente

sunt foarte mici (secunde, zeci de secunde).

Instalaţiile tehnologice care intră în această categorie sunt: maşinile şi

acţionările electrice.

Mărimile fizice reglate în cazul acestora sunt de obicei: tensiunea, intensitatea

curentului, turaţia (viteza de rotaţie), poziţia unghiulară (la servomotoare).

SRA pentru procese lente:

Întârzierile care apar în transmiterea semnalelor între blocurile componente

sunt mai mari (minute, ore).

Instalaţiile tehnologice care intră în această categorie sunt cele în care se

produc schimburi de căldură, reacţii chimice sau transferuri de mase, de exemplu:

cuptoare de tratament termic, reactoare chimice, instalaţii de ardere etc.

Mărimile fizice reglate în cazul acestora sunt de obicei: temperatura,

presiunea, nivelul sau debitul unor lichide, concentraţiile unor substanţe chimice

etc.

2.6.2. Clasificarea în funcţie de gama de variaţie a semnalelor

transmise

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA unificate

- SRA neunificate

SRA unificate:

Sunt acele SRA, care lucrează cu aşa-zisele semnale unificate, adică între

elementele sistemului se transmit semnale de aceeaşi natură fizică şi cu aceeaşi

gamă de variaţie. De exemplu: tensiuni continue în gama 1 ... 5 V, sau curenţi

continui în gama 2 ... 10 mA.

SRA neunificate:

Sunt acele SRA, care nu lucrează cu semnale unificate.

2.6.3. Clasificarea în funcţie de tipul semnalelor transmise

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA continue

- SRA discrete (discontinue).

SRA continue:

Sunt acele SRA, la care toate semnalele transmise între elementele sistemului

sunt semnale analogice funcţii continue în timp (se transmit continuu, fără pauze).

SRA discrete:

Sunt acele SRA, la care semnalele transmise între elementele sistemului sunt

mărimi eşantionate (succesiuni de impulsuri reprezentând eşantioane luate la

intervale de timp regulate din semnalul analogic iniţial). Aceste mărimi se mai

numesc şi mărimi discontinue sau discrete.

În practică se utilizează SRA numerice, care lucrează cu impulsuri codificate

cu ajutorul numerelor binare. În cadrul acestor SRA rolul regulatorului automat

(RA) este preluat de microcalculatoare.

2.6.4. Clasificarea în funcţie de caracteristicile statice ale

elementelor

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA liniare

- SRA neliniare.

Caracteristica statică a unui element („X”) al SRA este de fapt reprezentarea

grafică a dependenţei dintre mărimea de ieşire („e”) şi cea de intrare („i”) a

elementului respectiv (în condiţiile unui regim staţionar), adică graficul funcţiei

e = f(i).

SRA liniare:

Xi e

Sunt acele SRA, în care toate elementele componente au caracteristici statice

liniare, de forma:

În acest caz există o relaţie de proporţionalitate între e şi i.

SRA liniare:

Sunt acele SRA, în care una sau mai multe elemente au caracteristici statice

neliniare. Exemple tipice de caracteristici neliniare întâlnite în automatizări:

2.6.5. Clasificarea în funcţie de numărul regulatoarelor automate

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA cu un singur RA (sistemele mai simple)

- SRA cu mai multe RA (sistemele mai complexe).

SRA cu un singur RA: sistemele mai simple.

SRA cu mai multe RA: sistemele mai complexe, în care aceste regulatoare

automate acţionează (intervin) în funcţie de valoarea unor abateri (erori), sau în

funcţie de valoarea unor perturbaţii.

i

e

i

e

i

e

2.6.6. Clasificarea în funcţie de numărul mărimilor reglate

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA monovariabile

- SRA multivariabile.

SRA monovariabile: se utilizează în cazul instalaţiilor tehnologice care

necesită reglarea automată a unei singure mărimi fizice (ex.: temperatura, turaţia

etc.).

SRA multivariabile: se utilizează în cazul instalaţiilor tehnologice mai

complexe, care necesită reglarea automată a mai multor mărimi fizice simultan

(ex.: cazane cu aburi, unde trebuie supravegheată simultan presiunea şi

temperatura aburilor).

2.6.7. Clasificarea în funcţie de legea de reglare

În funcţie de acest criteriu există două categorii de SRA:

- SRA cu legi de reglare obişnuite

- SRA cu legi de reglare speciale.

SRA cu legi de reglare obişnuite: la care regulatorul automat (RA) efectuează

asupra semnalului de eroare (ε) operaţii de calcul simple, cum ar fi înmulţire cu o

constantă, derivare, integrare etc.

SRA cu legi de reglare speciale: la care regulatorul automat (RA) efectuează

asupra semnalului de eroare (ε) operaţii de calcul complexe, cum ar fi înmulţirea a

două mărimi variabile în timp, căutarea minimului sau maximului unei funcţii etc.

2.7. Perturbaţii

Perturbaţiile sau mărimile perturbatoare sunt influenţe externe sau interne,

care intervin în funcţionarea instalaţiei tehnologice şi au ca efect abaterea mărimii

reglate de la valoarea prescrisă.

În cadrul unui SRA intervin de obicei mai multe mărimi perturbatoare.

Exemple:

- La un cuptor de tratament termic (mărimea reglată fiind

temperatura) intervin următoarele mărimi perturbatoare:

numărul de piese (lingouri) introduse în cuptor

puterea calorică a gazului combustibil cu care se încălzeşte cuptorul

temperatura ambiantă

- La un motor de curent continuu (mărimea reglată fiind turaţia)

intervin următoarele mărimi perturbatoare:

tensiunea de alimentare a motorului

sarcina (cuplul de sarcină) maşinii de lucru antrenate de motor

variaţia rezistenţei electrice a bobinajului motorului cu temperatura.

De obicei însă efectul uneia din aceste perturbaţii este predominantă, aceasta

numindu-se perturbaţie principală sau perturbaţie dominantă. În consecinţă

acţiunea de reglare produsă de către elementele SRA se manifestă în reducerea

abaterii datorate acestei perturbaţii principale.

Dacă o mărime perturbatoare este măsurabilă (prin intermediul unui traductor

adecvat), atunci se poate realiza o compensare a efectului acesteia printr-un aşa-

numit regulator de perturbaţie suplimentar (pe lângă RA din schema obişnuită a

SRA). schema de conectare a acestui regulator de perturbaţie (RP) este ilustrată în

schema-bloc de mai jos:

pm p1 p2

RA EE IT

Tr

rp

r

ε ec

y

+

-

EC

RP TrP

Semnificaţia notaţiilor din schemă:

RP - regulator de perturbaţie

p1, p2 - perturbaţii nemăsurabile

pm - perturbaţie măsurabilă

TrP - traductor pentru măsurarea perturbaţiei pm

Avantajul acestei metode constă în rapiditatea acţiunii de reglare, fără a fi

nevoie de parcurgerea întregii bucle de reglare a SRA pentru a compensa efectul

perturbaţiei pm, ci doar a buclei formate din TrP, RP, EE şi IT.

3.Reglarea temperaturii

Sistemele de reglare automată a temperaturii sunt printre cele mai utilizate

atât în economie cât şi în aplicaţii casnice. Din punct de vedere al destinaţie

sistemele de reglare automată a temperaturii pot fi sisteme pentru instalaţii

frigorifice sau sisteme pentru instalaţii de încălzire.

În multe situaţii, schemele pentru măsurarea temperaturii sunt incluse în

bucle de reglare a temperaturii pentru incinte termostate. Dacă încălzirea se face

electric, nu este indicat ca alimentarea schemei de măsurare să se facă de la

aceeaşi sursă de putere ca şi rezistorul de încălzire, deoarece pot apare cuplaje

parazite importante, care măresc histerezisul temperaturii reglate. În acest caz este

indicat ca alimentarea pentru încălzire să se realizeze în curent alterenativ, iar

alimentarea schemei de măsurare în curent continuu.

În cele mai simple instalaţii termice, schema bloc a unui sistem de reglare a

temperaturii este cea din fig. 1.1.

Sistemele de reglare a temperaturii din instalaţiile frigorifice sunt realizate, în

majoritatea cazurilor, prin intermediul echipamentelor specializate cu acţiune

continuă sau cu regulator bipoziţional.

În instalaţiile termice la care timpul mort este mare, este necesară utilizarea

sistemelor de reglare cu regulator PID sau PI. În unele situaţii, când timpul mort

este foarte mare (Tm > T), se impune utilizarea unor regulatoare speciale (cu

acţiune prin impulsuri).

Fig. 1.1. Schema bloc a unui sistem de reglare a temperaturii

Temperatura t din incinta 1 este realizată

prin intermediul serpentinei 2, parcursă de

agent termic (atunci când t > t0, unde t0 este

temperatura mediului ambiant) sau de agent

de răcire (atunci când t < t0). Dacă

temperatura t are tendinţa să crească,

regulatorul R comandă micşorarea secţiunii

de trecere a organului de reglare – în cazul

instalaţiilor de încălzire – sau mărirea

secţiunii de trecere – în cazul instalaţiilor

frigorifice.

3.1. Exemple de SRA de reglare a temperaturii, cu structură evoluată

1.Pentru obţinerea unor performanţe superioare la reglarea automată a temperaturii se poate adopta un sistem de reglare în cascadă (Fig. 1.2).

Fig. 1.2. Reglarea automată a

temperaturii

Bucla de reglare automată a temperaturii, conţinând traductorul de temperatură Tr1 şi regulatorul R1, include o buclă de reglare a debitului, formată din traductorul de debit Tr2, regulatorul R2 şi elementul de execuţie EE. Dacă temperatura t tinde să scadă faţă de valoarea prescrisă, regulatorul de temperatură R1 impune o valoare prescrisă mai mare la regulatorul de debit R2. Bucla de reglare interioară stabileşte debitul la noua valoare prescrisă, astfel încât temperatura t creşte, revenind la valoarea impusă. Sistemul de reglare în cascadă reacţionează foarte eficace la o perturbaţie de tipul unei variaţii a presiunii agentului termic la intrare.

Dacă presiunea creşte brusc, creşte şi debitul agentului termic, existând tendinţa ca temperatura t să crească.

Creşterea debitului este sesizată de traductorul Tr2 şi, în consecinţă, regulatorul R2 acţionează imediat, dând comanda de micşorare a secţiunii de trecere a organului de reglare. Debitul este adus la valoarea impusă înainte ca temperatura din incintă să aibă variaţii importante.

2.Schema funcţională a sistemului de reglare a temperaturii în cazul unui fier de călcat este redată în fig. 1.3.

Fig. 1.3. Sistem de reglare automată a temperaturii unui fier electric de călcat

Schema bloc a SRA cu schema funcţională din figura 1.3. este prezentată în figura 1.4. Resortul de contact se comportă ca un comutator bipoziţional, iar reglarea este bipoziţională.

Fig. 1.4. Schema bloc a SRA cu schema de funcţională din figura 1.3

3.Schema sistemului de reglare a temperaturii la un cazan încălzit cu abur.

Fig. 1.5. Schema funcţională a unui cazan încălzit cu abur.

Fig. 1.6 Schema bloc a cazanului încălzit cu abur din fgura 1.5.

4. Studiu de caz

4.1Funcţiile sistemului de automatizare a unei instalaţii frigorifice cu mai multe spaţii răcite

Se consideră o instalaţie frigorifică funcţionând prin comprimare mecanică

de vapori într-o singură treaptă de comprimare, cu N camere răcite şi un singur

compresor, reprezentată în figura 1. În camera N, temperatura este mult mai mare

decât în celelalte camere, caracterizate prin temperaturi de valori apropiate.

Practic instalaţia asigură două nivele de temperatură scăzută, într-o singură treaptă

de comprimare. Cu ajutorul acestei instalaţii se vor analiza funcţiile sistemului de

automatizare într-o asemenea instalaţie frigorifică, cu precizarea că dispozitivele

de automatizare prezente şi analizate în această instalaţie, sunt reprezentative şi se

regăsesc în numeroase alte tipuri de instalaţii frigorifice.

Fig 1. Schemă de automatizare a unei instalaţii frigorifice

într-o treaptă de comprimare având mai multe spaţii răcite la

două nivele diferite de temperatură

Obiectivul fundamental al sistemului de automatizare îl constituie realizarea

temperaturilor prescrise t1, t2, ... tN-1, tN, în cele N camere, în condiţiile în care

tN este mult mai mare decât celelalte temperaturi, care sunt foarte apropiate între

ele (practic egale).

Acest tip de instalaţie este specific depozitelor frigorifice de capacitate

redusă, pentru păstrarea produselor alimentare, şi instalaţiilor frigorifice navale.

Puterea frigorifică a instalaţiilor de acest tip este medie (10-50 kW), iar nivelul

temperaturilor scăzute realizate uzual, este de aproximativ (-15 ... -5)°C pentru

temperaturile t1, t2, ... tN-1, respectiv (0...+5)°C pentru temperatura tN. În primele

N-1 spaţii răcite se poate realiza păstrarea produselor congelate, iar în camera N

refrigerarea şi/sau păstrarea produselor refrigerate.

Pentru congelarea produselor alimentare ar fi necesare temperaturi ceva mai

scăzute în spaţiile răcite (-25 ... -20)°C, pentru realizarea cărora s-ar impune

utilizarea unei instalaţii în două trepte de comprimare. Pentru realizarea

obiectivului fundamental al sistemului de automatizare, în camerele frigorifice se

prevăd sisteme de reglare automată a temperaturii.

În primele N-1 camere, sunt prevăzute sisteme de tip bipoziţional, acţionând

ventilele electromagnetice montate pe conducta de alimentare a vaporizatoarelor.

Pe figură, aceste regulatoare automate ale temperaturilor din spaţiile răcite sunt

notate cu TC (şi sunt denumite termostate). Aceste sisteme de automatizare închid

electroventilele, dacă temperatura din spaţiile răcite scade sub valoarea prescrisă.

Fiind întreruptă alimentarea cu lichid a vaporizatoarelor, acestea sunt practic

scoase din funcţiune atâta timp cât temperatura din camerele respective este

suficient de scăzută. Dacă temperatura din camere creşte, TC comandă

deschiderea ventilelor electromagnetice, care vor permite realimentarea cu lichid a

vaporizatoarelor, în vederea scăderii temperaturii din camere până la atingerea

valorilor prescrise, când TC vor închide din nou electroventilele.

Întrebare: Ce se va întâmpla în instalaţie, dacă la un moment dat toate TC au

acţionat astfel încât sunt închise toate electroventilele de pe conductele de

aspiraţie ale vaporizatoarelor?

Rezolvarea aceastei probleme impune utilizarea unui alt sistem de reglare

automată, care va fi studiat ulterior, dar evoluţia parametrilor termofizici

(temperaturi şi presiuni) din instalaţie poate fi intuită... Răspunsul la această

întrebare nu este inclus în acest studiu de caz.

Dacă şi în camera N, unde temperatura trebuie menţinută la o valoare mult

mai ridicată, vaporizatorul ar funcţiona la aceeaşi temperatură de vaporizare, ca şi

în restul camerelor, s-ar stabili o diferenţă prea mare între temperatura din cameră

şi temperatura de vaporizare. Efectul ar fi că pe lângă ireversibilităţile mari de

natură externă (datorate diferenţei mari de temperatură), care duc la creşterea

consumului energetic al instalaţiei, s-ar produce şi o uscare foarte intensă a

aerului din această cameră, prin depunere excesivă de zăpadă pe serpentinele

vaporizatorului. Zăpada ar diminua şi mai mult eficienţa vaporizatorului:

- Prin reducerea coeficientului global de transfer termic datorită prezenţei

unui strat abundent de izolator termic;

- Prin reducerea debitului de aer care circulă prin vaporizator datorită

reducerii secţiunii de curgere a aerului.

În consecinţă se impune ca temperatura de vaporizare să fie mai ridicată în

camera N.Evident, în aceste condiţii şi valoarea presiunii de vaporizare va fi mai

ridicată. În instalaţie vor exista deci două presiuni de vaporizare, dar pentru că

există un singur compresor, poate să existe o singură presiune de aspiraţie, ceea ce

impune prezenţa în instalaţie a unui dispozitiv de laminare 3, pe conducta de

aspiraţie, între vaporizatorul din camera N şi compresor.

Menţinerea constantă a presiunii de vaporizare din camera N, la o valoare

superioară presiunii de aspiraţie (determinată de presiunea de vaporizare din

celelalte camere), este realizată printr-un sistem automat de reglare a presiunii de

vaporizare:

Priza de presiune 1 (care furnizează mărimea de reacţie)

Regulatorul de presiune 2 notat şi cu PC (regulator de presiune de

vaporizare);

Dispozitivul de laminare 3, reprezentând elementul de execuţie al

regulatorului 2;

Detectorul de temperatură cu bulb 4;

Regulatorul de temperatură 5.

Regulatorul de presiune 2, trebuie să menţină constantă presiunea de

vaporizare în camera N, din amonte de 3, în condiţiile în care şi temperatura din

cameră, determinată cu ajutorul bulbului 4, trebuie să rămână constantă. Practic

acest sistem de automatizare este compus din două regulatoare care

interacţionează între ele. Regulatorul de temperatură 5, are ca element de execuţie

regulatorul de presiune 2, care la rândul lui acţionează asupra ventilului de

laminare 3. Mărimea de execuţie a regulatorului de temperatură 5, este o mărime

de intrare pentru regulatorul de presiune 2, a cărui mărime de execuţie este

transmisă ventilului 3.

Deoarece compresorul aspiră vapori direct din vaporizatoarele instalaţiei, este

important ca în acesta să nu pătrundă picături de lichid, deci alimentarea

vaporizatoarelor trebuie realizată astfel încât să fie asigurată o uşoar supraîncălzire

a vaporilor la ieşirea din vaporizatoare. Supraîncălzirea reprezintă diferenţa dintre

temperatura vaporilor la ieşirea din vaporizatoare (vapori care sunt aspiraţi de

compresor) şi temperatura de vaporizare.

Sistemul de alimentare a vaporizatoarelor va fi un sistem de reglare automată a

unei diferenţe de temperatură, reprezentând gradul de supraîncălzire, notat cu

DTC. Prin menţinerea unei uşoare supraîncălzi în vaporizator, acesta este

alimentat cu debitul maxim posibil de lichid, astfel încât compresorul să

funcţioneze totuşi în condiţii de siguranţă. Acest sistem de alimentare a

vaporizatorului asigură în consecinţă, puterea frigorifică maximă a vaporizatorului

în condiţiile de siguranţă a funcţionării compresorului, menţionate anterior,

deci corespunde din toate punctele de vedere. Regulatoare de diferenţă de

temperatură, de acest tip, au ca mărime de execuţie, cursa ventilelor de laminare

(denumite detentoare termostatice sau ventile de laminare termostatice), montate

pe conducta de intrare alichidului în vaporizatoare.

Debitul de lichid care alimentează vaporizatoarele depinde de diferenţa de

presiune la care lucrează dispozitivul de laminare, adică de diferenţa dintre

presiunea de condensare şi presiunea de vaporizare. Prin menţinerea constantă a

temperaturii din camerele răcite, este menţinută constantă şi temperatura de

vaporizare, deci şi presiunea de vaporizare corespunzătoare. Pentru menţinerea

constantă a condiţiilor de lucru a dispozitivelor de laminare, se impune utilizarea

unui sistem de reglare automată a presiunii de condensare.

Regulatorul de presiune de condensare al acestui sistem, este montat pe

condensator şi acţionează asupra ventilului montat pe conducta de alimentare cu

apă a condensatorului,reglând corespunzător debitul de apă. Dacă în timpul

funcţionării instalaţiei presiunea de condensare creşte, atunci regulatorul de

presiune de condensare va mări debitul de apă prin deschiderea mai pronunţată a

ventilului, iar dacă presiunea de condensare scade, regulatorul va reduce debitul

de apă prin închiderea parţială a ventilului. Este greşit să se considere că reducerea

presiunii de condensare are preponderent efecte favorabile, datorită reducerii

raportului de comprimare al compresorului.

La reducerea necesarului de frig al camerelor frigorifice, sistemul de alimentare

a vaporizatoarelor şi de reglare a temperaturii, va reacţiona prin reducerea

debitului de agent frigorific cu care sunt alimentate vaporizatoarele, adaptându-se

natural la această modificare,ceea ce confirmă că sistemul de automatizare utilizat

este corect. Afirmaţia anterioară poate fi justificată prin explicarea în continuare a

fenomenelor care se produc în vaporizator şi sistemul de automatizare a

alimentării cu lichid, care menţine constantă diferenţa de temperatură reprezentând

gradul de supraîncălzire.

La scăderea necesarului de frig, debitul de lichid care trece prin vaporizator, va

tinde să nu mai vaporizeze complet, sau în cel mai bun să se supraîncălzească mai

puţin, deoarece are de absorbit o cantitate mai redusă de căldură din spaţiul răcit.

Sistemul de automatizare care menţine constant gradul de supraîncălzire, sesizează

tendinţa de reducere a supraîncălzirii şi va acţiona asupra organului de închidere a

ventilului de laminare, în sensul reducerii secţiunii de curgere, ceea ce va diminua

corespunzător debitul de agent frigorific lichid cu care este alimentat

vaporizatorul, dar va reduce simultan şi presiunea de vaporizare,reprezentând

presiunea de aspiraţie a compresorului.

Reducerea debitului masic de agent frigorific în vaporizator şi scăderea

presiunii de vaporizare/aspiraţie, trebuie corelate cu condiţiile de funcţionare a

compresorului, deoarece acesta este cel care asigură circulaţia debitului de agent

frigorific prin instalaţie. În acest context, reducerea presiunii de aspiraţie, este

considerată un indiciu al reducerii necesarului de frig şi sistemul de automatizare

al compresorului va reduce corespunzător debitul masic asigurat de compresor. În

acest scop, compresorul este prevăzut cu un sistem de reglare automată a presiunii

de aspiraţie.

Acest sistem, comandă deschiderea ventilului montat pe conducta de by-pass,

care permite recircularea vaporilor între refularea şi aspiraţia compresorului.

Scăderea presiunii de aspiraţie, datorată reducerii necesarului de frig, este sesizată

prin intermediul prizei de presiune montate pe conducta de aspiraţie. Scăderea

presiunii de aspiraţie, determină sistemul de reglare automată a presiunii de

aspiraţie, să comande deschiderea treptată a ventilului de by-pass dintre refulare

şi aspiraţie. Corespunzător, creşte treptat debitul recirculat între refularea şi

aspiraţia compresorului, deci implicit se reduce proporţional, debitul masic de

agent frigorific din instalaţie. Se observă că menţinerea constantă a presiunii de

aspiraţie, prin sistemul de automatizare prezentat, are ca efect şi reducerea

debitului masic circulat de compresor, ca o adaptare necesară la reducerea

necesarului de frig.

Creşterea debitului de agent frigorific recirculat între aspiraţie şi refulare,

datorită reacţiei sistemului de reglare a presiunii de aspiraţie la scăderea

necesarului de frig,determină creşterea temperaturii de aspiraţie şi implicit

creşterea temperaturii vaporilor refulaţi de compresor, care ar putea deveni

periculoasă pentru sistemul de ungere al acestuia.

În aceste condiţii este necesarea montarea în instalaţie şi a unui sistem automat

pentru limitarea creşterii temperaturii de refulare. Acţiunea acestui sistem constă

în reglarea temperaturii de refulare, prin intermediul unui ventil de injecţie

termostatic. La creşterea temperaturii de refulare, regulatorul comandă

deschiderea treptată a ventilului de injecţie şi deci creşterea debitului de lichid

laminat,injectat în conducta de aspiraţie, care vaporizează reducând temperatura

de aspiraţie şi prinaceasta reduce şi temperatura de refulare.

În urma analizării sistemului de automatizare din instalaţia frigorifică

prezentată, se

observă:

- Toate sistemele de reglare automată descrise, interacţionează între ele şi se

influenţează reciproc, deci acest sistem de automatizare trebuie considerat un

sistem dinamic multivariabil;

- Gradul de specificitate al sistemelor de automatizare a instalaţiilor frigorifice

este foarte ridicat, ceea ce presupune necesitatea unei foarte bune cunoaşteri a

proceselor termofizice care se produc în aceste instalaţii, pentru a se putea

concepe un sistem de reglare şi automatizare coerent şi performant.

5.Protectia muncii

Respectarea normelor de tehnica securităţii muncii contribuie Ia asigurarea

condiţiilor de muncă nonnale şi Ia înlăturarea cauzelor care pot provoca accidente

de muncă sau îmbolnăviri profesionale.

În această direcţie responsabilitatea pe linie tehnică a securităţii muncii şi

prevenirea şi stingerea incendiilor, revine atât celor care organizează, controlează

şi conduc procesul de muncă, cât şi celor care lucrează direct în producţie.

Conducătorul laboratorului trebuie să ia măsuri pentru realizarea

următoarelor obiective:

1* Să se asigure iluminatul, încălzirea şi ventilaţia în laborator;

2* Să se asigure expunerea vizuală prin afişe sugestive, privitoare atât la

protecţia muncii, cât şi la prevenirea şi stingerea incendiilor;

3* Maşinile şi instalaţiile din laborator să fie echipate cu instrucţiuni de

folosire;

4* Să se asigure legarea la pământ şi la nul a tuturor maşinilor acţionate

electric;

5* În laborator să se găsească la locuri vizibile mijloace pentru

combaterea incendiilor;

6* Să se efectueze instructaje periodice pe linie de protecţie a muncii, de

prevenire şi stingere a incendiilor;

7* Înainte de începerea orei se va verifica dacă atmosfera nu este

încărcată cu vapori de benzină sau cu gaze inflamabile;

8* Dacă s-a utilizat benzină sau alte produse uşor inflamabile pentru

spălarea mâinilor, acestea trebuie din nou spălate cu apă şi săpun şi şterse cu un

prosop;

9* Machetele sau exponatele trebuie să fie bine fixate în suport, iar

utilizarea lor se va face numai în prezenţa inginerului sau laborantului;

10* Materialele utilizate se vor manevra cu grijă, pentru a nu se produce

accidente precum: răniri ale măinilor, răniri ale ochilor, insuficienţe respiratorii,

etc.

• Manevrarea instrumentelor, a mijloacelor de lucru, a machetelor mai grele

se va face cu atenţie pentru a evita riscul de lovire.

Elevii:

1* Vor utiliza materialul didactic doar sub supravegherea profesorului,

iar în timpul pauzelor vor aerisi sala de clasă pentru a păstra un microclimat

corespunzător de lucru;

2* Nu vor folosi în joacă instrumentele puse la dispoziţie;

3* Nu vor introduce obiecte în prizele electrice;

4* Vor avea grijă de mobilierul şi mijloacele didactice din dotarea

laboratorului;

5* Vor efectua lucrările de laborator în prezenţa profesorului sau

laborantului;

6* Vor păstra o atmosferă de lucru în timpul orelor, în linişte şi cu

seriozitate.

Nerespectarea regulilor mai sus menţionate poate conduce la accidente

nedorite, de aceea, abaterile vor fi sancţionate conform prevederilor legale şi ale

regulamentului de ordine interioară.

Măsuri de protecţia muncii la utilizarea instalaţiilor şi echipamentelor

electrice

Asigurarea inaccesibilităţii elementelor care fac parte din circuitele electrice

prin:

- izolarea electrică a conductoarelor

- folosirea carcaselor de protecţie legate la pămant

Folosirea tensiunilor reduse (de 12, 24 şi 36 V) lămpile şi sculele electrice

portabile. La utilizarea uneltelor şi lămpilor portabile electrice sunt obligatorii:

- verificarea atentă a uneltei, a izolaţiei şi a fixării sculei înainte de

începerea lucrului;

- evitarea încolăcirii sau a răsucirii cablului de alimentare în timpul

lucrului;

- evitarea deplasării elevului în timpul lucrului;

- evitarea trecerii cablului de alimentare peste alte mese de lucru sau peste

căile de acces;

- interzicerea reparării sau remedierii defectelor în timpul funcţionării

motoarelor (machetelor) sau nesupravegherea uneltelor conectate la

reţeaua electrică;

Folosirea mijloacelor individuale de protecţie şi a mijloacelor de avertizare:

- echipament de protecţie (covoraşe de cauciuc, mănuşi electroizolante,

etc.)

- folosirea sculelor cu manere electroizolante urmărind ca acestea să nu

prezinte fisuri, zgarieturi şi să reziste tensiunii la care sunt folosite.

Protecţia prin legarea la pămant este folosită pentru asigurarea personalului

împotriva electrocutării prin atingerea echipamentelor şi instalaţiilor aflate sub

tensiune.

Elementele care se leagă la pămant sunt:

- carcasele şi postamentele utilajelor;

- carcasele tablourilor de distribuţie;

- scheletele metalice care susţin echipamentele electrice.

Bibliografie

1Borangiu Th.,

Dobrescu R.

Automate

programabile

Editura Matrix Rom, Bucureşti,

2007

2Chiţa Monica-

Anca

Senzori şi

traductoare

Editura Matrix Rom, Bucureşti,

2006

3

Filipescu A.,

Stamatescu S.

Teoria sistemelor.

Analiza şi sinteza

sistemelor liniare în

abordarea

structurală

Editura Matrix Rom, Bucureşti,

2007

4

Ghinea M.,

Fireţeanu V.

Matlab, calcul

numeric - grafică -

aplicaţii

Editura Teora, Bucureşti, 1995

5

Ilaş Constantin Teoria sistemelor

de reglare

automată

Editura Academiei Române,

Bucureşti, 1986

6

Mareş F., ş.a. Sinteze pentru

examenul de

bacalaureat, Tehnic

1, Sisteme de

automatizare şi

Tehnici de

măsurare în

domeniu

Editura Pax Aura Mundi, Galaţi,

2007

7

Mareş F., ş.a. Sisteme de

automatizare şi

Tehnici de

măsurare în

domeniu

Editura Pax Aura Mundi, Galaţi,

2008

8Mareş F., ş.a. Module de

automatizare

Editura Pax Aura Mundi, Galaţi,

2008

9Mînzu V.,

Creangă E.

Bazele sistemelor

automate

Editura Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti, 2002

10

Pintea M Auxiliar curricular

pentru modulul

"Sisteme de

automatizare"

http://archive.tvet.ro/web/

Aux_Nivel_3

11 DimSolve - Dimensionare instrumentatie

12 http://www.masterlevel.com/transducer.html

13 http://www.bmeters.com/ProdCard2.asp?PID=MAG-C

14 Măsurarea debitului

15 http://ro.wikipedia.org/wiki/Higrometru

16 http://www.labshop.ro/Enviro/Termohigrometre.html#

17 http://www.multilab.ro/MainPages/Key-Lab/Instrumente/Umidometre.htm

18 www.et.dtu.dk/CoolPack

19 www.festo-didactic.com

20 Sisteme Conventionale Pentru Reglarea Proceselor Continue

21http://www.inform.umd.edu/EdRes/Topic/Chemistry/

ChemConference/Software/ElectroSim/opamp.html