Contrôleurs de d’électrovanne proportionnelle - Leur fonctionnement

Contrôleur de vanne solénoïde proportionnelle - Comment ça marche ?

Les électrovannes proportionnelles sont utilisées pour réguler le débit d'un fluide en faisant varier la position du plongeur de la vanne. 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 en appliquant une alimentation électrique à la bobine du solénoïde. En général, les électrovannes proportionnelles sont normalement fermées (fermées sans courant) mais peuvent aussi être normalement ouvertes (ouvertes sans courant). Cet article traite des électrovannes proportionnelles normalement fermées.

Lorsque la bobine est alimentée, le plongeur se soulève et pousse contre la force du ressort pour ouvrir la valve. Sans alimentation électrique, le piston 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 commande directe, la position du plongeur d'une électrovanne proportionnelle peut être contrôlée sur une gamme 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 pour améliorer la stabilité de la position du plongeur dans les positions intermédiaires. L'alimentation de la valve 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 "régulateurs de vannes proportionnelles"

Contrôleur de vanne proportionnelle Burkert 8611Contrôleur de valve proportionnelle Burkert 8605

Figure 1 : Contrôleur de vanne proportionnelle Burkert 8611 (gauche) et 8605 (droite)

Les contrôleurs Burkert 8611 et 8605 sont tous deux conçus pour contrôler les vannes proportionnelles Burkert, mais peuvent également contrôler les 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 processus. Chaque contrôleur est équipé de fonctions de contrôle configurables pour assurer un contrôle précis et fiable du processus. De plus, de multiples options de conception sont disponibles pour répondre aux besoins d'une application de contrôle de processus.

Cet article traite du fonctionnement des régulateurs d'électrovannes proportionnelles avec la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et la théorie de contrôle PI (proportionnel et intégral) et présente un aperçu des régulateurs d'électrovannes proportionnelles 8611 et 8605 de Burkert. 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)

Les types 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 commander des 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. Le PWM se compose de deux éléments principaux qui influencent la sortie, la fréquence de commutation et le rapport cyclique. La fréquence de commutation détermine la rapidité avec laquelle un cycle entre ON et OFF est réalisé. 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, à un taux d'utilisation 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 fourni 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). Le résultat est une oscillation régulière du piston dans un état d'équilibre qui est communément appelé "dither". Le tremblement réduit la friction statique et diminue l'hystérésis (lorsque la position réelle du plongeur est en retard sur la position de commande). Dans la figure 2, le temps d'arrêt (toff) et le temps d'activation (ton) proviennent du cycle d'utilisation et la tension nominale (U) est ce qui est fourni créant l'onde de tension (I) résultante.

Signal PWM

Figure 2 : Signal PWM

La sensibilité de la vanne et le mouvement du 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 PWM est plus sensible lorsqu'elle fonctionne dans une plage de fréquence de commutation spécifique (f) à un rapport cyclique optimal. Le point auquel la vanne est la plus réactive est appelé "point de fonctionnement". Le point de fonctionnement est illustré à la figure 3 à l'intersection de la fréquence supérieure et du cycle de service de 60%. Aux limites supérieures (fHI) et inférieures (fLO) de sa fréquence, la vanne réagit plus lentement à un signal PWM. Un exemple de la plage de fonctionnement idéale d'une vanne proportionnelle est illustré à la figure 3.

Paramètres de fonctionnement de la vanne proportionnelle

Figure 3 : Paramètres de fonctionnement de la vanne proportionnelle

Les fréquences limites, le cycle de service optimal et les propriétés de la bobine sont tous uniques et cruciaux pour le contrôle précis de toute vanne. Un dysfonctionnement de la vanne ou un bruit audible plus élevé peuvent résulter 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 commande sans autre configuration. Le 8605 inclut la plupart des fréquences en mémoire par défaut, cependant, certaines peuvent nécessiter d'être revues avant l'utilisation. 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 saisis correctement pour une performance optimale.

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 abordées plus loin dans cet article.

Théorie de la commande PI (proportionnelle et intégrale)

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 de la rétroaction mesurée fournie par la variable de processus contrôlée (c'est-à-dire la pression). La boucle de contrôle PI utilise des paramètres appelés 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, tandis que le 8605 est uniquement en boucle ouverte.

Schéma fonctionnel de la boucle de contrôle PI

Figure 4 : Schéma fonctionnel de la boucle de contrôle PI

  • SP Point de consigne souhaité
  • PV Variable de processus mesurée
  • e(t) : Valeur d'erreur
  • P : Paramètre proportionnel
  • Kp : Constante d'accord proportionnelle
  • I Paramètre intégral
  • KI : Constante d'accord 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 d'accord et de la différence entre le point de consigne souhaité (c'est-à-dire le point de consigne de pression souhaité) 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 de temps donnée. Le produit d'un facteur d'accord et de la différence entre le point de consigne souhaité et une variable de processus mesurée intégrée sur une période de temps définie 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 commande (u(t)).

Formule de la variable de contrôle PI

Figure 5 : Formule de la variable de contrôle PI

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. Comme chaque processus est 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 proposent des conseils pour les points de départ. Sans entrées précises et paramètres de réglage optimisés, la stabilité de la commande 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 de 8611 vs 8605

Vue d'ensemble de 8611 vs 8605

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