Regulatory temperatury i procesu służą do automatycznego utrzymywania zadanej wartości temperatury lub innej wielkości procesowej. Regulator odczytuje sygnał z czujnika lub przetwornika, porównuje wartość mierzoną PV z wartością zadaną SV, a następnie odpowiednio steruje elementem wykonawczym – np. grzałką, przekaźnikiem SSR, regulatorem mocy, zaworem lub falownikiem.
W przemysłowych układach automatyki stosowane są przede wszystkim metody regulacji ON/OFF, P, PI, PD i PID. W bardziej wymagających aplikacjach wykorzystuje się także regulację 2DOF PID, Fast-PID, Slow-PID, Gap-PID, regulację grzanie/chłodzenie, regulację kaskadową oraz regulację programową według zadanego profilu czasowego.
Dobór regulatora i algorytmu regulacji zależy m.in. od dynamiki i bezwładności obiektu, występujących opóźnień, wymaganej dokładności, rodzaju czujnika oraz zastosowanego elementu wykonawczego. Prawidłowo dobrany i dostrojony regulator pozwala ograniczyć oscylacje i przeregulowanie, poprawić stabilność procesu oraz skrócić czas osiągania wymaganych warunków technologicznych.
Regulator temperatury jest urządzeniem pomiarowo-sterującym pracującym w zamkniętej pętli regulacji. Na podstawie wartości mierzonej przez czujnik oblicza sygnał sterujący potrzebny do utrzymania temperatury możliwie blisko wartości zadanej.
Podstawowe wielkości występujące w układzie regulacji to:
PV (Process Value) – aktualna wartość procesu, np. temperatura zmierzona przez Pt100 lub termoparę,
SV (Set Value) – wartość zadana, czyli temperatura, którą układ powinien osiągnąć i utrzymywać,
MV (Manipulated Value) – wartość sygnału sterującego generowanego przez regulator,
uchyb regulacji e – różnica pomiędzy wartością zadaną i mierzoną.
W typowym układzie grzania, gdy temperatura jest niższa od wartości zadanej, regulator zwiększa sygnał sterujący. W układach chłodzenia lub innych procesach kierunek działania regulatora może być przeciwny. W miarę zbliżania się PV do SV algorytm odpowiednio koryguje sygnał wyjściowy, aby ograniczyć przeregulowanie i ustabilizować proces.
Typowy układ regulacji składa się z trzech podstawowych elementów:
Element pomiarowy dostarcza regulatorowi informacji o aktualnym stanie procesu. Mogą to być m.in.:
rezystancyjne czujniki temperatury RTD, np. Pt100 lub Pt1000,
termopary J, K, T, N, E, R, S lub B,
przetworniki z wyjściem 4–20 mA lub 0–10 V.
W przypadku regulatorów procesowych wejście analogowe może reprezentować również wilgotność, ciśnienie, przepływ, poziom, pH lub inną wielkość fizyczną.
Regulator porównuje PV z SV i na podstawie wybranego algorytmu oblicza wartość wyjściową MV.
W zależności od modelu może realizować regulację:
ON/OFF,
P,
PI,
PD,
PID,
2DOF PID,
Fast-PID,
Slow-PID,
Gap-PID,
grzanie/chłodzenie,
kaskadową,
programową.
Element wykonawczy zmienia ilość energii dostarczanej lub odbieranej z procesu.
Najczęściej stosowane są:
styczniki,
przekaźniki półprzewodnikowe SSR,
tyrystorowe regulatory mocy,
zawory regulacyjne i ich napędy,
falowniki,
układy grzania i chłodzenia.
Regulator nie musi więc bezpośrednio zasilać grzałki. Najczęściej jego wyjście steruje urządzeniem wykonawczym odpowiednio dobranym do mocy obciążenia.
ON/OFF jest najprostszą metodą regulacji. Wyjście regulatora przyjmuje tylko dwa stany: włączony albo wyłączony.
Aby zapobiec bardzo częstemu przełączaniu wyjścia, stosuje się histerezę.
Regulacja ON/OFF sprawdza się przede wszystkim w prostych procesach, w których niewielkie wahania temperatury wokół wartości zadanej są dopuszczalne.
Typowe zastosowania obejmują proste układy grzewcze, chłodnicze, termostaty i aplikacje o dużej bezwładności.
W regulacji proporcjonalnej wartość wyjścia zależy od aktualnej wartości uchybu.
Im większa różnica pomiędzy SV a PV, tym większa reakcja regulatora. Po zbliżeniu się do punktu pracy sygnał sterujący jest stopniowo zmniejszany.
Regulacja P jest płynniejsza niż ON/OFF, lecz może pozostawiać trwały uchyb ustalony.
Dodanie członu całkującego I umożliwia eliminację uchybu ustalonego. Regulator uwzględnia nie tylko aktualny błąd, lecz również jego przebieg w czasie.
PI jest często stosowane w stosunkowo wolnych procesach, w których człon różniczkujący nie jest konieczny lub jego zastosowanie mogłoby nadmiernie wzmacniać wpływ zakłóceń pomiarowych.
Człon różniczkujący reaguje na szybkość zmian sygnału i pomaga ograniczać zbyt gwałtowną odpowiedź układu.
Samo PD nie eliminuje jednak trwałego uchybu regulacji, dlatego w typowych układach przemysłowych jest stosowane rzadziej niż PI lub PID.
PID łączy działanie członów:
proporcjonalnego P,
całkującego I,
różniczkującego D.
Pozwala uzyskać kompromis pomiędzy szybkością reakcji, dokładnością i stabilnością procesu.
Dobrze dostrojony PID może ograniczyć uchyb ustalony i przeregulowanie oraz zapewnić szybkie dojście do wartości zadanej.
Porównanie regulacji ON/OFF i PID – prawidłowo dostrojony regulator PID zwykle zapewnia mniejsze wahania temperatury i większą stabilność procesu.
Człon proporcjonalny reaguje bezpośrednio na aktualną wartość uchybu.
Zbyt agresywne działanie P może prowadzić do oscylacji lub przeregulowania. Zbyt słabe powoduje natomiast wolną reakcję procesu.
W regulatorach przemysłowych parametr P może być przedstawiany jako wzmocnienie albo jako zakres proporcjonalności PB. Należy zwrócić uwagę, że zmiana PB ma odwrotny charakter do zmiany wzmocnienia regulatora.
Człon całkujący sumuje uchyb w czasie i eliminuje pozostałą różnicę pomiędzy PV i SV.
Zbyt silne działanie całkowania może jednak zwiększyć przeregulowanie i prowadzić do oscylacji.
Człon różniczkujący reaguje na szybkość zmian uchybu lub wartości procesowej – zależnie od zastosowanej struktury regulatora.
Człon różniczkujący wykorzystuje informację o szybkości zmian sygnału, dzięki czemu może tłumić gwałtowne zmiany procesu i ograniczać przeregulowanie.
Wpływ nastaw P, I i D na odpowiedź procesu. Przebiegi mają charakter poglądowy – rzeczywista odpowiedź zależy od dynamiki obiektu, pozostałych nastaw regulatora, opóźnień, filtracji i warunków procesu.
Działanie regulatora PID opiera się na ciągłej analizie uchybu regulacji, czyli różnicy pomiędzy wartością zadaną SV (Set Value) a aktualną wartością mierzoną PV (Process Value):
e(t) = SV − PV
Przedstawiono jedną z powszechnie stosowanych konwencji znaku uchybu; sposób realizacji działania bezpośredniego i odwrotnego zależy od konfiguracji regulatora.
W klasycznej postaci ciągłej sygnał wyjściowy regulatora można zapisać jako:
MV(t) = Kp · [ e(t) + (1/Ti) ∫e(t)dt + Td · de(t)/dt ]
gdzie:
MV (Manipulated Value) – sygnał wyjściowy regulatora,
Kp – wzmocnienie członu proporcjonalnego,
Ti – czas całkowania,
Td – czas różniczkowania,
e(t) – bieżący uchyb regulacji.
Nowoczesne regulatory przemysłowe mogą oferować kilka wariantów regulacji PID przeznaczonych dla różnych charakterystyk obiektu.
2DOF PID umożliwia oddzielne kształtowanie odpowiedzi regulatora na zmianę wartości zadanej i na zakłócenia działające na proces.
Jest szczególnie przydatny, gdy wymagane są jednocześnie:
dobre śledzenie zmian SV,
skuteczne tłumienie zakłóceń,
ograniczenie przeregulowania,
stabilna praca w pobliżu punktu pracy.
W regulatorach Shinko parametry 2DOF pozwalają modyfikować wpływ poszczególnych członów regulatora na odpowiedź układu.
W regulatorze ACS2 firmy Shinko Technos Fast-PID jest realizowany jako struktura PI-D.
Nie należy utożsamiać Fast-PID wyłącznie ze zwiększoną częstotliwością próbkowania ani automatycznym, ciągłym dostrajaniem parametrów PID.
Fast-PID jest strukturą PI-D, w której działanie różniczkujące wykorzystuje szybkość zmian wartości mierzonej PV. Algorytm zapewnia szybką odpowiedź i dobre śledzenie wartości zadanej, dlatego jest szczególnie przydatny w regulacji stałowartościowej oraz procesach wymagających dobrej dynamiki.
W ACS2 Slow-PID wykorzystuje strukturę I-PD.
Algorytm jest szczególnie przydatny tam, gdzie ograniczenie przeregulowania jest ważniejsze od maksymalnie szybkiego osiągnięcia wartości zadanej.
Może być stosowany m.in. w procesach, w których po przekroczeniu wartości zadanej temperatura lub inna wielkość procesowa obniża się bardzo powoli.
Gap-PID stosuje zdefiniowany obszar działania wokół punktu pracy, ale nie powinien być utożsamiany ze zwykłą martwą strefą, w której regulator całkowicie przestaje reagować.
W rozwiązaniach Shinko w obrębie obszaru Gap zachowana jest odpowiednia charakterystyka uchybu, dzięki czemu regulator nadal może reagować na zakłócenia.
Gap-PID jest szczególnie użyteczny przy:
szumie wartości mierzonej,
histerezie elementu wykonawczego,
szybkich procesach przepływowych,
sterowaniu zaworami i innymi układami podatnymi na niewielkie oscylacje wokół punktu pracy.
Porównanie charakterystyk regulacji 2DOF PID, Fast-PID, Slow-PID i Gap-PID. Grafika pokazuje reakcję na zmianę wartości zadanej SV, przeregulowanie, zakłócenia oraz działanie strefy gap.
| Metoda | Typowe zastosowanie | Najważniejsza cecha |
|---|---|---|
| ON/OFF | proste ogrzewanie i chłodzenie | prostota |
| P | proste układy o stabilnej charakterystyce | szybka reakcja |
| PI | wolniejsze procesy | eliminacja uchybu ustalonego |
| PD | wybrane układy dynamiczne | tłumienie szybkich zmian |
| PID | większość dokładnych procesów przemysłowych | kompromis szybkości i stabilności |
| 2DOF PID | procesy ze zmianami SV i zakłóceniami | niezależne kształtowanie odpowiedzi |
| Fast-PID | procesy wymagające dobrej dynamiki | szybka odpowiedź |
| Slow-PID | procesy wrażliwe na przeregulowanie | łagodne dojście do SV |
| Gap-PID | procesy z szumem lub histerezą | zachowanie reakcji na zakłócenia w obszarze gap |
Nie istnieje jeden algorytm optymalny dla wszystkich procesów. Ostatecznego wyboru należy dokonać na podstawie dynamiki konkretnego obiektu.
Strojenie regulatora polega na dobraniu parametrów P, I i D w taki sposób, aby uzyskać wymaganą szybkość i stabilność procesu przy akceptowalnym przeregulowaniu.
Nieprawidłowe nastawy mogą powodować:
powolne dochodzenie do wartości zadanej,
trwały uchyb,
nadmierne przeregulowanie,
oscylacje,
częste przełączanie elementów wykonawczych.
Wiele przemysłowych regulatorów posiada funkcję automatycznego strojenia PID.
Podczas auto-tuningu regulator celowo obserwuje odpowiedź obiektu i na jej podstawie wyznacza nastawy odpowiednie dla aktualnych warunków procesu.
Auto-tuning znacznie ułatwia uruchomienie instalacji, ale uzyskane nastawy warto zawsze ocenić podczas rzeczywistej pracy procesu.
Zmiana obciążenia, przepływu, wsadu, czujnika lub sposobu grzania może spowodować, że wcześniej dobrane nastawy nie będą już optymalne.
ARW ogranicza nadmierne narastanie działania członu całkującego, szczególnie gdy wyjście regulatora osiąga swoje ograniczenia.
Pomaga to zmniejszyć ryzyko dużego przeregulowania po długotrwałej pracy regulatora z maksymalnym lub minimalnym sygnałem wyjściowym.
Nieprawidłowe zachowanie układu regulacji nie zawsze oznacza uszkodzenie regulatora. Przyczyną mogą być zarówno niewłaściwe nastawy PID, jak i błędy instalacyjne, nieodpowiedni czujnik lub właściwości samego procesu.
| Objaw | Możliwa przyczyna | Kierunek działania |
|---|---|---|
| Duże przeregulowanie temperatury | Zbyt agresywne działanie P lub I, duża bezwładność cieplna | Zmniejszyć agresywność nastaw, zweryfikować Ti i Td |
| Temperatura stale oscyluje wokół SV | Zbyt silne działanie proporcjonalne lub całkujące | Zwiększyć zakres proporcjonalności PB lub wydłużyć Ti |
| Bardzo wolne dochodzenie do wartości zadanej | Zbyt słabe działanie P | Zwiększyć wzmocnienie lub zmniejszyć PB |
| Występuje stały uchyb regulacji | Brak lub zbyt słabe działanie I | Zwiększyć działanie I, np. odpowiednio skracając Ti |
| Regulator reaguje nerwowo na drobne zmiany PV | Nadmierne działanie D lub zakłócony sygnał wejściowy | Zmniejszyć D, sprawdzić filtrację i instalację pomiarową |
| Przekaźnik bardzo często się przełącza | Zbyt krótki czas cyklu | Wydłużyć czas cyklu lub zastosować SSR |
| PV jest niestabilne mimo poprawnych nastaw | Zakłócenia elektryczne, zły montaż czujnika lub niewłaściwy filtr | Sprawdzić ekranowanie, uziemienie i filtr wejścia |
| Temperatura przekracza SV mimo prawidłowych nastaw | Duża bezwładność obiektu lub opóźniony pomiar | Zmienić położenie czujnika, zweryfikować dynamikę procesu |
| Auto-tuning daje niezadowalające wyniki | Proces zmienny, nieliniowy lub z dużym opóźnieniem | Skorygować nastawy ręcznie lub zastosować inny algorytm PID |
Podane zależności należy traktować jako wskazówki diagnostyczne. Ostateczne nastawy powinny być dobierane do konkretnego obiektu, jego bezwładności, opóźnienia, mocy układu wykonawczego oraz wymaganej jakości regulacji.
W wielu procesach samo sterowanie grzałką jest niewystarczające. Wymagana jest możliwość aktywnego ogrzewania i chłodzenia.
Regulator wykorzystuje wtedy dwa tory regulacyjne: wyjście grzania oraz wyjście chłodzenia. W zależności od aplikacji pomiędzy charakterystykami grzania i chłodzenia może być ustawiona strefa martwa (dead band) lub strefa nakładania (overlap).
Regulacja grzanie/chłodzenie – porównanie działania dead band i overlap. W strefie dead band charakterystyki grzania i chłodzenia są rozdzielone, natomiast overlap umożliwia częściowe nakładanie działania obu torów.
Rozwiązanie takie jest stosowane m.in. w wytłaczarkach, wtryskarkach, komorach klimatycznych oraz procesach wymagających stabilizacji temperatury przy zmiennym obciążeniu cieplnym.
Regulacji grzanie/chłodzenie nie należy utożsamiać z regulacją trójstawną krokową zaworów.
Regulacja trójstawna krokowa jest stosowana przede wszystkim do sterowania siłownikami zaworów, przepustnic i innych elementów wykonawczych wyposażonych w napęd elektryczny zmieniający swoje położenie w dwóch kierunkach.
W odróżnieniu od klasycznego wyjścia analogowego 4–20 mA lub 0–10 V regulator nie przesyła bezpośrednio wartości odpowiadającej żądanej pozycji siłownika. Wykorzystuje dwa wyjścia sterujące, które umożliwiają zmianę położenia elementu wykonawczego.
Regulator może znajdować się w jednym z trzech stanów:
OPEN – otwieranie,
STOP – zatrzymanie siłownika,
CLOSE – zamykanie.
Jeżeli aktualne położenie elementu wykonawczego odpowiada wartości wymaganej przez algorytm regulacji, oba wyjścia pozostają wyłączone i siłownik utrzymuje swoją pozycję.
Algorytm PID wyznacza wymaganą wartość wyjściową MV (Manipulated Value), którą można interpretować jako żądany stopień otwarcia elementu wykonawczego.
Przykładowo:
MV = 0% – położenie całkowicie zamknięte,
MV = 50% – położenie pośrednie,
MV = 100% – położenie całkowicie otwarte.
Jeżeli regulator stwierdzi, że element wykonawczy powinien zostać bardziej otwarty, aktywuje wyjście OPEN. Jeżeli wymagane jest zmniejszenie otwarcia, aktywowane jest wyjście CLOSE.
Po osiągnięciu wymaganej pozycji oba wyjścia są wyłączane.
W praktyce nie jest to więc klasyczna regulacja ON/OFF procesu. Wyjścia OPEN i CLOSE pracują impulsowo, przesuwając siłownik krokowo w kierunku położenia wymaganego przez regulator PID.
Najdokładniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie siłownika wyposażonego w potencjometr sprzężenia zwrotnego FBP (Feedback Potentiometer).
Potencjometr przekazuje do regulatora informację o rzeczywistym położeniu zaworu lub przepustnicy. Regulator może dzięki temu porównywać:
położenie wymagane przez MV ↔ rzeczywiste położenie siłownika
i odpowiednio załączać wyjście OPEN lub CLOSE.
Jeżeli różnica pomiędzy wartością wymaganą i rzeczywistą znajduje się w określonym zakresie nieczułości, oba wyjścia pozostają wyłączone.
Sprzężenie zwrotne położenia pozwala m.in. na:
dokładniejsze ustawienie zaworu lub przepustnicy,
kompensowanie różnic w czasie otwierania i zamykania,
uwzględnianie rzeczywistego ruchu siłownika,
wykrywanie nieprawidłowości związanych z położeniem elementu wykonawczego.
Przed rozpoczęciem pracy regulatora wymagane jest prawidłowe skalibrowanie pozycji całkowicie zamkniętej i całkowicie otwartej.
Regulacja trójstawna krokowa może również pracować bez potencjometru FBP.
W takim rozwiązaniu regulator nie zna bezpośrednio rzeczywistej pozycji zaworu. Położenie jest wyznaczane pośrednio na podstawie czasu pracy siłownika.
Należy wówczas określić m.in.:
czas pełnego otwarcia – od 0 do 100%,
czas pełnego zamknięcia – od 100 do 0%.
Na podstawie tych parametrów regulator oblicza, jak długo należy załączyć wyjście OPEN lub CLOSE, aby uzyskać wymaganą zmianę położenia.
Przykładowo, jeżeli pełny czas otwarcia wynosi 30 s, przesunięcie zaworu o około 10% zakresu wymaga w uproszczeniu około 3 s działania wyjścia OPEN.
Sterowanie bez sprzężenia zwrotnego jest prostsze instalacyjnie, ale jego dokładność zależy od powtarzalności ruchu siłownika. Luzy mechaniczne, zmiana prędkości napędu lub inne zjawiska mogą powodować narastanie różnicy pomiędzy położeniem obliczonym a rzeczywistym.
Aby uniknąć ciągłego przełączania kierunku ruchu siłownika przy niewielkich zmianach MV, stosuje się strefę nieczułości pomiędzy wyjściami OPEN i CLOSE.
Jeżeli różnica pomiędzy położeniem wymaganym i rzeczywistym jest niewielka, regulator nie wykonuje korekty.
Zbyt mała strefa może powodować:
częste załączanie napędu,
ciągłe niewielkie ruchy zaworu,
przyspieszone zużycie siłownika i elementów mechanicznych.
Zbyt duża strefa nieczułości może natomiast pogorszyć dokładność regulacji.
W regulatorach wyposażonych w sprzężenie zwrotne mogą być dostępne oddzielne parametry dead band oraz histerezy OPEN/CLOSE, które pozwalają dostosować zachowanie napędu do charakterystyki konkretnego siłownika.
Oba rozwiązania wykorzystują dwa wyjścia, ale realizują zupełnie różne funkcje.
| Regulacja grzanie/chłodzenie | Regulacja trójstawna krokowa |
|---|---|
| Wyjście 1 steruje grzaniem | Wyjście 1 powoduje ruch OPEN |
| Wyjście 2 steruje chłodzeniem | Wyjście 2 powoduje ruch CLOSE |
| Sterowane są dwa przeciwstawne procesy | Sterowany jest jeden siłownik w dwóch kierunkach |
| Oba tory mogą mieć własne charakterystyki PID | OPEN/CLOSE zmieniają pozycję jednego elementu wykonawczego |
| Możliwe dead band lub overlap | Stosowana jest strefa nieczułości ruchu OPEN/CLOSE |
Dlatego wyjść OPEN/CLOSE nie należy traktować jako odpowiednika wyjść heating/cooling.
Regulacja tego typu jest stosowana m.in. do sterowania:
zaworami regulacyjnymi instalacji grzewczych,
zaworami pary,
zaworami wody gorącej lub chłodzącej,
przepustnicami powietrza,
klapami instalacji HVAC,
mieszaczami,
siłownikami elektrycznymi w piecach i suszarniach,
elementami wykonawczymi regulującymi przepływ medium.
Przykładem regulatorów realizujących sterowanie serwomechanizmem OPEN/CLOSE są Shinko ACD-15A i ACR-15A, które mogą pracować zarówno z potencjometrem sprzężenia zwrotnego FBP, jak i bez niego.
W przypadku pracy bez FBP ustawiany jest czas pełnego otwarcia i zamknięcia siłownika. W regulatorach ACD-15A/ACR-15A zakres nastawy tych czasów wynosi 0,1…1000,0 s.
Przy wyborze regulatora do sterowania trójstawnego krokowego należy sprawdzić przede wszystkim:
napięcie i sposób sterowania siłownikiem,
wymagane obciążenie styków OPEN/CLOSE,
pełny czas ruchu siłownika,
obecność potencjometru sprzężenia zwrotnego,
zakres rezystancji potencjometru FBP,
wymagany zakres regulacji położenia,
luzy i bezwładność mechaniczną napędu,
możliwość ustawienia dead band i histerezy,
sposób zachowania układu po zaniku zasilania.
W układzie elektrycznym należy również uniemożliwić nieprawidłowe jednoczesne wymuszenie ruchu OPEN i CLOSE, jeżeli wymaga tego konstrukcja siłownika lub zastosowanego obwodu wykonawczego.
Regulacja trójstawna krokowa jest szczególnie przydatna tam, gdzie element wykonawczy nie przyjmuje bezpośredniego sygnału analogowego określającego pozycję, lecz posiada dwa wejścia sterujące odpowiedzialne za ruch w kierunku otwierania i zamykania.
Regulacja kaskadowa (cascade control) wykorzystuje dwie współpracujące pętle regulacji: pętlę nadrzędną (primary/outer loop) oraz pętlę podrzędną (secondary/inner loop). Rozwiązanie to stosuje się przede wszystkim w procesach, w których bezpośrednia regulacja jednej wielkości jest utrudniona przez dużą bezwładność, opóźnienie lub zakłócenia pojawiające się pomiędzy elementem wykonawczym a właściwym punktem procesu.
W klasycznej kaskadzie regulator nadrzędny nie steruje bezpośrednio grzałką, zaworem ani innym elementem wykonawczym. Jego sygnał wyjściowy jest wykorzystywany do wyznaczenia wartości zadanej regulatora podrzędnego, który realizuje szybszą regulację wielkości pośredniej.
Schemat działania można przedstawić w uproszczeniu jako:
SV₁ → regulator nadrzędny → SV₂ → regulator podrzędny → element wykonawczy → proces
przy czym:
PV₁ – główna wielkość regulowana, np. temperatura produktu,
SV₁ – wymagana temperatura produktu,
MV₁ – wynik działania regulatora nadrzędnego, przeliczany na wartość zadaną pętli podrzędnej,
SV₂ – wartość zadana pętli podrzędnej,
PV₂ – szybko reagująca wielkość pomocnicza, np. temperatura powietrza lub grzałki,
MV₂ – sygnał sterujący rzeczywistym elementem wykonawczym.
Typowym zastosowaniem regulacji kaskadowej jest piec lub komora cieplna, w której najważniejsza jest temperatura produktu lub wsadu, ale energia jest dostarczana przez grzałki ogrzewające powietrze w komorze.
W takim układzie:
pętla nadrzędna:
mierzy temperaturę produktu,
porównuje ją z wymaganą temperaturą SV₁,
wyznacza wymaganą temperaturę pętli wewnętrznej,
pętla podrzędna:
mierzy temperaturę powietrza, grzałki lub innej szybko reagującej wielkości pośredniej,
otrzymuje wartość SV₂ z regulatora nadrzędnego,
bezpośrednio steruje mocą grzania.
Przykładowo regulator nadrzędny może stwierdzić, że aby produkt osiągnął temperaturę 180°C, temperatura powietrza w komorze powinna chwilowo wynosić 210°C. Regulator podrzędny odpowiada wtedy za utrzymanie tej temperatury, odpowiednio sterując grzałkami.
W miarę zbliżania się produktu do wartości zadanej regulator nadrzędny zmniejsza SV₂, ograniczając ryzyko nadmiernego przegrzania i przeregulowania temperatury produktu.
Największą zaletą kaskady jest możliwość szybkiego reagowania na zakłócenia zanim ich wpływ dotrze do głównej regulowanej wielkości.
Przykładowo otwarcie drzwi pieca, zmiana przepływu powietrza lub zmiana obciążenia cieplnego może szybko wpłynąć na temperaturę powietrza w komorze. Pętla podrzędna wykrywa tę zmianę wcześniej niż czujnik umieszczony w masywnym produkcie i może natychmiast skorygować moc grzania.
Prawidłowo zaprojektowana regulacja kaskadowa może zapewnić:
lepszą reakcję na zakłócenia,
mniejsze wahania głównej wielkości regulowanej,
ograniczenie przeregulowania,
szybsze osiąganie wymaganych warunków procesu,
lepszą kontrolę procesów o dużej bezwładności,
możliwość ograniczenia temperatury lub innej wielkości w pętli wewnętrznej.
Warunkiem skutecznej pracy kaskady jest odpowiednia różnica dynamiki obu pętli.
Pętla podrzędna powinna reagować wyraźnie szybciej niż pętla nadrzędna. Dzięki temu może skorygować lokalne zakłócenie, zanim jego wpływ stanie się istotny dla głównej wartości PV₁.
Jeżeli obie pętle mają podobną dynamikę lub pętla podrzędna jest wolniejsza od nadrzędnej, kaskada może nie przynieść oczekiwanych korzyści, a w skrajnym przypadku może pogorszyć stabilność układu.
W praktyce dobrze zaprojektowana pętla wewnętrzna powinna mieć wyraźnie krótszy czas odpowiedzi niż pętla zewnętrzna.
Pętle kaskady powinny być strojone w odpowiedniej kolejności.
1. Najpierw stroi się pętlę podrzędną.
Pętla wewnętrzna powinna samodzielnie zapewniać stabilną i odpowiednio szybką regulację swojej wartości PV₂.
2. Następnie stroi się pętlę nadrzędną.
Dopiero po prawidłowym dostrojeniu pętli wewnętrznej można dostroić regulator główny, który wyznacza jej wartość zadaną.
Strojenie obu pętli jednocześnie może utrudniać ocenę przyczyn oscylacji lub niestabilności.
W praktycznych układach bardzo ważne jest ograniczenie zakresu wartości SV₂ generowanej przez regulator nadrzędny.
Przykładowo, jeśli maksymalna dopuszczalna temperatura grzałki lub powietrza w komorze wynosi 250°C, wartość zadana pętli podrzędnej nie powinna przekroczyć tego poziomu nawet wtedy, gdy regulator nadrzędny żąda bardzo dużej mocy grzania.
Ograniczenie SV₂ może służyć m.in. do:
ochrony grzałek,
ograniczania temperatury medium grzewczego,
ochrony produktu przed lokalnym przegrzaniem,
ograniczenia naprężeń cieplnych,
dostosowania pracy układu do możliwości elementu wykonawczego.
Ograniczenia procesowe nie zastępują jednak niezależnych zabezpieczeń bezpieczeństwa.
Regulacja kaskadowa jest stosowana m.in. w:
piecach i komorach cieplnych,
autoklawach,
suszar
Programowalne regulatory temperatury umożliwiają automatyczną realizację wcześniej zdefiniowanego przebiegu wartości zadanej w funkcji czasu. Zamiast utrzymywać jedną stałą temperaturę SV, regulator prowadzi proces przez kolejne etapy nagrzewania, wygrzewania, chłodzenia i stabilizacji zgodnie z zapisanym profilem czasowo-temperaturowym.
Rozwiązanie to jest stosowane wszędzie tam, gdzie jakość procesu zależy nie tylko od osiągnięcia określonej temperatury, lecz także od szybkości jej zmian, czasu utrzymywania poszczególnych poziomów oraz kolejności etapów procesu.
Typowe zastosowania obejmują m.in.:
piece do obróbki cieplnej,
suszarnie,
autoklawy,
procesy polimeryzacji,
piece laboratoryjne,
wypalanie ceramiki,
fusing i obróbkę szkła,
procesy technologiczne tworzyw sztucznych,
testy temperaturowe i środowiskowe,
procesy wymagające kontrolowanego nagrzewania i chłodzenia.
Profil czasowo-temperaturowy składa się z kolejnych kroków (steps). Dla każdego kroku określana jest przede wszystkim:
docelowa wartość zadana Step SV,
czas trwania kroku Step Time,
opcjonalnie parametry regulacji PID,
funkcja Wait,
funkcje wyjść zdarzeń lub sygnałów czasowych.
W regulatorze programowalnym wartość Step SV określa wartość zadaną na końcu danego kroku, natomiast Step Time określa czas jego realizacji. W PCB1 Shinko każdy krok ma właśnie przypisane Step SV oraz Step Time.
Połączenie kolejnych punktów SV i czasów pozwala utworzyć pełny profil technologiczny.
Rampa (ramp) oznacza stopniową zmianę wartości zadanej w określonym czasie.
Przykładowo:
20°C → 180°C w czasie 40 min
oznacza średnią szybkość zmiany wartości zadanej:
(180 − 20) / 40 = 4°C/min
Regulator nie przełącza w takim przypadku SV natychmiast z 20°C na 180°C, lecz prowadzi ją zgodnie z zaprogramowanym profilem.
Kontrolowana rampa może być istotna m.in. w celu:
ograniczenia naprężeń cieplnych,
ochrony produktu przed zbyt gwałtownym nagrzewaniem,
zapewnienia właściwego przebiegu reakcji chemicznych,
ograniczenia przeregulowania,
zachowania wymaganej technologicznie szybkości ogrzewania lub chłodzenia.
Należy przy tym rozróżnić rampę programu od ograniczenia szybkości zmian zwykłej wartości SV. W regulatorze programowalnym rampa jest elementem całej sekwencji technologicznej, obejmującej wiele kolejnych etapów.
Soak, czyli wygrzewanie lub przetrzymanie, polega na utrzymywaniu określonej wartości zadanej przez ustalony czas.
Przykład:
180°C przez 60 min
W praktyce taki etap można uzyskać poprzez ustawienie kolejnego kroku z tą samą wartością SV i odpowiednim czasem trwania.
Wygrzewanie stosowane jest m.in. do:
stabilizacji temperatury całego wsadu,
obróbki cieplnej,
suszenia,
utwardzania powłok,
polimeryzacji,
wygrzewania elementów przed dalszym etapem procesu.
Typowy program może wyglądać następująco:
| Krok | Wartość zadana | Czas | Funkcja |
|---|---|---|---|
| 1 | 100°C | 20 min | nagrzewanie |
| 2 | 100°C | 30 min | wygrzewanie |
| 3 | 180°C | 40 min | dalsze nagrzewanie |
| 4 | 180°C | 60 min | wygrzewanie |
| 5 | 80°C | 50 min | kontrolowane chłodzenie |
Regulator wykonuje kolejne kroki automatycznie, dzięki czemu proces może przebiegać bez ręcznej zmiany wartości zadanej przez operatora.
Samo zaprogramowanie rampy nie oznacza, że rzeczywista temperatura PV będzie idealnie podążała za wartością zadaną.
Jeżeli obiekt ma dużą bezwładność, niewystarczającą moc grzewczą lub zostanie dodatkowo obciążony, PV może pozostawać w tyle za profilem SV.
W takiej sytuacji szczególnie przydatna jest funkcja Wait.
Po osiągnięciu końca kroku regulator sprawdza, czy wartość PV znajduje się w określonym zakresie wokół wartości zadanej. Jeżeli warunek nie został spełniony, przejście do kolejnego kroku zostaje wstrzymane.
Program kontynuuje pracę dopiero po wejściu PV w wymagany obszar.
W PCB1 funkcję Wait można włączać lub wyłączać indywidualnie dla każdego kroku. Jeżeli PV nie znajduje się w zakresie określonym przez SV i wartość Wait, regulator nie przechodzi do następnego kroku.
Funkcja Wait jest szczególnie użyteczna wtedy, gdy określony czas technologiczny powinien rozpocząć się dopiero po rzeczywistym osiągnięciu wymaganej temperatury przez proces.
Rozważmy etap:
180°C pr
Funkcja oczekiwania – często określana jako wait – zapobiega przejściu programu do kolejnego etapu, jeżeli proces nie osiągnął wymaganych warunków.
Regulator może wstrzymać wykonywanie programu do momentu, gdy wartość PV znajdzie się w zdefiniowanym przedziale wokół wartości zadanej.
Funkcja jest szczególnie przydatna w procesach o zmiennym wsadzie lub zmiennej bezwładności, ponieważ rzeczywista temperatura procesu może dochodzić do wartości zadanej wolniej niż wynika to wyłącznie z zaprogramowanego czasu kroku.
Nowoczesne regulatory przemysłowe mogą posiadać wejścia uniwersalne współpracujące z wieloma typami sygnałów.
Do najczęściej stosowanych należą:
Najpopularniejszym przemysłowym czujnikiem rezystancyjnym jest Pt100.
Regulator dokonuje pomiaru rezystancji czujnika i przelicza ją na temperaturę.
Termopary są szczególnie przydatne do pomiaru wysokich temperatur. W odpowiedniej konstrukcji, np. z małą średnicą płaszcza lub odsłoniętą spoiną pomiarową, mogą również zapewniać bardzo krótki czas odpowiedzi.
Stosowane są m.in. typy:
K, J, N, T, E, R, S i B.
Regulator musi posiadać wejście przeznaczone dla konkretnego typu termopary oraz układ kompensacji temperatury zimnego końca.
Wejścia:
4–20 mA,
0–20 mA,
0–10 V,
1–5 V
umożliwiają współpracę z przetwornikami temperatury, wilgotności, ciśnienia, przepływu, poziomu i innych wielkości procesowych.
Rodzaj wyjścia regulatora należy dobrać do elementu wykonawczego.
Przekaźnik elektromechaniczny może realizować zarówno regulację ON/OFF, jak i czasowo-proporcjonalne sterowanie PID.
Nie należy więc utożsamiać określenia „wyjście przekaźnikowe” z algorytmem ON/OFF.
Przy częstym przełączaniu należy uwzględnić ograniczoną trwałość mechaniczną i elektryczną przekaźnika.
Wyjście napięciowe sterujące przekaźnikiem półprzewodnikowym SSR jest często stosowane do grzałek elektrycznych.
Brak styków mechanicznych pozwala na wykonywanie znacznie częstszych cykli sterowania niż w przypadku klasycznego przekaźnika.
Wyjście 4–20 mA lub 0–10 V może służyć do sterowania m.in.:
tyrystorowym regulatorem mocy,
zaworem regulacyjnym,
falownikiem,
innym analogowym elementem wykonawczym.
Rozdzielczość i dokładność takiego wyjścia zależy od konkretnego modelu regulatora i nie należy przypisywać jednej wartości wszystkim urządzeniom.
Oprócz wyjść regulacyjnych sterujących grzałką, przekaźnikiem SSR, zaworem lub regulatorem mocy przemysłowe regulatory temperatury mogą być wyposażone w wyjścia alarmowe oraz wyjścia zdarzeń EV (Event Output). Umożliwiają one sygnalizację określonych stanów procesu, przekazywanie informacji do sterownika PLC lub systemu nadrzędnego, a także sterowanie dodatkowymi urządzeniami pomocniczymi.
Warto rozróżnić warunek alarmowy od fizycznego wyjścia zdarzeń. Alarm określa sytuację, która ma zostać wykryta przez regulator, natomiast wyjście EV jest fizycznym wyjściem, do którego – zależnie od modelu i konfiguracji – można przypisać alarm lub inną funkcję regulatora.
Najczęściej stosowane alarmy są związane z przekroczeniem określonego poziomu temperatury lub innej mierzonej wielkości procesowej.
W zależności od regulatora dostępne mogą być m.in.:
alarm górnej granicy,
alarm dolnej granicy,
alarm górnej i dolnej granicy,
alarm zakresowy,
alarm wartości bezwzględnej,
alarm odniesiony do wartości zadanej SV,
alarm z funkcją oczekiwania po uruchomieniu procesu.
Alarm względny może być określony jako odchyłka od aktualnej wartości zadanej SV. Jeżeli więc zmienia się SV, odpowiednio przesuwa się również próg alarmowy. W przypadku alarmu bezwzględnego próg odnosi się do konkretnej wartości PV niezależnie od aktualnej wartości zadanej.
Typy alarmów w regulatorach temperatury – alarmy odchyłkowe, zakresowe, bezwzględne oraz warianty z funkcją standby. Schematy mają charakter poglądowy; dostępność poszczególnych typów alarmów zależy od modelu regulatora.
Aby zapobiec częstemu przełączaniu wyjścia, gdy wartość PV znajduje się w pobliżu ustawionego progu, stosowana jest histereza alarmu.
Przykładowo, jeżeli alarm nadtemperaturowy zostanie ustawiony na 200°C, odpowiednia histereza powoduje, że po zadziałaniu alarm nie zostanie wyłączony natychmiast po minimalnym spadku temperatury poniżej wartości progowej.
Histereza ogranicza tzw. drganie wyjścia i jest szczególnie istotna przy sygnałach pomiarowych podlegających niewielkim wahaniom.
W wielu regulatorach dostępny jest również czas opóźnienia alarmu. Wyjście zostaje wtedy aktywowane dopiero wówczas, gdy warunek alarmowy utrzymuje się przez określony czas.
Funkcja ta pozwala ignorować krótkotrwałe przekroczenia wynikające np. z chwilowego zakłócenia procesu, bezwładności układu lub krótkiej zmiany obciążenia.
Funkcja standby zapobiega niepożądanemu zadziałaniu niektórych alarmów podczas uruchamiania procesu.
Przykładowo po włączeniu zimnego pieca wartość PV może znajdować się znacznie poniżej SV. Bez funkcji standby alarm niskiej temperatury mógłby zostać aktywowany natychmiast po uruchomieniu regulatora, mimo że jest to normalny stan rozruchowy.
Po osiągnięciu odpowiedniego obszaru pracy alarm zostaje uaktywniony i od tej chwili może nadzorować proces.
Wyjście alarmowe może pracować w jednym z dwóch podstawowych sposobów:
Energized – wyjście zostaje załączone po wystąpieniu przypisanego zdarzenia,
De-energized – logika działania wyjścia jest odwrócona.
Tryb de-energized może być przydatny w układach, w których wymagane jest również wykrywanie zaniku zasilania, przerwania obwodu lub innej awarii powodującej utratę stanu aktywnego wyjścia.
Sposób wykorzystania tej funkcji należy zawsze dobierać do architektury całego systemu sterowania i bezpieczeństwa.
Funkcja latch powoduje podtrzymanie informacji o alarmie również po ustąpieniu jego bezpośredniej przyczyny.
Dzięki temu operator może stwierdzić, że w procesie wystąpiło zdarzenie alarmowe nawet wtedy, gdy wartość PV zdążyła już powrócić do prawidłowego zakresu.
Skasowanie podtrzymanego alarmu wymaga odpowiedniego resetu zgodnie z konfiguracją regulatora.
Bardziej zaawansowane regulatory mogą monitorować nie tylko samą temperaturę, lecz także reakcję procesu na działanie regulatora.
Funkcja Loop Break Alarm (LBA) pozwala wykryć sytuację, w której regulator zmienia sygnał sterujący, ale PV nie reaguje w oczekiwany sposób.
Możliwą przyczyną może być m.in.:
uszkodzenie grzałki,
uszkodzenie SSR lub innego elementu wykonawczego,
brak zasilania obwodu grzejnego,
problem z czujnikiem,
nieprawidłowa reakcja procesu.
LBA jest więc funkcją diagnostyczną całej pętli regulacji, a nie tylko alarmem przekroczenia określonej temperatury.
Regulatory wyposażone w odpowiedni układ pomiaru prądu mogą realizować funkcję Heater Burnout Alarm.
Pomiar prądu grzałki wykonywany jest najczęściej za pomocą przekładnika prądowego CT. Jeżeli przy aktywnym wyjściu grzania prąd jest zbyt mały lub nie występuje, regulator może zasygnalizować uszkodzenie grzałki lub przerwę w obwodzie wykonawczym.
W zależności od możliwości regulatora możliwe jest również wykrywanie sytuacji odwrotnej – przepływu prądu mimo nieaktywnego wyjścia sterującego, co może wskazywać np. na uszkodzenie elementu wykonawczego.
Wyjście zdarzeń EV (Event Output) może pełnić znacznie więcej funkcji niż klasyczne wyjście alarmowe. W zależności od konstrukcji i konfiguracji regulatora do fizycznego wyjścia EV można przypisać m.in.:
alarm temperatury lub innej wartości procesowej,
Loop Break Alarm,
alarm uszkodzenia grzałki,
sygnalizację pracy auto-tuningu,
sygnał zakończenia programu,
sygnał czasowy programu,
zbiorczą sygnalizację błędu,
wyjście sterowane z systemu nadrzędnego,
inne funkcje pomocnicze regulatora.
Dzięki temu jedno urządzenie może jednocześnie regulować proces oraz przekazywać do systemu automatyki informacje o jego stanie.
W regulatorach programowalnych wyjścia EV mogą być wykorzystywane jako sygnały czasowe (Time Signal Output) związane z konkretnymi etapami programu.
Pozwala to synchronizować przebieg temperatury z działaniem innych urządzeń technologicznych, np.:
wentylatora,
elektrozaworu,
klapy,
pompy,
sygnalizatora,
dodatkowej grzałki,
napędu lub innego elementu automatyki.
Przykładowo w określonym kroku programu regulator może rozpocząć nagrzewanie, po zadanym czasie otworzyć zawór, a po zakończeniu etapu wyłączyć urządzenie pomocnicze.
| Funkcja | Przykładowe zastosowanie |
|---|---|
| Alarm wysokiej temperatury | sygnalizacja przekroczenia dopuszczalnej temperatury |
| Alarm niskiej temperatury | informacja o niedogrzaniu procesu |
| Alarm zakresowy | kontrola, czy PV znajduje się w wymaganym przedziale |
| Loop Break Alarm | wykrywanie braku prawidłowej reakcji procesu |
| Heater Burnout Alarm | wykrywanie awarii grzałki lub obwodu grzejnego |
| Pattern/Program End | sygnalizacja zakończenia programu |
| Time Signal | sterowanie urządzeniem pomocniczym w określonym etapie programu |
| Remote Output | sterowanie wyjściem z systemu nadrzędnego |
| Error Output | zbiorcza informacja o błędzie lub nieprawidłowym stanie |
Wyjścia te mogą współpracować z wejściami PLC, systemami SCADA, rejestratorami, lampami sygnalizacyjnymi, sygnalizatorami akustycznymi oraz innymi elementami automatyki.
Wyjścia alarmowego regulatora nie należy utożsamiać z niezależnym zabezpieczeniem bezpieczeństwa.
Jeżeli przekroczenie temperatury może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia, pożaru, zagrożenia dla operatora lub innego stanu niebezpiecznego, należy zastosować niezależne zabezpieczenie nadtemperaturowe odpowiednie do wymagań konkretnej maszyny lub procesu.
Regulator PID, jego algorytm, komunikacja oraz programowe wyjście alarmowe są elementami systemu sterowania i nadzoru, ale w aplikacjach wymagających funkcji bezpieczeństwa nie powinny stanowić jedynej warstwy ochronnej.
Regulator PID nie zawsze steruje elementem wykonawczym za pomocą ciągłego sygnału analogowego. W przypadku wyjść przekaźnikowych lub napięciowych do sterowania SSR często wykorzystywane jest tzw. sterowanie czasowo-proporcjonalne.
Jeżeli regulator obliczy wartość wyjścia MV równą 40%, oznacza to, że w określonym okresie czasowym element wykonawczy będzie załączony przez około 40% tego czasu.
Przykładowo dla czasu cyklu wynoszącego 10 s:
MV = 20% → wyjście aktywne przez około 2 s,
MV = 50% → wyjście aktywne przez około 5 s,
MV = 80% → wyjście aktywne przez około 8 s.
Przekaźniki elektromechaniczne powinny pracować z odpowiednio dobranym czasem cyklu. Zbyt częste przełączanie powoduje przyspieszone zużycie styków i skrócenie trwałości elementu wykonawczego.
Wyjścia przekaźnikowe są odpowiednie przede wszystkim do procesów o stosunkowo dużej bezwładności cieplnej i niewymagających bardzo częstego przełączania.
Przekaźniki półprzewodnikowe SSR mogą pracować ze znacznie większą częstotliwością przełączeń niż klasyczne przekaźniki elektromechaniczne. Pozwala to stosować krótsze czasy cyklu i uzyskać bardziej płynne sterowanie mocą grzałki.
Należy jednak pamiętać o prawidłowym doborze SSR pod względem:
napięcia i prądu obciążenia,
rodzaju obciążenia,
sposobu chłodzenia,
wymaganej rezerwy prądowej.
W przypadku wyjścia przekaźnikowego lub logicznego przeznaczonego do sterowania przekaźnikiem półprzewodnikowym SSR wartość wyjściowa regulatora MV (Manipulated Value) może być realizowana przez zmianę czasu załączenia wyjścia w określonym cyklu proporcjonalnym.
Czas załączenia wyjścia można w uproszczeniu określić zależnością:
tON = (MV / 100%) × T
gdzie:
tON – czas załączenia wyjścia,
MV – wartość sygnału wyjściowego regulatora w procentach,
T – ustawiony czas cyklu proporcjonalnego.
Sterowanie czasowo-proporcjonalne PID – zależność czasu załączenia wyjścia od wartości MV oraz wpływ długości cyklu na odpowiedź procesu. Przebiegi mają charakter poglądowy
Przykładowo, przy czasie cyklu 10 s i wartości MV = 40%, wyjście jest załączone przez około 4 s, a przez pozostałe 6 s pozostaje wyłączone. W kolejnym cyklu regulator ponownie wyznacza odpowiedni udział czasu załączenia wynikający z aktualnej wartości MV.
Należy przy tym pamiętać, że czas cyklu wyjścia nie jest tym samym co czas próbkowania wejścia ani częstotliwość wykonywania algorytmu PID. Określa on sposób, w jaki obliczona przez regulator wartość wyjściowa jest realizowana przez element wykonawczy pracujący dwustanowo. Nie obowiązuje zasada „im krótszy czas cyklu, tym lepsza regulacja” – czas cyklu należy dobrać do elementu wykonawczego i dynamiki procesu.
Dobór czasu cyklu zależy przede wszystkim od rodzaju elementu wykonawczego oraz dynamiki procesu.
Dla przekaźnika elektromechanicznego stosuje się zazwyczaj dłuższe czasy cyklu. Zbyt krótki cykl powoduje częste przełączanie styków, co prowadzi do ich przyspieszonego zużycia i zmniejszenia trwałości przekaźnika.
Dla przekaźnika półprzewodnikowego SSR można stosować znacznie krótsze czasy cyklu, ponieważ nie występują w nim mechaniczne styki. Pozwala to na bardziej równomierne dozowanie energii do grzałki i może poprawić stabilność regulacji temperatury.
Nie należy jednak przyjmować zasady, że im krótszy czas cyklu, tym zawsze lepsza regulacja. Optymalna wartość zależy m.in. od:
bezwładności cieplnej obiektu,
mocy grzałki,
rodzaju elementu wykonawczego,
wymaganej stabilności temperatury,
sposobu sterowania mocą.
Zbyt długi czas cyklu może powodować większe okresowe zmiany dostarczanej mocy i zwiększać wahania temperatury, szczególnie w obiektach o małej bezwładności cieplnej.
W nowoczesnych regulatorach przemysłowych czas cyklu może być ustawiany oddzielnie dla poszczególnych wyjść. Przykładowo w regulatorach Shinko ACS2 dostępny jest zakres 0,1…120,0 s, przy czym fabryczne nastawy wynoszą 30 s dla wyjścia przekaźnikowego oraz 3 s dla wyjścia bezstykowego przeznaczonego m.in. do sterowania SSR. Są to wartości charakterystyczne dla konkretnego regulatora i zawsze należy je zweryfikować w jego dokumentacji.
W niektórych procesach nie jest wskazane, aby regulator PID wykorzystywał pełny zakres sygnału wyjściowego MV (Manipulated Value) lub zmieniał go bardzo szybko. W takich przypadkach stosuje się funkcje ograniczenia minimalnej i maksymalnej wartości wyjścia oraz ograniczenia szybkości jego zmian.
Parametry Output High Limit i Output Low Limit określają zakres, w którym regulator może zmieniać sygnał sterujący.
Przykładowo ustawienie:
MV = 0…70%
oznacza, że nawet jeżeli algorytm PID obliczy zapotrzebowanie na 100%, regulator ograniczy wartość wyjściową do 70%.
Ograniczenie maksymalnej wartości MV może być przydatne m.in. w celu:
ograniczenia maksymalnej mocy grzania,
ochrony grzałek lub innych elementów wykonawczych,
zmniejszenia ryzyka gwałtownego nagrzewania wsadu,
ograniczenia naprężeń cieplnych,
dostosowania możliwości układu regulacji do procesu.
Ograniczenie minimalne może być stosowane np. wtedy, gdy proces wymaga utrzymywania niewielkiego poziomu grzania podczas normalnej regulacji.
Należy jednak pamiętać, że wartość MV nie zawsze jest bezpośrednio równa rzeczywistej mocy dostarczanej do obiektu. Zależność ta zależy od rodzaju wyjścia, elementu wykonawczego i charakterystyki sterowanego odbiornika. Przykładowo MV = 50% przy sterowaniu czasowo-proporcjonalnym oznacza około 50% czasu załączenia w danym cyklu, natomiast w układzie z analogowym regulatorem mocy zależność pomiędzy sygnałem sterującym a mocą może być inna.
Funkcja Output Rate-of-Change Limit ogranicza szybkość, z jaką regulator może zwiększać lub zmniejszać wartość sygnału wyjściowego.
Przykładowo przy ograniczeniu szybkości zmian wynoszącym:
10%/s
przejście wartości MV z 20% do 70% nie nastąpi natychmiast, lecz będzie wymagało około 5 s.
Funkcja ta może być użyteczna w procesach, w których gwałtowne zmiany mocy są niepożądane, np. ze względu na:
dużą moc układu grzewczego,
możliwość powstawania naprężeń termicznych,
ochronę elementów grzejnych,
ograniczenia regulatora mocy lub innego urządzenia wykonawczego,
potrzebę łagodnego oddziaływania regulatora na proces.
Ograniczenie szybkości zmian wyjścia należy dobierać ostrożnie. Zbyt mała dopuszczalna szybkość może spowolnić reakcję układu na zakłócenia i wydłużyć czas osiągania wartości zadanej.
Ograniczenia szybkości zmian wyjścia MV nie należy mylić z rampą wartości zadanej SV.
Rampa SV ogranicza szybkość zmiany wartości zadanej, np. do 5°C/min, dzięki czemu regulator stopniowo prowadzi proces do nowej temperatury.
Ograniczenie szybkości MV działa natomiast bezpośrednio na sygnał sterujący i określa, jak szybko może zmieniać się oddziaływanie regulatora na element wykonawczy.
Obie funkcje mogą być stosowane równocześnie, ale rozwiązują różne problemy technologiczne.
Jeżeli wyjście regulatora przez dłuższy czas pozostaje na ustawionym ograniczeniu, np. MV = 70%, mimo utrzymującego się uchybu regulacji, może wystąpić zjawisko nasycenia wyjścia. W klasycznych układach PID mogłoby ono prowadzić do nadmiernego narastania składowej całkującej, określanego jako integral windup.
Nowoczesne regulatory wykorzystują mechanizmy ograniczające to zjawisko, np. ARW (Anti-Reset Windup). Ma to szczególne znaczenie podczas rozruchu procesu, dużych zmian wartości zadanej oraz pracy z ograniczoną wartością MV.
Ograniczenia wartości i szybkości zmian wyjścia powinny być traktowane jako element optymalizacji regulacji, a nie jako podstawowe zabezpieczenie procesu. Funkcje bezpieczeństwa, takie jak zabezpieczenie przed przegrzaniem, powinny być realizowane niezależnie od głównej pętli regulacji, zgodnie z wymaganiami konkretnej instalacji.
W przypadku wyjścia analogowego, np. 4–20 mA, 0–10 V lub 0–5 V, sterowanie czasowo-proporcjonalne nie jest wymagane. Wartość MV jest przekazywana w sposób ciągły do zewnętrznego regulatora mocy, falownika lub innego urządzenia wykonawczego.
Dzięki temu możliwe jest płynne sterowanie mocą bez cyklicznego załączania i wyłączania wyjścia.
Wyjście analogowe pozwala przekazywać wartość MV w sposób ciągły do regulatora mocy, falownika lub innego urządzenia wykonawczego.
Takie rozwiązanie jest szczególnie korzystne w procesach wymagających bardzo płynnego sterowania energią lub wysokiej stabilności temperatury.
Dobór sposobu sterowania powinien uwzględniać dynamikę procesu, moc odbiornika, rodzaj elementu wykonawczego i wymaganą dokładność regulacji.
W zależności od modelu regulatory mogą posiadać interfejsy komunikacyjne, m.in. RS-485 z protokołem Modbus RTU lub rozwiązania umożliwiające współpracę z PLC.
Komunikacja pozwala m.in. na:
odczyt PV, SV i MV,
zmianę wartości zadanej,
zmianę parametrów regulatora,
monitoring alarmów,
archiwizację danych przez system nadrzędny,
integrację ze SCADA, HMI i PLC.
Interfejs komunikacyjny należy traktować oddzielnie od wyjścia regulacyjnego sterującego procesem.
Przy wyborze regulatora należy kolejno określić:
Czy regulowana będzie temperatura, ciśnienie, wilgotność, przepływ czy inny parametr?
Należy określić typ Pt100, termopary lub przetwornika analogowego.
Istotne są m.in.:
bezwładność,
opóźnienie,
szybkość zmian,
występujące zakłócenia,
dopuszczalne przeregulowanie.
Należy zdecydować, czy wystarczy ON/OFF, czy wymagany jest PID, 2DOF PID, regulacja grzanie/chłodzenie, programowa lub kaskadowa.
Rodzaj elementu wykonawczego determinuje wymagane wyjście regulatora: przekaźnik, SSR, 4–20 mA, 0–10 V lub wyjścia do sterowania napędem zaworu.
W zależności od aplikacji mogą być wymagane:
alarmy,
wejścia binarne,
retransmisja sygnału,
RS-485/Modbus,
sterowanie programowe,
kilka zestawów nastaw PID,
funkcja ręcznego sterowania,
kontrola grzania/chłodzenia.
Dostępne są m.in.:
regulatory panelowe,
regulatory na szynę DIN,
regulatory wielokanałowe i modułowe.
Regulatory PID są stosowane m.in. w:
piecach przemysłowych i laboratoryjnych,
procesach hartowania, odpuszczania i wyżarzania,
piecach do ceramiki i szkła,
procesach fusingu i odprężania szkła,
autoklawach,
suszarniach,
wtryskarkach i wytłaczarkach tworzyw sztucznych,
zgrzewarkach i maszynach pakujących,
komorach klimatycznych,
urządzeniach przemysłu spożywczego,
instalacjach chemicznych i farmaceutycznych,
systemach HVAC,
instalacjach laboratoryjnych i badawczych.
Regulator procesu nie zawsze powinien być jedynym elementem chroniącym urządzenie przed nadmiernym wzrostem temperatury.
Jeżeli przegrzanie może spowodować zagrożenie, uszkodzenie maszyny, produktu lub instalacji, należy przeprowadzić ocenę ryzyka i zastosować odpowiedni niezależny układ ograniczający lub zabezpieczający temperaturę, zgodnie z wymaganiami dotyczącymi konkretnej maszyny oraz obowiązującymi normami.
Należy również odpowiednio dobrać zabezpieczenia elektryczne, styczniki, SSR, regulatory mocy i przewody oraz uwzględnić możliwe uszkodzenia czujnika.
Jakość regulacji temperatury zależy nie tylko od parametrów P, I i D. Nawet prawidłowo dostrojony regulator może działać niestabilnie lub z dużym błędem, jeżeli sygnał pomiarowy nie odzwierciedla rzeczywistego stanu procesu.
Czujnik powinien być umieszczony w miejscu reprezentatywnym dla regulowanego procesu. Jeżeli znajduje się zbyt blisko grzałki, może wskazywać temperaturę wyższą niż rzeczywista temperatura produktu. Nie oznacza to jednak, że montaż w pobliżu grzałki jest zawsze błędny – może być właściwy, gdy celem jest kontrola lub zabezpieczenie temperatury elementu grzejnego. Z kolei zbyt duża odległość od źródła ciepła może powodować znaczne opóźnienie sygnału.
Wpływ położenia czujnika na regulację temperatury. Optymalne miejsce montażu zależy od tego, czy regulowana ma być temperatura produktu, powietrza w komorze czy elementu grzejnego.
Im większe opóźnienie pomiaru, tym trudniej uzyskać szybką i stabilną regulację.
Na dynamikę układu wpływa również konstrukcja czujnika temperatury. Duża średnica osłony, masywna kieszeń termometryczna lub niewłaściwa głębokość zanurzenia mogą znacząco zwiększyć czas odpowiedzi.
W szybkozmiennych procesach warto stosować czujniki o możliwie małej bezwładności cieplnej, pod warunkiem zachowania wymaganej trwałości mechanicznej.
Cyfrowy filtr wejścia pozwala ograniczyć wpływ krótkotrwałych zakłóceń na wartość PV. Zbyt silna filtracja powoduje jednak dodatkowe opóźnienie sygnału pomiarowego.
Parametr filtra należy więc dobierać tak, aby ograniczyć szumy, ale nie spowolnić nadmiernie reakcji regulatora.
Przewody czujników temperatury powinny być prowadzone z dala od przewodów zasilających silniki, grzałki, styczniki i inne odbiorniki generujące zakłócenia elektromagnetyczne.
W wymagających aplikacjach należy stosować odpowiednie ekranowanie, właściwe uziemienie oraz poprawne prowadzenie przewodów sygnałowych.
Szczególnej uwagi wymagają przewody termoparowe, ponieważ mierzone napięcia termoelektryczne mają bardzo małą wartość i są podatne na zakłócenia.
Niektóre obiekty cieplne mają naturalnie bardzo dużą bezwładność oraz opóźnienie transportowe. Dotyczy to m.in. dużych pieców, zbiorników, komór cieplnych i masywnych elementów ogrzewanych pośrednio.
W takich przypadkach klasyczny PID może wymagać łagodniejszych nastaw, zastosowania algorytmu 2DOF PID, regulacji kaskadowej lub innych zaawansowanych metod sterowania.
Dlatego przed zmianą nastaw regulatora warto najpierw zweryfikować cały tor regulacji:
czujnik → miejsce pomiaru → regulator → element wykonawczy → obiekt regulacji.
Dopiero prawidłowo zaprojektowany i wykonany tor pomiarowo-regulacyjny pozwala w pełni wykorzystać możliwości nowoczesnego regulatora PID.
Regulator PID jest urządzeniem realizującym regulację z wykorzystaniem członu proporcjonalnego, całkującego i różniczkującego. Na podstawie różnicy pomiędzy wartością zadaną i mierzoną oblicza sygnał sterujący potrzebny do utrzymania procesu w wymaganym punkcie pracy.
Termostat ON/OFF jedynie włącza i wyłącza wyjście po przekroczeniu określonych progów. PID może płynnie lub czasowo-proporcjonalnie zmieniać działanie wyjścia, dzięki czemu zwykle pozwala uzyskać mniejsze wahania i lepszą stabilność.
W przypadku wyjścia przekaźnikowego lub logicznego do SSR wartość MV może być realizowana przez zmianę czasu załączenia wyjścia w określonym cyklu. Przykładowo przy czasie cyklu 10 s i MV = 40% wyjście jest załączone przez około 4 s i wyłączone przez około 6 s. Dla SSR można zwykle stosować krótsze cykle niż dla przekaźników elektromechanicznych. Zbyt krótki czas cyklu przekaźnika mechanicznego może powodować jego przyspieszone zużycie.
PV oznacza aktualną wartość procesu, natomiast SV oznacza wartość zadaną, którą regulator powinien utrzymywać.
Zależy to od rodzaju i obciążalności wyjścia regulatora. W wielu przemysłowych aplikacjach regulator steruje pośrednio przekaźnikiem SSR, stycznikiem lub regulatorem mocy zamiast zasilać grzałkę bezpośrednio.
Nie. Wyjście przekaźnikowe określa sposób elektrycznego sterowania obciążeniem, natomiast ON/OFF lub PID określa algorytm regulacji. PID może sterować przekaźnikiem za pomocą czasowo-proporcjonalnych cykli załączenia.
Auto-tuning automatycznie wyznacza nastawy PID na podstawie odpowiedzi konkretnego obiektu. Jest szczególnie przydatny podczas uruchamiania układu, ale wyniki należy zweryfikować w rzeczywistych warunkach pracy.
2DOF PID jest rozwinięciem klasycznego PID, pozwalającym lepiej kształtować reakcję regulatora na zmianę wartości zadanej oraz na zakłócenia procesu.
W regulatorach ACS2 Fast-PID wykorzystuje strukturę PI-D, natomiast Slow-PID strukturę I-PD. Slow-PID jest przeznaczony przede wszystkim do aplikacji, w których szczególnie ważne jest ograniczenie przeregulowania.
Regulator programowalny jest potrzebny, gdy temperatura ma zmieniać się w czasie zgodnie z określonym profilem, np. podczas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia pieca.
Regulator musi posiadać wejście zgodne z zastosowanym czujnikiem. Należy również uwzględnić wymagany zakres temperatury, dokładność, czas odpowiedzi oraz warunki pracy.
Tak. Regulatory procesowe z wejściami analogowymi 4–20 mA lub 0–10 V mogą regulować również np. wilgotność, ciśnienie, przepływ lub poziom.
Regulator temperatury jest centralnym elementem zamkniętej pętli sterowania procesem. O jakości regulacji decyduje nie tylko sam algorytm PID, lecz również prawidłowy dobór czujnika, sposobu montażu, elementu wykonawczego, rodzaju wyjścia oraz parametrów P, I i D.
W prostych procesach wystarczająca może być regulacja ON/OFF lub PI. W bardziej wymagających aplikacjach warto zastosować PID, 2DOF PID, regulację grzanie/chłodzenie, kaskadową lub programową. Nowoczesne regulatory oferują również funkcje auto-tuningu, alarmy, komunikację cyfrową i możliwość integracji z PLC oraz systemami SCADA.
Dobór urządzenia powinien zawsze wynikać z rzeczywistych wymagań procesu, a nie wyłącznie z liczby dostępnych funkcji.
Autor: ACSE Sp. z o.o. – aparatura kontrolno-pomiarowa i automatyka przemysłowa
Weryfikacja merytoryczna: Dział Techniczny ACSE – aparatura kontrolno-pomiarowa i automatyka przemysłowa
Ostatnia aktualizacja:
Źródła techniczne: dokumentacja techniczna i instrukcje obsługi regulatorów Shinko Technos, w szczególności serii ACS2, BCx2, PCB1, PCA1 i QX1.
