Kiedy stosować układy regulacji w pętli zamkniętej?

Opomiarowanie jest ważne w każdej pętli sterowania, zarówno otwartej, jak i zamkniętej. Czujnik HH na górze zbiornika zabezpiecza przed jego przelaniem, czujnik ciśnienia na dole zbiornika pozwala utrzymać stałą jakość procesu, natomiast czujniki przepływu (przepływomierze) pozwalają mierzyć ilość finalnego produktu. Źródło: Automation Consulting LLC

Przykłady zamkniętych obwodów regulacji to m.in. regulacja temperatury w piecu, regulacja poziomu w zbiorniku oraz regulacja przepływu lub ciśnienia w procesie technologicznym. Inne przykłady to utrzymanie położenia lub momentu w systemie serwomechanizmu, regulacja pH albo składu chemicznego w procesach chemicznych. Większość z tych przykładów wymaga zastosowania algorytmu regulacji PID wraz z użyciem analogowych sygnałów przychodzących z czujnika pomiarowego i wychodzących do siłownika.

Większość procedur regulacyjnych w przemyśle wymaga określonej interakcji między czujnikiem pomiarowym i siłownikiem wykonawczym.

Sprzężenie zwrotne nie zawsze jest typowym sygnałem analogowym 4–20 mA lub 0–10 V. Enkodery (przetworniki obrotowo-impulsowe) i resolwery (indukcyjne przetworniki kąta obrotu) są typowymi czujnikami do regulacji położenia lub prędkości obrotowej, a działanie algorytmu PID przy ich zastosowaniu jest znacząco szybsze niż dla innych typów przetworników.

Regulacja momentu obrotowego może również opierać się na pomiarze położenia i wielkości prądu w serwonapędzie, tworząc całkowicie odmienny schemat regulacji. Sygnały zwrotne z czujników są często najbardziej krytycznymi informacjami dla prawidłowego prowadzenia procesu.

Nawet tak proste działanie, jak napełnienie zbiornika „prawie do pełna” wymaga zastosowania czujnika dwupołożeniowego dla zagwarantowania, że zbiornik nie zostanie przelany. Czujnik High-high (HH) może być na stałe wpięty w układ regulacji, wyłączając pompę lub zamykając zawór, aby zapobiec przelaniu zbiornika. Taki sam scenariusz można zastosować dla czujnika Low-low (LL) w celu zabezpieczenia pompy odśrodkowej przed pracą na sucho.

Systemy dyskretne (dwupołożeniowe) mogą być również uważane za pracujące w układzie zamkniętym. Siłowniki pneumatyczne oraz hydrauliczne mają zwykle czujniki położenia krańcowego, sygnalizujące końcowe położenie tłoka roboczego. Zamiast monitorować pozycje pośrednie tłoka, dokonuje się pomiaru czasu przejścia tłoka między położeniami krańcowymi, a wydłużenie tego czasu świadczy o jego niesprawności.

Poniżej omówimy aspekty, które należy wziąć pod uwagę w kontekście wyboru zamkniętego układu regulacji na obiekcie.

Koszty czujników

W przytoczonym wyżej przykładzie zbiornika z wodą użycie sygnalizatora dwupołożeniowego do sterowania pracą pompy/zaworu wraz z niezbędnym osprzętem prawdopodobnie byłoby w zupełności wystarczające. Wspomniany wcześniej dodatkowy czujnik HH należałoby zastosować dodatkowo (opcjonalnie).

Przetworniki analogowe są zwykle znacznie droższe niż dyskretne (dwupołożeniowe) z uwagi na kosztowne czujniki i karty wejściowe regulatora. Przy dużej instalacji koszt ten jednak może nie mieć istotnego znaczenia. Jest już tradycją, że użytkownicy starają się udostępnić wszystkie informacje płynące z procesu w systemie SCADA, nawet te drugorzędne, mające niewielki wpływ na prowadzenie procesu. W gruncie rzeczy koszt czujników i przetworników obiektowych stanowi tylko niewielki ułamek całkowitych kosztów instalacji. Jednak dla producentów (OEM) aparatury technologicznej koszty te mogą stanowić znaczący udział w ogólnym koszcie maszyny czy instalacji, wpływając na obniżenie ich konkurencyjności na rynku.

Bezpieczeństwo

Jeżeli występuje zagrożenie zdrowia i życia ludzi na obiekcie, niezbędne jest stosowne opomiarowanie prowadzonego procesu. Obwody zamknięte regulacji temperatury i ciśnienia w kotłach przemysłowych chronią życie ludzi pracujących w ich bezpośrednim otoczeniu. W tych przypadkach nie tylko bezwzględnie muszą być stosowane układy zamknięte regulacji, ale również dodatkowa redundancja krytycznych obwodów oraz dedykowane, certyfikowane systemy sterowania palnikami, wymagane często przez przepisy państwowe.

Straty produkcji

Niektóre procesy, jak na przykład produkcja wafli półprzewodnikowych, wymagają bardzo precyzyjnej regulacji temperatury, czasu, pozycjonowania i składu chemicznego. Błąd któregoś z parametrów może skutkować wadami całego wafla, co oznacza stratę produkcji tysięcy procesorów i układów scalonych. W takich przypadkach ponoszone są więc znaczne koszty dla stworzenia odpowiednio precyzyjnych układów regulacyjnych. To samo dotyczy produkcji lekarstw i wyrobów farmaceutycznych. Zamknięte układy regulacji poprawiają bezpieczeństwo pracy i zapobiegają wadom produktów o wysokich kosztach produkcji.

Zgodność produktów z wymaganiami

W gruncie rzeczy czy ma większe znaczenie, jak pachnie ser lub jaki kształt mają cukierki? Czy dostaliście kiedyś torbę z częściami do samodzielnego montażu i kilka śrub lub nakrętek było dodatkowych lub, co gorsza, brakowało kilku części? To przykłady, gdy skutki niedokładnej kontroli nie są zbyt poważne. Zamiast monitorować i dozorować dokładnie cały proces, można zastosować końcową kontrolę jakości lub kontrolę online w postaci inspekcji wizyjnej bądź zważenia zestawu.

Wracając do naszego przykładu ze zbiornikiem wody – jeżeli celem jest jedynie utrzymanie zbiornika napełnionego wodą, można zastosować pojedynczy lub podwójny czujnik dwupołożeniowy poziomu wraz z urządzeniem zegarowym oraz sygnalizatorem statusu pompy i zaworu, dla ustalenia, że w zbiorniku jest woda. Jeżeli w zbiorniku będzie zbyt dużo lub zbyt mało wody, zostanie uruchomiony alarm i technik będzie mógł usunąć powstałą usterkę. To bardziej ekonomiczne rozwiązanie niż użycie tensometrów, przetworników pomiarowych i innych urządzeń analogowych dla zapewnienia dokładnego poziomu wody w zbiorniku. Oprócz tego pierwsze rozwiązanie wymaga niewielkiej obsługi serwisowej, gdyż urządzenia dyskretne nie potrzebują kalibracji.

Większość układów regulacji pracuje jednak w ten czy inny sposób w pętlach zamkniętych. Jeżeli element transportowany na przenośniku „przejedzie” pod czujnikiem na swojej drodze do działu montażu, ale nie dotrze tam w odpowiednim czasie, urządzenie zegarowe z oprogramowaniem specjalistycznym poinformuje operatora, że element zablokował się gdzieś po drodze lub spadł z przenośnika przed dotarciem do linii montażowej.

W procesach, w których istotna jest regulacja takich parametrów, jak ciśnienie, poziom czy temperatura, i są one wykorzystywane w różny sposób do prowadzenia procesu, niekiedy nie ma innej możliwości, niż regulowanie ich w sposób analogowy. Wymaga to zwykle wykorzystania algorytmów sterowania takich jak PID lub pochodnych. Przetworniki pomiarowe, siłowniki i karty I/O regulatora będą jednak bardziej kosztowne niż wejścia/wyjścia cyfrowe, wymagana również będzie kalibracja urządzeń pomiarowych.

Frank Lamb jest założycielem Automation Consulting LLC.