1 introducció
2 Elements components d’un sistema de control
l’element actuador. n’hi ha de dos tipus:
a) En pneumàtica i hidràulica: vàlvula accionada per servomotor.
b) En electrònica: els rectificadors controlats de silici (s.c.r: tiristors) i els triacs.
3 En pneumàtica i hidràulica. vàlvules accionades per servomotor
3.1 Generalitats
VÀLVULES
SERVOMOTORS
Servomotors pneumàtics
Servomotors elèctrics
3.2 PARTS D’UNA VÀLVULA DE CONTROL.
3.3 ACCIONS DE LES VÀLVULES DE CONTROL.
3.4 CARACTERÍSTIQUES DE CABAL DE LES VÀLVULES DE CONTROL.
Característica obertura lineal.
Característica obertura isopercentual creixent.
Característica obertura isopercentual decreixent.
Característica d’obertura tot-res..
3.5 TIPUS DE VÀLVULES.
3.6 CORROSIÓ I EROSIÓ DE LES VÀLVULES i altres problemes
4 En electrònica: els rectificadors controlats de silici (s.c.r: tiristors) i els triacs.
S’apliquen dos tipus bàsics de control
Aplicacions principals
EL TIRISTOR
el triac
1 introducció
Un sistema de control és un conjunt de components que actuen conjuntament i que persegueixen un objectiu determinat (manteniment d’una temperatura, pressió…).
Els sistemes de control tenen unes entrades i unes sortides. Les entrades són els estímuls o les excitacions que s’apliquen externament al sistema amb la finalitat d’obtenir d’aquest una resposta especificada. Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control.
Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control. Un sistema es representa simplificadament:
L’estudi d’un sistema consisteix a obtenir la relació entre les sortides i les entrades. O sigui:
Si(t)=fi(e1(t), e2(t),…,em(t))
Malgrat tot, en la pràctica estudiem una sola de les sortides, i de les variables d’entrada ens fixem en aquella que actua de manera més directa, considerant la resta com pertorbacions. Simplificant:
S(t)=f(e(t)).
2 Elements components d’un sistema de control
Generador del senyal de referència: dispositiu capaç de generar una senyal d’igual o diferent magnitud que la senyal de sortida del sistema que es vol controlar. Aquesta senyal, relacionada directament amb el valor de sortida, és l’encarregada d’imposar el valor desitjat a la sortida.
La senyal de referència es canalitza cap a un dispositiu comparador, amb la finalitat de ser comparada amb la senyal que tenim a la sortida , a través del llaç de realimentació, i detectar el possible error.
Les senyals més utilitzades com a variables de referència solen ser: tensió o intensitat elèctrica, pressió pneumàtica o posició mecànica.
Transductor de la senyal de sortida: dispositiu capaç de mesurar en cada instant el valor de la magnitud de sortida i proporcionar una senyal proporcional a aquest valor. Normalment consta de dues parts:
El captador (sensor) : Capta directament la magnitud mesurada (pressió, nivell, cabal, velocitat, posició, il·luminació, Tª…) amb objecte de transformar-la en una altra magnitud de valor proporcional. Normalment desplaçament linear o angular.
El transmissor: transforma la magnitud vista pel captador a una altra magnitud que sol ser elèctrica o pneumàtica. Aquesta senyal es la enviada al comparador per a que sigui comparada amb la senyal de referència.
El comparador (detector d’error): Compara la senyal de referència amb la senyal realimentada (es resten), el resultat constitueix l’error de funcionament o desviació de la sortida respecte del valor previst. Físicament pot ser un amplificador diferencial, un potenciòmetre…
El controlador (corrector d’error): amplifica i modifica la senyal d’error amb la finalitat de que l’acció de control sobre el sistema sigui més eficaç i presenti millors característiques de funcionament en quant a precisió, estabilitat, temps de resposta i sobreoscil·lacions. Els correctors d’error més utilitzats són: el proporcional derivatiu P.D., proporcional integral P.I., proporcional integral-derivatiu P.I.D.
A vegades el controlador agrupa en un sol mòdul: el generador del punt de consigna, el comparador, i l’algoritme de control (P, PD, PID…).
L’amplificador de control (amplificador de potència): amplifica la senyal del corrector fins a uns nivells que siguin capaços d’activar els elements de control. (Amp. magnètics, amp. transistoritzats, relés, tiristors i triacs, etc… )
L’element final de control (actuadors): Té l’objectiu de modificar el comportament de la planta o procés, actua directament per a que la variable de sortida tingui el valor desitjat. Les variables que activen aquests elements acostumen a ser del tipus d’intensitat elèctrica, cabal de líquid o vapor… .Com a elements de control destaquen els servomotors elèctrics, hidropneumàtics, resistències…
La planta o procés és el lloc on es desitja realitzar una acció de control: habitació, forn, dipòsit…
Un exemple d’un sistema de control seria una regulació automàtica d’una magnitud de sortida sobre una planta o procés, per exemple la temperatura, que roman constant o que varia lentament amb el temps i on la tasca fonamental consisteix en mantenir el valor desitjat a la sortida malgrat les pertorbacions presents. Per automatitzar aquest sistema ens caldrà disposar d’elements de medició de temperatura (transductors com PTC, o NTC…), que captin aquesta magnitud, la comparin amb una senyal d’entrada (temperatura desitjada) apreciïn si hi ha o no un error a través dels elements comparadors (potenciòmetre, amplificador operacional…) i proporcionin una informació a un controlador, en aquest cas de tipus elèctric. El controlador analitzarà la informació que li és proporcionada, i actuarà en conseqüència activant o desactivant un element de control, que en aquest cas pot ser un reòstat o una estufa.
L’adaptació i amplificació de senyal es pot fer abans o després del comparador, dependrà de les característiques del nostre sistema, tot i que és més usual fer-ho abans, a fi de condicionar les senyals dels transductors, que acostumen a ser dèbils.
Aquest sistema de control s’anomena de llaç tancat ja que la sortida té un efecte directe sobre la acció de control.
Altres exemples d’aplicació de controls automàtics: A més de la importància en vehicles espacials, guiatge de projectils, pilotatge d’avions, també són molt importants en operacions industrials: control de pressió, temperatura, humitat, viscositat, flux, velocitat…i en processos productius: maquinat, maniobra i muntatge de peces…
Qualsevol sistema de control requereix: Que sigui estable i que la velocitat de resposta sigui raonablement alta , presentant un amortiment raonable. A més ha de poder reduir a zero o a un valor baix els errors.
Els sistemes automàtics permeten un funcionament òptim de sistemes dinàmics , milloren la qualitat i abarateixen els costos de producció, augmenten el ritme de producció, alliberen de la complexitat de moltes rutines, de tasques manuals repetitives, etc…
L’aplicació microelectrònica i l’ordinador han aconseguit un augment i una optimització de la productivitat en tots els processos.
L’element actuador és l’element final dins del bucle de control. Rep el senyal de controlador i modifica la magnitud de la variable a controlar. (Són els òrgans de comandament de vàlvules, comportes,etc., entre els que poden esta bobines i relés capaços d’obeir una senyal elèctrica o pneumàtica ).
A) En pneumàtica i hidràulica: vàlvula accionada per servomotor.
B) En electrònica: els rectificadors controlats de silici (s.c.r: tiristors) i els triacs.
3 En pneumàtica i hidràulica. vàlvules accionades per servomotor
3.1 Generalitats
Element actuador capaç de regular el pas d’un fluid.
Les vàlvules estan formades per un cos i un servomotor.
COS:
Sol ser de ferro, acer o acer inoxidable. Es comporta com un orifici d’àrea variable. Disposen d’un assentament on encaixa un obturador. L’obturador té diferents formes que proporcionen unes característiques diferents segons el cas. Sobre el cos hi ha la tapa amb un indicador de posició.
Es poden controlar pneumàticament, elèctricament o electrònicament.
SERVOMOTORS
Actuen sobre les vàlvules tancant o obrint el pas.
A) Servomotors pneumàtics.- Responen a una senyal pneumàtica. (S’utilitzen en el 90% dels cassos, són simples, ràpides i tenen gran capacitat d’esforç).
De molla i membrana .- Treballa normalment entre 3 i 15 psi o 6-30 psi. Al aplicar una pressió la membrana (diafragma) es comprimeix movent el mecanisme fins a establir l’equilibri amb la força de la molla o resort. (mirar esquema de vàlvula de control).
De Cilindre.- Un cilindre és un dispositiu d’actuació lineal que consta d’un cos en l’interior del qual es troba un èmbol que pot desplaçar-se longitudinalment. Associat a l’èmbol tenim un lluc. Quan s’allotja un fluid a pressió en la càmera posterior, l’èmbol es desplaça traient el lluc a l’exterior, en el cas que la pressió s’exerceixi en la càmera anterior l’èmbol es desplaçarà en sentit contrari, recollint el lluc.
Segons el seu funcionament poden classificar-se en cilindres de simple efecte (si l’operació de retorn la realitza una molla) o de doble efecte (tan en la carrera d’avanç com de retrocés es necessària una pressió).
B) Servomotors elèctrics.- Responen a un senyal elèctric. Vàlvula motoritzada. S’acobla el motor al lluc a través d’un tren d’engranatges.
Servomotors de DC. (sèrie, paral·lel, compound)
Servomotors de AC. (Síncrons i asíncrons)
Servomotors pas a pas. Molt utilitzats per la seva facilitat de control.
C) Servomotor electrònic.- Consisteixen en un convertidor I/P intensitat/pressió. La intensitat va de 4-20mA proporcionant un rang de pressió proporcional.
3.2 PARTS D’UNA VÀLVULA DE CONTROL.
A grans trets són els següents: A grans trets consta d’una vàlvula i un servomotor.
Cos de vàlvula. Ha de resistir les temperatures i pressions sense pèrdues. A de tenir el tamany adequat per al cabal que ha de controlar i ha de ser resistent a l’erosió o corrosió produïda pel fluid. Sol ser de ferro, acer o acer inoxidable.
Tapa de vàlvula. Uneix el cos al servomotor. A través seu llisca el lluc de l’obturador accionat pel motor. El lluc disposa generalment d’un índex que senyala en una escala la posició d’obertura o tancament del motor.
Obturador i assentament. Són desmuntables i estan en contacte directe amb el fluid. Fabricats normalment en acer inoxidable degut a la seva gran resistència a la corrosió i erosió. L’obturador determina la característica de cabal de la vàlvula. (mirar l’apartat característica de cabal de la vàlvula). L’assentament és l’orifici sobre el que l’obturador actua.
Servomotor. En aquest cas compost de:
Un diagrama: modifica la seva posició amb l’entrada d’aire.
Molla: retorna l’obturador a la seva posició inicial quan ha finalitzat l’acció de control.
Entrada d’aire: orifici a través del qual arriba l’acció de control des de l’exterior.
3.3 ACCIONS DE LES VÀLVULES DE CONTROL.
Segons l’efecte provocat per la pressió de l’aire, les vàlvules de control poden ser vàlvules aire per obrir o vàlvules aire per tancar. Dependrà de l’acció que preferim en cas de fallo de la vàlvula.
3.4 CARACTERÍSTIQUES DE CABAL DE LES VÀLVULES DE CONTROL.
L’obturador determina la característica de la vàlvula, es a dir, la relació entre l’obertura (les corbes de tancament són inverses) de la vàlvula i el cabal que circula.
Existeixen principalment tres tipus de característiques:
Característica obertura lineal.
Característica obertura isopercentual creixent.
Característica obertura isopercentual decreixent.
Característica d’obertura tot-res..
3.5 TIPUS DE VÀLVULES.
Destaquen les següents (mirar tema 51 instal·lacions d’aigua).
-Vàlvules de globus.
-Vàlvula en angle.
-Vàlvula en Y.
-Vàlvula de gàbia.
-Vàlvula de tres vies.
-Vàlvula papallona.
-Vàlvula Saunders.
-Vàlvula de mascle.
-Vàlvula de comporta.
-Vàlvula de cos partit.
-Vàlvula pinz.
-Vàlvula Camflex.
3.6 CORROSIÓ I EROSIÓ DE LES VÀLVULES i altres problemes
No existeix actualment un material que resisteixi la corrosió de tots els fluids, per la qual cosa en molts casos es necessari treballar amb materials combinats, la seva selecció dependrà del medi específic en que han de treballar.
L’erosió es produeix quan les partícules en suspensió en el fluid xoquen a alta velocitat contra la superfície dels elements de la vàlvula (vaporització d’un líquid flashing, amb arena, fangs…) l’erosió és extrema en condicions de pressió diferencial i temperatura.
La resistència a la erosió la determinarà el tipus de vàlvula més adequat.
En ordre decreixent de resistència a l’erosió:
1) En angle de simple assentament, amb obturador contornejat. El més resistent.
2) De gàbia de tancament estanc.
3) De globus de simple assentament amb obturador contornejat.
4) De globus de simple assentament amb obturador en V.
5) De gàbia equilibrada.
6) De globus de doble assentament amb obturador contornejat.
7) De globus de doble assentament en V amb obturador contornejat. El menys resistent.
Idealment (en una vàlvula pneumàtica de 3-15 psi) per a una senyal de 3 psi, la vàlvula ha de estar en la posició 0 de la seva carrera i per a un senyal de 15psi en la posició 100. Així mateix ha d’existir una proporció entre les senyal intermèdies i les seves respectives posicions. En la pràctica les vàlvules de control es desvien d’aquest comportament degut a les següents causes:
. Fregament entre els diferents elements .Causa una erosió i un desgast.
. Histeresi i falta de linealitat.
. Esforç sobre l’obturador degut a la pressió diferencial.
. Força addicional del servomotor per a aconseguir el tancament efectiu de l’obturador sobre el seient
(força d’assentament)….
4 En electrònica: els rectificadors controlats de silici (s.c.r: tiristors) i els triacs.
Són dispositius que ens permeten variar la tensió eficaç aplicada a una càrrega a partir d’una font de tensió alterna constant.
S’apliquen dos tipus bàsics de control:
1. Control tot-res: S’aplica a l’entrada varis cicles de l’ona d’entrada.
2. Control de fase: El dispositiu sol permet el pas de part de l’ona. Té el problema que introdueix molts harmònics degut a que talla bruscament l’ona.
Aplicacions principals: (on calgui un control precís de potència)
1. Calentaments industrials. (Forns, màquines d’extrusió…)
2. Tractaments tèrmics en metalls (on cal un control precís de la Tª: tremps, revinguts…)
3. Control de velocitat de motors.
EL TIRISTOR
Són els anomenats SCR (Silicon Controller Rectifier): rectificadors controlats de silici.
És un dispositiu unidireccional, o sigui que sol circula intensitat en una direcció.
La posta en funcionament d’un tiristor es realitza per aplicació d’un impuls de corrent al terminal P. L’impuls s’ha de mantenir fins que el dispositiu superi la intensitat d’enclavament (Ie), una vegada s’ha aconseguit l’estat de conducció, aquest es manté, sempre que la corrent que circula pel tiristor no baixi de la intensitat de manteniment (Im), moment en el qual en torna a bloquejar.
Vp (tensió de porta) és la senyal que controla l’obertura dels dispositius. Aquesta senyal acostuma a venir gestionada per un controlador programable o un ordinador. Quan menor sigui tp (temps d’obertura de la porta) major serà la senyal proporcionada a la càrrega.
La potència proporcionada a la càrrega serà proporcional a la quantitat de senyal que deixi passar.
Aquest circuit amb dos tiristors s’aplica quan la intensitat és molt gran i no es poden utilitzar triacs.
EL TRIACs:
TRIode A.C. Switch interruptor.
Dispositiu bidireccional amb un interruptor de porta comú.
Equival a dos tiristors connectats en paral·lel amb els terminals d’un invertits respecte se l’altre..
Aquest circuir representa una aplicació bàsica d’aplicació d’un triac per a controlar la potencia subministrada a una càrrega.
Recordar com es calcula La Vd.c. i la Vef integrant l’ona.