Contrôleurs de d’électrovanne proportionnelle - Leur fonctionnement

Les électrovannes proportionnelles sont utilisées pour réguler le débit du fluide en faisant varier la position du plongeur de l'électrovanne. La régulation du débit est le plus souvent utilisée pour contrôler la pression, le niveau et la température. D'autres variables du processus, telles que le pH, la conductivité et l'humidité, peuvent également être affectées par le débit. La position du plongeur est contrôlée par un champ magnétique, qui est généré par l'application d'une alimentation électrique à la bobine du solénoïde. En règle générale, les électrovannes proportionnelles sont normalement fermées (elles se ferment sans alimentation), mais elles peuvent aussi être normalement ouvertes (elles s'ouvrent sans alimentation). Cet article traite des électrovannes proportionnelles normalement fermées.

Lorsque la bobine est alimentée, le plongeur s'élève et pousse contre la force du ressort pour ouvrir la vanne. Sans alimentation électrique, le plongeur est poussé contre le siège de la valve par la force d'un ressort pour fermer la sortie de la valve. Contrairement à un solénoïde standard à fonctionnement direct, la position du plongeur d'une électrovanne proportionnelle peut être contrôlée sur une plage de positions de course en faisant varier la puissance fournie à la bobine du solénoïde. Les vannes adaptées à la commande proportionnelle ont une conception légèrement différente afin d'améliorer la stabilité de la position du plongeur dans les positions intermédiaires. L'alimentation de la vanne est généralement contrôlée automatiquement à l'aide d'un contrôleur à modulation de largeur d'impulsion (PWM) tel que les contrôleurs Burkert 8611 (Figure 1 gauche) ou 8605 (Figure 1 droite). Ils sont appelés contrôleurs de valves proportionnelles.

Les régulateurs Burkert 8611 et 8605 sont tous deux conçus pour contrôler les vannes proportionnelles Burkert, mais peuvent également contrôler des vannes d'autres marques. Le 8605 est un contrôleur de vanne proportionnelle dédié, et le 8611 est un contrôleur universel. Le 8611 est capable de contrôler des vannes proportionnelles et d'autres vannes et dispositifs de traitement. Chaque contrôleur est équipé de fonctions de contrôle configurables pour assurer un contrôle précis et fiable du processus. En outre, de nombreuses options de conception sont disponibles pour répondre aux besoins des applications de contrôle des processus.

Cet article traite du fonctionnement des contrôleurs proportionnels d'électrovannes avec la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et la théorie du contrôle PI (proportionnel et intégral) et présente une vue d'ensemble des contrôleurs proportionnels d'électrovannes Burkert 8611 et 8605. En outre, nous avons des articles sur le 8611 et le 8605 qui traitent de ces contrôleurs de manière plus approfondie.

Table des matières

• Modulation de la largeur d'impulsion (PWM)
• Théorie du contrôle PI (proportionnel et intégral)
• Vue d'ensemble du 8605 par rapport au 8611
• Informations complémentaires

Modulation de la largeur d'impulsion (PWM)

Les modèles 8611 et 8605 de Burkert sont tous deux équipés d'une technologie de contrôle permettant de générer des signaux de sortie à modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler les électrovannes proportionnelles dans un système.

Le signal PWM est un signal pseudo-analogique fabriqué à partir d'un signal numérique qui est activé et désactivé. La MLI se compose de deux éléments principaux qui influencent la sortie, la fréquence de commutation et le rapport cyclique. La fréquence de commutation détermine la vitesse à laquelle un cycle entre ON et OFF est effectué. Par exemple, une fréquence de commutation de 20 Hz correspond à 20 cycles par seconde. Le rapport cyclique représente le pourcentage du temps pendant lequel le signal est à l'état ON par rapport au cycle complet. Par exemple, pour un rapport cyclique de 75 %, la sortie du signal sera activée pendant 75 % du cycle. Le rapport cyclique et la fréquence de commutation ont un impact sur le courant effectif délivré au solénoïde pendant la modulation.

Bien que les impulsions de tension PWM vers la bobine soient carrées, le courant est délivré à la bobine selon une courbe en dents de scie en raison de l'inductance de la bobine et du rapport cyclique (figure 2). Il en résulte une oscillation régulière du plongeur dans un état d'équilibre, communément appelé "dither". Le décalage réduit le frottement statique et diminue l'hystérésis (lorsque la position réelle du plongeur est en retard par rapport à la position de commande). Dans la figure 2, le temps d'arrêt (toff) et le temps d'activation (ton) proviennent du cycle de fonctionnement et la tension nominale (U) est celle qui est fournie pour créer l'onde de tension résultante (I).

La sensibilité de la vanne et le mouvement de dither sont influencés par les propriétés de la bobine, la fréquence de commutation et le rapport cyclique. La réaction de la vanne à un signal MLI est la plus sensible lorsqu'elle fonctionne dans une plage de fréquence de commutation spécifique (f) à un rapport cyclique optimal. Le point auquel la soupape est la plus sensible est appelé point de fonctionnement. Le point de fonctionnement est illustré dans la figure 3 à l'intersection de la fréquence supérieure et d'un cycle de travail de 60 %. Aux limites supérieures (fHI) et inférieures (fLO) de la fréquence, la vanne réagit plus lentement à un signal PWM. La figure 3 donne un exemple de la plage de fonctionnement idéale d'une vanne proportionnelle.

Les fréquences limites, le cycle de fonctionnement optimal et les propriétés de la bobine sont tous uniques et essentiels pour un contrôle précis de n'importe quelle vanne. Un dysfonctionnement de la vanne ou un bruit audible plus élevé peut se produire si une vanne est commandée avec des paramètres de fonctionnement incorrects.

L'avantage d'utiliser la série de vannes proportionnelles Burkert avec leur contrôleur est que les fréquences de commutation et les points de fonctionnement corrects sont connus pour toutes les vannes. Burkert a déterminé ces valeurs de manière empirique pour chaque type de vanne. Le 8611 mémorise les limites de fréquence de commutation de toutes les vannes Burkert. Lors de la configuration du contrôleur, le type de vanne peut être saisi et les paramètres de fonctionnement sont automatiquement chargés dans le schéma de contrôle sans autre configuration. Le 8605 inclut la plupart des fréquences en mémoire par défaut, mais certaines peuvent nécessiter une révision avant d'être utilisées. Tous les paramètres de fonctionnement des vannes proportionnelles Burkert sont fournis par Burkert. Lors de l'utilisation d'une électrovanne proportionnelle d'une autre marque avec un contrôleur Burkert, les paramètres de fonctionnement doivent être entrés correctement pour obtenir des performances optimales.

Les fonctions de contrôle utilisées pour réguler le signal PWM pour le contrôle du processus varient entre le 8611 et le 8605. La différence la plus notable entre les contrôleurs est que le 8611 utilise un contrôle en boucle fermée pour le PWM. Le 8605 utilise un contrôle en boucle ouverte pour le PWM. Les différences et les fonctions de contrôle disponibles pour chaque modèle seront examinées plus loin dans cet article.

Théorie du contrôle PI (proportionnel et intégral)

Une boucle de contrôle PI (figure 4) est un système en boucle fermée qui ajuste une variable de contrôle (c'est-à-dire la fréquence de commutation PWM) en fonction du retour d'information mesuré fourni par la variable de processus contrôlée (c'est-à-dire la pression). La boucle de contrôle PI utilise des paramètres connus sous le nom de termes proportionnels et intégraux pour ajuster dynamiquement la variable de contrôle afin de réduire l'erreur. Le 8611 peut fonctionner sur un système en boucle fermée, alors que le 8605 ne peut fonctionner qu'en boucle ouverte.

• SP : Point de consigne souhaité
• PV : Variable de processus mesurée
• e(t) : Valeur de l'erreur
• P : Paramètre proportionnel
• Kp : Constante d'accord proportionnelle
• I : Paramètre intégral
• KI : Constante de réglage intégrale
• MV : Variable mesurée (ou de contrôle)

Les paramètres proportionnels et intégraux sont calculés en utilisant l'erreur du système. Le paramètre proportionnel est le produit d'un facteur de réglage et de la différence entre le point de consigne souhaité (c'est-à-dire le point de consigne de la pression souhaitée) et une variable de processus mesurée (c'est-à-dire la pression réelle mesurée). Le paramètre intégral tient compte de l'erreur sur une période donnée. Le produit d'un facteur de réglage et de la différence entre le point de consigne souhaité et une variable de processus mesurée, intégrée sur une période de temps donnée, est utilisé pour définir le paramètre intégral. L'équation de la figure 5 montre que la somme des paramètres proportionnels et intégraux est utilisée pour déterminer la valeur de la variable de contrôle (u(t)).

L'objectif d'un algorithme de contrôle PI est de stabiliser et de réduire l'erreur du système dans le temps en régulant avec précision une variable de contrôle. Cette méthode est largement utilisée dans les processus de contrôle des fluides. En théorie, l'algorithme est assez simple et relativement facile à mettre en œuvre dans de nombreuses applications. Cependant, le régulateur doit être réglé correctement avec les paramètres proportionnels et intégraux adéquats. Sans un réglage approprié, la variable de contrôle peut réagir de manière excessive aux changements du système ou osciller autour du point de consigne souhaité. Chaque processus étant différent, chaque système utilisera des paramètres de réglage différents pour atteindre les performances souhaitées. Bien qu'il existe plusieurs méthodes de réglage, il est plus courant d'ajuster manuellement chaque paramètre jusqu'à ce que la stabilité soit atteinte. La plupart des fabricants de systèmes de contrôle proposeront des conseils sur les points de départ. En l'absence d'entrées précises et de paramètres de réglage optimisés, la stabilité du contrôle sera sacrifiée.

Les avantages d'un système de contrôle en boucle fermée, tel qu'une boucle PI, sont les suivants :

• Hystérésis réduite par rapport au point de consigne
• Correction automatisée des erreurs de processus
• Stabilité accrue du processus

Vue d'ensemble du 8611 par rapport au 8605