Sprzężenie zwrotne a skuteczność układów sterowania

Zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego w układach sterowania za pomocą odpowiednich czujników poprawia wydajność sprzętu i procesu technologicznego. W każdej aplikacji należy zidentyfikować obszary, w których sprzężenie zwrotne może poprawić i zoptymalizować pracę maszyn i sterowanie procesem technologicznym. Istotny jest również staranny dobór układów sterowania i czujników spośród dostępnych na aplikacji oraz zaprogramowanie każdej pętli poprawnymi parametrami.
Zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego poprawia działanie układu sterowania, pomiary i monitorowanie procesów pakowania, innych procesów technologicznych oraz działanie parku maszynowego. Sprawdzenie aktualnego stanu wyjścia i wyregulowanie wyjść sterowanych pomaga maszynom w automatycznej adaptacji do zmieniających się warunków. Układy otwarte (z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego), choć początkowo po implementacji, są tańsze i pozwalają zaoszczędzić na kosztach, jednak prawie zawsze w trakcie eksploatacji okazują się mniej wydajne i charakteryzują się ograniczoną powtarzalnością operacji, co ostatecznie skutkuje wyższymi kosztami całkowitymi dla właściciela.
Pętle sprzężenia zwrotnego mogą być konfigurowane na wiele różnych sposobów, jednak wszystkie onemają tę samą charakterystykę podstawową. Sygnał wyjściowy z regulatora steruje urządzeniem, które z kolei oddziałuje na regulowaną wielkość zmienną. Wartość tej zmiennej jest mierzona i dostarczana do regulatora jako sygnał sprzężenia zwrotnego. Regulator porównuje oczekiwaną wartość zmiennej z mierzoną, aby wyznaczyć błąd (uchyb regulacji) i dostraja swój sygnał wyjściowy tak, aby zminimalizować ten błąd, tworząc układ zamknięty (o zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego). Stanowi to różnicę w stosunku do układu otwartego, gdzie nie ma żadnych pomiarów regulowanej wartości zmiennej, co zmusza regulator do działania „na ślepo”.
Zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego w procesie technologicznym ma liczne zalety. Analiza wybranych przykładów praktycznych może pomóc w zilustrowaniu podstawowych technik projektowych dla tego typu układów sterowania. Podane w artykule wskazówki i techniki dotyczące instalacji poprawiają regulację w układzie zamkniętym w nowych i istniejących już aplikacjach układów sprzężenia zwrotnego. Sterowanie napędami w układzie zamkniętym jest bardziej złożone.
Zamykanie pętli sprzężenia zwrotnego
Proste systemy z dyskretnym sprzężeniem zwrotnym, takie jak czujniki położenia krańcowego tłoków w siłownikach pneumatycznych lub użycie sygnałów dyskretnej synchronizacji pomiędzy sprzętem, zamiast układów czasowych sterujących wyjściem regulatora, poprawiają sterowanie i monitoring maszyn. Tak samo jest z prawidłowo zaprojektowanym sprzężeniem zwrotnym w układzie zamkniętym sterującym procesem technologicznym.
Sterowanie w układzie zamkniętym – obejmujące pomiary, obliczenia i korektę nastaw – znajduje się w programach studiów inżynierskich na całym świecie. Szczegółowo studiowane są transformacje Laplace’a i związane z nimi funkcje, co ma na celu wyjaśnienie działania i poprawę regulacji w układzie zamkniętym. Charakterystyki i zalety układów zamkniętych są dobrze udokumentowane, ale technika regulacji w układzie zamkniętym wykracza poza teorię, gdyż zawiera także informacje dotyczące identyfikacji zalet sprzężenia zwrotnego i jego praktycznego zastosowania, szczególnie w pracy maszyn i procesach technologicznych.
Zalety sprzężenia zwrotnego
Wykorzystanie sprzężenia zwrotnego w układach zamkniętych poprawia regulację przez automatyczne dostrajanie sygnału wyjściowego regulatora tak, aby zredukować uchyb regulacji. Pozwala to na ograniczenie skutków zakłóceń dynamicznych. Ponadto sprzężenie zwrotne zwiększa poziom stabilności w procesach niestabilnych, zapewniając powtarzalną i niezawodną pętlę sterowania.
Wiele procesów przez lata było ręcznie „dostrajanych” przez operatorów, którzy dokonywali nastaw sygnałów wyjściowych regulatorów, aby zredukować błąd regulacji. Za pomocą dzisiejszej technologii czujników i regulatorów wiele z tych układów otwartych może wykorzystać sprzężenie zwrotne i regulator, aby poprawić swoje działanie.
Zredukowanie zaangażowania człowieka w układach zamkniętych w wielkim stopniu redukuje zmiany w procesie technologicznym i pozwala na stałe ulepszanie, ponieważ parametry układu zamkniętego mogą być w sposób ciągły nastawiane tak, aby zoptymalizować regulację. Nastawy te mogą być wykonywane automatycznie przez różne algorytmy programowe i programy poprawiające działanie pętli lub ręcznie przez doświadczonych operatorów. W wielu przypadkach w praktyce łączy się te dwie wspomniane metody: operatorzy weryfikują zmiany nastaw proponowane przez oprogramowanie i ostatecznie decydują o ich wprowadzeniu do systemu, biorąc pod uwagę również subiektywne granice rozsądku, w oparciu o własną wiedzę i doświadczenie.
Zastosowanie sprzężenia zwrotnego w operacjach trwających 24 godz. na dobę, przez 7 dni w tygodniu może zredukować zmiany w procesie technologicznym i te, które mogą wystąpić, gdy do pracy przychodzą operatorzy z następnej zmiany, którzy dokonują swoich własnych nastaw w ręcznej pętli regulacji. Ponadto może to zredukować liczbę potrzebnych operatorów lub pozwolić operatorom i innemu personelowi fabryki skoncentrować się na innych sprawach, takich jak optymalizacja działań.
Projektowanie zamkniętych układów sterowania
Wiele typów urządzeń pracujących w układzie zamkniętym może pomóc w dopasowaniu parametrów wyjściowych do wartości pożądanych przy sterowaniu procesem technologicznym i pomiarach. Czujniki sprzężenia zwrotnego mierzą wiele wielkości zmiennych, takich jak temperatura, przepływ, ciśnienie, poziom, masa i położenie. Każda ze zmiennych może być wykrywana lub mierzona za pomocą różnych przetworników, transmiterów i czujników. Ponieważ istnieje tak wiele różnych możliwości, urządzenie ze sprzężeniem zwrotnym musi być starannie dobrane.
Przy doborze prawidłowego czujnika sprzężenia zwrotnego może okazać się pomocna następująca lista kontrolna:

  • dostateczny zakres pomiarowy,
  • odpowiednia dla aplikacji dokładność i rozdzielczość czujników,
  • standaryzowane typy sygnałów
  • 4-20 mA,
  • rozważenie zastosowania czujników cyfrowych lub inteligentnych,
  • ocena negatywnego wpływu środowiska pracy,
  • zaprojektowanie systemów z technikami uszkodzenia w kierunku bezpiecznym i redundancyjnymi, tam, gdzie jest to konieczne,
  • zapewnienie, że odpowiedź dynamiczna jest odpowiednia.

Po wybraniu typu czujnika, np. temperatury, czynnikiem decydującym o wyborze konkretnego modelu jest zakres pomiarowy. Ważne jest, aby zostawić wystarczający zapas na niespodziewane zmiany lub ulepszenia technologiczne, ale nie przesadzać, ponieważ wpłynie to negatywnie na dokładność, zwiększy koszty albo nastąpi jedno i drugie. Po prawidłowym doborze zakresu pomiarowego czujnika, w następnej kolejności pod uwagę wziąć należy pozostałe parametry techniczne. Dokładność i rozdzielczość czujnika sprzężenia zwrotnego to inne istotne parametry, które należy starannie rozważyć, zarówno gdy element pomiarowy jest częścią transmitera, jak również gdy zastosowano przetwornik sygnału.
Rozważania dotyczące czujników
Istnieją dwa główne typy czujników – analogowe oraz cyfrowe, zwane także inteligentnymi.
Przy użyciu czujnika analogowego musi być rozważona rozdzielczość sygnału wyjściowego czujnika i odpowiadająca jej rozdzielczość sygnału wejściowego regulatora. Zawsze gdy jest to możliwe, najlepiej trzymać się powszechnie stosowanej rozdzielczości 12-bitowej, ponieważ obniża to koszty i promuje standaryzację. Przejście na czujniki i wejścia o wyższej rozdzielczości, 16- lub 20-bitowe, jest możliwe, jednak często niepotrzebne.
W rzeczywistości w przypadkach, w których potrzebna jest wyższa rozdzielczość, często najlepiej jest zastosować czujniki cyfrowe lub inteligentne. Urządzenia te łączy się z regulatorem za pomocą cyfrowego łącza danych o wysokiej szybkości i rozdzielczości. Chociaż droższe od swoich analogowych odpowiedników, są one często tańsze od czujników analogowych i kart wejściowycho bardzo wysokiej rozdzielczości. Ale nawet cyfrowe sieci komunikacyjne o dużej szybkości nie mogą konkurować z szybkością sieci analogowych, tak więc pętle wymagające bardzo krótkich czasów odpowiedzi funkcjonują zwykle lepiej przy obsłudze analogowej.
Wymagana rozdzielczość
Jeśli np. w danej aplikacji pracuje transmiter temperatury o zakresie 0100°C i rozdzielczości <0,02°C, to 12-bitowa analogowa karta wejściowa będzie wystarczająca, aby utrzymać pożądaną dokładność. W innym przykładzie transmiter ciśnienia ma rozdzielczość 11-bitową. Podzielenie jego całkowitego zakresu przez 2048 pokazuje zmianę ciśnienia, wymaganą do zobaczenia odpowiadającej jej zmiany analogowego sygnału wyjściowego transmitera. W popularnym przetworniku ciśnienia o zakresie od 0 do 7 barów mamy 7/2048 = 0,0034 bara, tak więc przetwornik ten zmieni swój sygnał wyjściowy o jeden krok przy każdej zmianie ciśnienia o 0,0034 bara. Ten poziom rozdzielczości jest odpowiedni dla większości aplikacji, szczególnie biorąc pod uwagę łączne kaprysy układu pomiarów i regulacji w systemie.
Jeśli obecnych jest wiele urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym, sygnały wyjściowe sprzężeń powinny pozostać spójne wszędzie tam, gdzie to możliwe. Pomieszanie termoelementów 4-20 mA, 0-20 mA, 05 VDC, 010 VDC, +/-10 VDC oraz sygnałów z rezystancyjnych czujników temperatury RTD może zwiększyć złożoność układu sterowania. Sygnały wyjściowe sprzężenia zwrotnego mogą być określone na wspólnym poziomie sygnałowym, takim jak 4-20 mA, lub można użyć dodatkowych urządzeń do konwersji innych sygnałów na standardowy 4-20 mA.
Określenie odpowiedniego urządzenia sprzężenia zwrotnego dla danego środowiska jest ważnym elementem projektowania. Agresywne chemikalia mogą szybko uszkodzić nieprawidłowo dobrane urządzenia, a żrące płyny i gazy przyspieszą pogorszenie działania standardowych urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym. Dobrą praktyką jest dobór urządzenia ze sprzężeniem zwrotnym, posługując się tabelami odporności chemicznej, wraz z zasięganiem informacji od dobrze poinformowanych dostawców i porównywaniem danych z własnym środowiskiem fabrycznym. Np. urządzenie posiadające stopień ochrony NEMA 4X będzie odpowiednie do zastosowań w obszarach na zewnątrz, podanych przez NEMA.
Przy najważniejszym procesie technologicznym sprzężenie zwrotne musi być zaadresowane i starannie określone; często potrzebne są techniki uszkodzenia w kierunku bezpiecznym (ang. fail-safe) i redundancyjne sprzężenia zwrotnego. Jeżeli maszyna musi kontynuować pracę lub proces technologiczny musi być kontynuowany, gdy coś się nie powiedzie, powinny być rozważone systemy zapasowe (ang. backup) lub duplikujące metody regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Tak samo maszyna lub proces technologiczny muszą być zatrzymane, gdy wystąpi awaria. Powinna zostać przeanalizowana odpowiedź dynamiczna lub czas odpowiedzi sygnału. W większości zastosowań dobrze sprawdza się typowa odpowiedź dynamiczna 0,5 s, osiągająca 50% pełnej skali zmian. Niektóre czujniki mogą być wolniejsze lub szybsze pod względem odpowiedzi, co ma wpływ na działanie pętli sprzężenia zwrotnego. Wolniejsza zmiana dynamiczna może poprawić płynność działania i stabilność układu, natomiast zbyt szybka odpowiedź może spowodować niestabilność pętli.
Sprzężenie zwrotne w praktyce
Niektórzy decydenci oszczędzają na czujnikach, aby obniżyć koszty początkowe, często zaniedbując długoterminowe zyski ze sterowania w układzie zamkniętym. Realnymi zyskami z zastosowania sprzężenia zwrotnego w układach sterowania jest poprawa wydajności i redukcja odpadów technologicznych, chociaż są one trudniejsze do oszacowania od kosztów początkowych. Muszą jednak być starannie obliczone i rozważone.
Przy zastosowaniu prawidłowego sprzężenia zwrotnego możliwa jest poprawa dokładności i podwyższenie jakości. Utrzymanie stałego, trwałego ciśnienia produktu w leju samowyładowczym maszyny pakującej osiągane jest za pomocą czujników sprzężenia zwrotnego i jest prostym rozwiązaniem poprawiającym dokładność. Zapewnienie stałego i regulowanego dostarczania składników poprawia jakość produktu. Staranna, automatyczna regulacja dostarczania materiału redukuje rozlewanie (rozsypywanie) i zwiększa wydajność, a wymagane zmiany są umożliwiane automatycznie przez prawidłowe sprzężenie zwrotne i prawidłowy projekt regulacji w układzie zamkniętym.
Programowalny sterownik logiczny (ang. Programmable Logic Controller – PLC) lub programowalny sterownik automatyki (ang. Programmable Automation Controller – PAC) to moduły, w oparciu o które realizuje się logikę w wielu układach zamkniętych. Dostarczają też liczne i rozbudowane opcje konfiguracyjne. Przekaźniki inteligentne i tanie sterowniki PLC można konfigurować tak, aby programowo odpowiadały na sprzężenie zwrotne. Sterowanie czasem włączania i wyłączania stycznika zasilającego element grzejny jest przykładem prostej regulacji w układzie zamkniętym. Chociaż ten typ sprzężenia zwrotnego i sterowania działa w wielu zastosowaniach, nie odpowiada on na zakłócenia wejściowe tak dobrze, jak bardziej rozbudowane układy, takie jak regulatory proporcjonalno-różniczkująco-całkujące (PID) lub zaawansowane metody regulacji.
Sterowniki PLC najwyższej klasy
Mają one wbudowaną regulację PID, co zapewnia znacznie wyższy poziom regulacji, szczególnie gdy parametry PID zostały nastawione poprawnie. Generalnie sygnał wyjściowy regulatora PID jest wysyłany do kanału wyjścia analogowego lub może być użyty jako proporcja czasowa na wyjściu dyskretnym. Przy regulacji analogowej sygnał wyjściowy może być także użyty jako ustalony punkt dla innej pętli w regulacji kaskadowej.
Przy projektowaniu układu regulacji należy wziąć pod uwagę fakt, że sprzężenie zwrotne i układy zamknięte mogą w bardzo dużym stopniu poprawić działanie sterowanego urządzenia. Należy zidentyfikować obszary, w których sprzężenie zwrotne może poprawić i zoptymalizować pracę maszyn oraz sterowanie procesem technologicznym. Następnie spośród bogatej oferty rynkowej trzeba starannie dobrać czujniki pomiarowe oraz metodę sterowania procesem i upewnić się, że każda pętla jest zaprogramowana przy użyciu właściwych parametrów. Realizacja tych kroków poprawi pracę maszyn i procesy technologiczne, zredukuje wymagania dotyczące siły roboczej oraz zwiększy jakość wyrobów.
Autor: Bill Dehner jest pracownikiem firmy AutomationDirect.
Artykuł zredagowany przez Marka T. Hoske, Content Managera w „Control Engineering”.