AUTOMÀTICA I CONTROL

DESCRIPCIÓ DELS EQUIPS

LABORATORI DE CONTROL

Fatiha Nejjari

Albert Masip

2

Qüestions generals sobre els equips de laboratori

Sigui quin sigui l’equip de laboratori que es faci servir a cada pràctica cal tenir en

compte unes quantes premisses bàsiques per a garantir un bon funcionament dels

equips:

1.- Les tensions que s’assoleixen a la maqueta són de l’ordre de 10 Volts i no suposen

perill per a qui hi treballa. Malgrat tot, la font d’alimentació sí que s’alimenta a 220

Volts: Tingueu cura!

2.- Procureu cablejar sempre amb l’equip apagat i d’acord amb el que se us demana al

guió de pràctiques. Una vegada repasseu que el muntatge sigui el correcte (si us cal,

demaneu ajuda al professor) procediu a donar tensió al bastidor.

3.- En finalitzar cada sessió de pràctiques apagueu el bastidor, l’ordinador, el monitor i

deseu els cables al penjador que hi ha al fons del laboratori.

4.- En cas de mal funcionament d’alguna de les parts dels equips del laboratori,

comuniqueu-ho immediatament al professor per a que prengui les mesures adequades

per solucionar-vos el problema.

5.- Respecteu les normes d’estada al laboratori que estan publicades a la porta d’accés

al mateix. Recordeu que no s’hi pot menjar, ni beure, ni fer-hi fotografies sense

autorització...

3

Descripció de la maqueta motor

El primer dels elements de què consta la maqueta és el propi motor de corrent continu

que caldrà sempre alimentar mitjançant el driver, element amplificador que proporciona

la potència que el motor demana. A l’eix del motor hi trobem un reductor, per

engranatges, de raó 1/30 que s’utilitzarà juntament amb el sensor de posició per efectuar

el control de posició angular del motor. Seguidament hi tenim un encoder incremental i

absolut que ens servirà per realitzar les lectures de velocitat i posició, respectivament, i

una tacodinamo que ens donarà una tensió que serà proporcional a la velocitat de gir del

motor i que ens servirà pel control de velocitat . L’esquema de la maqueta és el següent:

A Alimentació del motor: Mitjançant aquesta entrada alimentarem el motor de c.c.

Els cables que aquí es connectaran sempre vindran de la sortida del driver, en cas

contrari no s’estarà proporcionant al motor la potència elèctrica per poder girar.

B Alimentació del sensor posició : Aquesta entrada servirà per alimentar el sensor de

posició, donat que es tracta d’un sensor de tipus actiu. Cal alimentar el sensor de posició

amb el mateix rang de tensions que el corresponent a la consigna de posició.

C Lectura del sensor de posició: Sortida que dóna un voltatge proporcional a la

posició angular del motor, òbviament, dins el rang al que s’alimenta el sensor.

Motor c.c. Reductor Encoders Tacodinamo

G D C B A F E

4

D Lectures de l’encoder absolut : Sortides que s’utilitzen per obtenir la posició

angular de manera directa.

E Alimentació de l’encoder : Entrada d’alimentació a l’encoder, entre 0 i 5 Volts.

F Lectura de l’encoder incremental: Sortida que s’utilitza per conèixer la velocitat

del motor mitjançant increments.

D Tacodinamo: Sortida de tensió proporcional a la velocitat de gir, entre 0 i 10

Volts.

Mòduls motor

El diagrama de blocs del sistema amb què es treballa és el representat a la figura, en anell tancat.

consigna error sortida

On tenim que:

Consigna: La consigna vindrà donada pels mòduls següents :

CONSIGNA-547 si requereix una anàlisi temporal.

GS-100 si requereix d’una anàlisi freqüèncial.

Controlador: Serà el mòdul CORRECTOR-547.

Sensors: Utilitzarem la tacodinamo per la velocitat. També hi ha l’ENCODER incremental. Utilitzarem el sensor potenciomètric per la posició. També hi ha l’ENCODER absolut.

Condicionadors: El mòdul ENCODER-547 realitzarà les funcions de comptador/visualitzador dels senyals dels encoders mentre que el CORRECTOR-547 disposarà dels condicionadors pel sensor potenciomètric i generador tacomètric.

A les pàgines successives es presenten els mòduls que conformen l’equip del motor:

controlador Sistema Motor

5

MÒDUL ALV-215 ( FONT D’ALIMENTACIÓ ) Serà l’encarregat d’alimentar la resta de mòduls de l’equip aplicant al bastidor una tensió de 15± Vcc i 1 A. A més, disposa d’un voltímetre digital (que mesura corrent continu) de 3½ dígits per facilitar les mesures de tensions en la utilització de l’equip.

Mòdul ALV-215

El voltímetre digital disposa de 4 entrades que es poden seleccionar mitjançant un commutador rotatiu, de forma que l’entrada seleccionada queda assenyalada per l’encesa d’una làmpada LED. El rang màxim per totes les entrades està limitat a 20± Vcc.

Visualitzador

Voltímetre 3 ½

Selector d’entrades

Entrades voltímetre

Fusible de protecció 0.5A

Base d’endoll

alimentació 220 c.a

Indicadors

entrada seleccionada

Interruptor

lluminós F.A

6

MÒDUL CONSIGNA-547

Serà l’encarregat de generar les consignes per realitzar l’anàlisi temporal. Per això en la seva part superior consta d’un potenciòmetre de 10KΩ de resistència i 360º de gir mecànic, per la seva utilització com a consigna de posició .

A la seva part central es situen les sortides de consigna graó i rampa. Aquests senyals són d’amplitud, pendent i signe que es poden seleccionar per l’usuari disposant, per aquesta finalitat, de dos potenciòmetres ajustables i un commutador de signe, tal i com es mostra a la següent figura .

El potenciòmetre pendent de la rampa segons ens determinarà el temps en segons que tarda la senyal rampa en arribar l’amplitud escollida amb el selector volts, i.e., podem saber el pendent aproximat de la rampa que generem dividint el valor del potenciòmetre Volts entre el valor de segons.

Mòdul CONSIGNA-547

Es disposa d’un commutador RESET que forçarà la sortida a zero amb la finalitat d’anul·lar la sortida o repetir la funció de consigna escollida.

Alimentació captador i consigna potenciomètriques

Potenciòmetre de

consigna

Amplitud del senyal d’entrada

Temps de pujada de la rampa

Sortida de consigna rampa

Sortida de consigna graó

Connexions del potenciòmetre de consigna

Reset senyal de sortida

Alimentació del motor

Signe del senyal de sortida.

7

Degut a que aquests senyals de consigna (o els senyals de sortida del corrector) no tenen la potència necessària per alimentar el motor de corrent continu, el mòdul incorpora a la seva part inferior (driver), un amplificador de potència capaç d’activar plenament el motor.

MÒDUL GS-100 Aquest mòdul serà l’encarregat de generar les consignes quan es requereixen anàlisis freqüencials.

Amb el selector situat a la part central del mòdul, podrem escollir el tipus de senyal desitjat: sinusoïdal, quadrat o triangular, segons l’aplicació, podent variar l’amplitud i la freqüència del senyal amb els comandaments situats per tal efecte a la part superior del mòdul. Es pot afegir un nivell de contínua al senyal oscil·latori resultant. Observeu, a més, que aquest nivell es pot activar i desactivar quan desitgeu, independentment del senyal altern.

D’igual manera que passava en el mòdul CSS-547, aquests senyals requereixen d’una potència per engegar el motor, per tant s’utilitzarà el driver situat al mòdul CSS-547 per tal d’amplificar la potència de la consigna .

MÒDUL CORRECTOR-547

Per realitzar la regulació de la velocitat i posició es pot fer servir el controlador PI del mòdul CORRECTOR-547.

Mòdul CORRECTOR-547

Valor integral

Selector P,I,PI

Entrada consigna posició

Sortida

Guany de realimentació

Entrada de realimentació

Sortida del driver

Selector P,I,PI

Valor integral

Valor proporcional

Entrada consigna veloc.

Entrada de realimentació

Guany de realimentació

Valor proporcional

8

El mòdul està dividit en dues parts, a la part dreta es situen el corrector de velocitat i el condicionador per el captador de velocitat (tacodinamo). A la part esquerra s’incorpora el corrector de posició i el condicionador pel captador potenciomètric .

El corrector pot ser d’acció proporcional ( K ), integral ( K/Tp ) o proporcional integral ( K(1+1/Tp)) seleccionables per un commutador rotatiu, així mateix es pot variar el guany de la realimentació el qual té dos sistemes de corrector podent-se ajustar per l’usuari per mitjà de potenciòmetres (part superior del mòdul).

Tingueu en compte que, després d’haver utilitzat el controlador en mode I o bé PI, cal eliminar el valor acumulat de la integral si es vol fer un nou assaig. Per fer-ho, commuteu el controlador a mode P per uns breus instants i retorneu-lo al mode (I o PI) en què el voleu utilitzar.

MÒDUL ENCODER-547

Mòdul ENCODER-547

Constituït per tres blocs principals :

1. El bloc inferior té en la seva part central els connectors per l’alimentació dels encoders. A la seva esquerra es troben les entrades de l’encoder incremental i a la seva dreta les entrades de l’encoder absolut .

Indicador de reset actiu

Sortides digitals BCD de

voltes i impulsos

Sortides en sentit del

comptatge de voltes

Entrada de l’encoder absolut

Alimentadors d’encoders

Entrades encoder incremental

Visualització d’impulsos a

la volta

Indicadors del sentit del

comptatge de les voltes Indicadors del sentit de gir

encoder incremental

Pulsador Reset del comptador

Selector encoder

incremental/absolut

Selector de mode Reset

Visualització de voltes

9

2. La seva part central consta d’un transcodificador que convertirà el codi Gray rebut des de l’encoder absolut a codi BCD per la seva posterior visualització i conèixer la posició de gir del motor (16 possibles solucions).

Així mateix, aquest bloc central disposa d’un comptador/descomptador digital associat al circuit de detecció d’impulsos proporcionat per l’encoder relatiu, que ens aportarà dades sobre la velocitat i sentit de gir del motor.

3. La part superior engloba la part de visualització, conformat per 5 displays de 7 segments, on les seves entrades s’extreuen a l’exterior per possibles lectures de l’estat del comptador / descomptador o del transcodificador.

10

Descripció de la maqueta dipòsit

Aquesta maqueta disposa de diferents elements que permeten realitzar el control en llaç

tancat de nivell o cabal fent servir els diferents captadors que hi tenim. L’alimentació de

la motobomba provoca que aparegui un flux de líquid anticongelant des del dipòsit

inferior al superior degut a la seva acció.

Per altra banda, segons l’obertura del tap es produirà una major o menor pèrdua de

líquid del dipòsit superior a l’inferior. Aquestes fuites (que no es poden mesurar) poden

entendre’s com a perturbacions en el funcionament del procés.

Cal tenir en compte que el nivell de líquid que es mesura/controla és sempre el

corresponent al dipòsit superior.

Elements del panell de connexions:

A B C

11

D E

A Captador de nivell-boia: Juntament amb el mòdul NBP-547 donarà una tensió

proporcional al nivell d’aigua, aquest transductor consta d’una vareta que uneix

l’eix del sensor amb la boia, i converteix els desplaçaments verticals del nivell en

desplaçaments angulars de l’eix del sensor del potenciòmetre, oferint una tensió

proporcional al desplaçament efectuat.

B Captador de nivell per pressió: Amb el mòdul NBP-547 donarà també una tensió

proporcional al nivell d’aigua. El seu principi de funcionament es basa en la

captació de la pressió hidrostàtica exercida per la columna de líquid en l’interior del

mateix.

C Captador de cabal per diferència de pressió : Juntament amb el mòdul

ACONDICAUD-547 el captador serà l’encarregat de donar una tensió proporcional

al cabal que dóna la motobomba. El principi de funcionament serà per diferència de

pressió entre el líquid entrant (capt. dreta) i el líquid sortint (capt. esquerre)

impulsat per la motobomba.

D Captador de cabal mitjançant turbina : Amb el mòdul ACONDICAUD-547 ,

donarà una tensió proporcional al cabal impulsat per la motobomba, mitjançant una

turbina que té instal·lat un sensor òptic que genera polsos quan els braços de la

turbina intercedeixen al feix de raigs del sensor.

E Motobomba : Serà l’encarregada d’impulsar l’aigua al dipòsit. Caldrà sempre,

igualment que en el cas del motor, alimentar-la mitjançant el driver.

12

Mòduls del dipòsit

consigna error sortida

Es tindrà:

Consigna : La consigna vindrà donada pels mòduls següents :

GSS-547 si es requereix de l’anàlisi temporal. GS-100 si es requereix de l’anàlisi freqüencial . Controlador : Tindrem el mòdul CORRECTOR PID-547 Sensors : Utilitzarem a les pràctiques de l’assignatura la boia pel nivell i la turbina pel cabal. Condicionadors : Seran els encarregats de convertir (transformar) els senyals elèctrics que provenen del sensor, a les unitats i escala adequades de consigna per poder comparar-los. Els condicionadors, en funció de l’aplicació (nivell / cabal), seran: NBP-547 mòdul condicionador de la boia. ACONDICAUD-547 mòdul condicionador de la turbina Tot seguit es descriuen els diferents mòduls que conformen l’equip del dipòsit:

controlador Sistema dipòsit

13

MÒDUL ALV-215 ( FONT D’ALIMENTACIÓ )

Serà l’encarregat d’alimentar la resta de mòduls de l’equip, aplicant una tensió de 15± Vcc i 1A al bastidor. Així mateix, disposem d’un voltímetre digital de 3½ dígits per facilitar les mesures dels voltatges durant la utilització de l’equip. El voltímetre digital disposa de 4 entrades seleccionables mitjançant un commutador rotatiu, de forma que l’entrada seleccionada queda assenyalitzada per l’encesa d’una làmpada LED. El rang màxim per totes les entrades està limitat a 20± V. c.c.

Mòdul ALV-215

Visualitzador

voltímetre ½ dig.

Selector d’entrades

Entrades voltímetre

Fusible de protecció 0.5A

Base d’endoll

alimentació 220 c.a

Indicadors

entrada seleccionada

Interruptor

lluminós F.A

14

MÒDUL CSS-547 ( MÒDULS DE CONSIGNA )

Serà l’encarregat de generar les sortides del senyal en forma de graó i rampa. Aquests senyals són de magnitud, pendent i de signe seleccionables per l’usuari, disposant per a aquesta finalitat, de dos potenciòmetres ajustables i un commutador de signe, tal i com es mostra en la figura. El selector pendent de la rampa, segons, ens determina el temps en segons que triga el senyal rampa en arribar a l’amplitud escollida amb el selector volts.

Mòdul ALV-215

Es disposa d’un commutador RESET que forçarà la sortida a zero, per tal d’inhabilitar la sortida o repetir la funció de consigna escollida.

Degut a que aquests senyals de consigna no tenen la suficient potència necessària per alimentar la motobomba de corrent continu, el mòdul incorpora a la seva part inferior (driver) un amplificador de potència capaç d’activar plenament la motobomba.

Aquest mòdul serà l’encarregat de generar les consignes quan es requereixen anàlisis freqüencials.

Amb el selector situat a la part central del mòdul, podrem escollir el tipus de senyal desitjat: sinusoïdal, quadrada o triangular, segons l’aplicació, podent-se variar l’amplitud i la freqüència del senyal amb els comandaments situats per tal efecte a la part superior del mòdul. D’igual manera que passava amb el mòdul CSS-547, aquestes requereixen d’una potència per fer anar la motobomba, per tant s’utilitzarà el driver situat en el mòdul CSS-547 per tal d’amplificar la potència de la consigna .

Selector pendent de la rampa

Connexió a motobomba

Indicador LED sobrecàrrega

Selector d’amplitud

del senyal seleccionat

Sortida senyal rampa

Sortida senyal graó Selector de polaritat

Commutador Reset

Entrada senyal de consigna

Masa

15

MÒDUL CORRECTOR PID-547

En la majoria de processos industrials és necessari controlar les variables del procés de manera que aquestes siguin el més estables possibles i que els seus valors es trobin en tot moment dins els límits establerts.

El mòdul corrector PID-547 s’inclou per realitzar operacions de control proporcionals (K), integrals (1/Tis), diferèncials (Tds) i combinancions entre elles (PI i PID).

Mòdul corrector PID-547

La part superior conté els potenciòmetres per l’ajust de les constants de cada operació de control i a la part inferior es disposa dels blocs que realitzen les operacions de control proporcional, integral i derivatiu amb els connectors independents. L’error del sistema es determinarà amb el restador situat a la part esquerra del bloc inferior.

16

MÒDUL NBP-547 ( Mòdul condicionador de boia i pressió )

Aquest mòdul conté, a la seva part superior, el condicionador del transductor potenciomètric per la mesura de nivell mitjançant boia, i a la seva part inferior el condicionador del transductor piezoresistiu per la mesura de nivell per pressió (que no s’utilitzarà a pràctiques).

El sensor tipus boia situat a la maqueta produeix un senyal de tensió proporcional a l’angle de gir de la boia. Amb el condicionador de boia obtindrem una característica linealitzada d’aquesta tensió per comparar-la amb la consigna .

Mòdul NBP-547

A la figura es mostren els potenciòmetres per l’ajust del senyal d’offset i guany de cadascun dels condicionadors, a més dels connectors amb el sensor boia de la maqueta.

Ajust del guany del condicionador

Ajust del guany del condicionador

Sortida del condicionador

Sortida del condicionador

Massa

Massa

Ajust d’offset

Conexions al Captador

Ajust d’offset

Connexions al Captador

17

MÒDUL ACONDICAUD-547 ( Acond. Dif. Pressió-turbina )

Aquest mòdul conté a la seva part inferior el condicionador pel transductor de cabal mitjançant turbina i a la seva part superior els circuits electrònics de condicionaments dels transductors de pressió (que no s’utilitzaran a les pràctiques).

En girar la turbina per efecte del flux de líquid, es produeix un tren de pols eléctrics d’amplitud constant i freqüència variable recollits per el captador òptic situat a les pales d’aquesta. Els pulsos elèctrics s’apliquen al condicionador situat a la part inferior del mòdul obtenint-se un senyal de c.c proporcional a la freqüència de pols, i en conseqüència a la velocitat del líquid en el circuit hidràulic.

Mòdul ACONDICAUD-547

Ambdós condicionadors disposen de potenciòmetres ajustables pel senyal d’offset i ajust del guany.

Ajust del guany

del condicionador

Ajust d’offset

Ajust del guany

del condicionador

Senyal de sortida

Massa

Connexions als

captadors

Massa

Connexions als

captadors

Ajust d’offset

Senyal de sortida

Ajust d’offset