Sterowanie hydrauliką siłową

Schemat wysokociśnieniowej prasy hydraulicznej. System ma sprzężenie zwrotne od położenia tłoka, realizowane przez magnetostrykcyjny przetwornik położenia MDT, zainstalowany na stronie wysokiego ciśnienia tłoka, oraz drugie sprzężenie zwrotne od różnicy ciśnień (siły), realizowane przez dwa przetworniki ciśnienia zainstalowane na dwóch krańcach tłoka. Regulacja przepływu oleju jest realizowana przez proporcjonalny zawór regulacyjny. Regulator ruchu jest zaprogramowany tak, aby płynnie przełączał rodzaj regulacji ruchu tłoka z otwartego na zamknięty, gdy tylko koniec tłoka dotknie obrabianej części, a następnie przełączał z powrotem na układ otwarty, gdy tłok jest wycofywany z obszaru pracy.

Aplikacje hydrauliczne bywają bardzo skomplikowane. Wybranie najlepszego dla nich rodzaju sterowania – w otwartej lub zamkniętej pętli regulacyjnej – jest prawdziwą sztuką. Jak to w życiu bywa, oba rozwiązania mają bowiem swoje wady i zalety.

Aplikacje sterowania systemami pneumatycznymi lub hydraulicznymi (zasilanymi powietrzem lub olejem) stwarzają wiele problemów z uwagi na nieliniowe zachowania stosowanych mediów. Wybór między otwartym a zamkniętym układem regulacji sprowadza się do odpowiedzi na pytanie, na ile zastosowanie sprzężenia zwrotnego jest istotne dla rozpatrywanej aplikacji.

Zastosowanie sprzężenia zwrotnego zapewnia płynne i dokładne ruchy sterowanych urządzeń, wymaga jednak użycia dedykowanego regulatora, który może w pełni wykorzystać informacje płynące ze sprzężenia zwrotnego. Układy otwarte wymagają prostszej konfiguracji i programowania niż układy zamknięte, ale za to nie mają takiej elastyczności i dokładności działania jak układy zamknięte. Decyzja o wyborze rodzaju sterowania zależy od konkretnej aplikacji i oczekiwanych wymagań.

Otwarte układy regulacji

Gdy precyzyjne pozycjonowanie lub dokładna prędkość ruchu elementów wykonawczych nie są krytyczne, w wielu aplikacjach wykorzystuje się otwarte układy regulacji. W układach otwartych nie reguluje się aktualnej prędkości ruchu ani ciśnienia czy sił występujących w obwodach hydraulicznych do wartości żądanych. Zadaniem nadrzędnym jest osiągnięcie określonego punktu w przestrzeni przez stosowane narzędzie, przy czym nie ma znaczenia, w jaki sposób punkt ten zostanie osiągnięty.

Często układy otwarte są stosowane również wówczas, gdy istotna jest określona prędkość ruchu, a nie precyzyjne pozycjonowanie elementu wykonawczego, jak na przykład wycofanie narzędzia skrawającego po wykonaniu konkretnej operacji lub wstępne ustawienie narzędzia przed następną operacją skrawania. Siłownik w tym przypadku może zmienić prędkość ruchu narzędzia w zależności od zmiennego obciążenia lub zmian ciśnienia hydraulicznego bądź temperatury.

Układy otwarte nie są całkowicie pozbawione sprzężenia zwrotnego. Mogą być wyposażone w sygnalizatory graniczne, fotokomórki lub presostaty dla określenia, w którym miejscu powinien zakończyć się ruch siłownika, bądź dla określenia maksymalnego ciśnienia pracy. Do realizacji układu opartego na sterowaniu dwupołożeniowym on/off nie jest zwykle wymagany specjalistyczny regulator ruchu, ale doskonale można wykorzystać urządzenia standardowe jak sterowniki PLC. Zastosowanie sygnalizatorów granicznych, które muszą być zamontowane w ściśle określonych miejscach, stwarza problemy związane z koniecznością ich przesuwania w przypadku zmian na produkcji, związanych np. ze zmianą gabarytów produktów.

Układy otwarte powinny być również stosowane na etapie konfigurowania systemów hydraulicznych, podczas kontrolowania zaworów hydraulicznych, sprawdzania polaryzacji przewodów elektrycznych, ustawiania sygnalizatorów granicznych, sprawdzania liniowości zaworów czy płynności ruchu mechanizmów.

Zamknięte układy regulacji

Aplikacje wymagające śledzenia toru ruchu, synchronizacji z innymi urządzeniami, pozycjonowania ruchu względem różnych osi oraz takie, które wymagają dużej elastyczności lub dokładnej regulacji prędkości, muszą być realizowane jako zamknięte pętle regulacji. Dotyczy to również aplikacji wymagających precyzyjnego pozycjonowania przy zmiennym obciążeniu bądź dużym wpływie warunków otoczenia.

Układy zamknięte mogą być realizowane w różnym stopniu złożoności, zależnie od potrzeb konkretnej aplikacji. Niektóre proste regulatory realizują jedynie regulację proporcjonalną, gdzie wyjście regulatora zmienia się proporcjonalnie do różnicy między żądanymi a aktualnymi wartościami temperatury, przepływu, pozycji, prędkości czy ciśnienia. Oznaczenie „P” w algorytmie PID (Proportional-Integral-Derivative) oznacza właśnie regulację proporcjonalną.

Regulacja proporcjonalna sprawdza się w systemach, w których występuje dostatecznie duża siła tarcia zabezpieczająca system przed oscylacjami. Wiele systemów hydraulicznych pracuje jednak w układach podatnych na występowanie drgań. W takich przypadkach zwiększenie wzmocnienia regulatora dla poprawy parametrów ruchu systemu może skutkować znaczącym wzrostem oscylacji całego systemu.

Proporcjonalny system regulacji wymaga wystąpienia uchybu regulacji dla zmiany sygnału wyjściowego sterującego prędkością tłoka. Jeżeli chcemy zmienić prędkość tłoka, to ustawiając nową wartość zadaną, powodujemy zadziałanie systemu z pewnym opóźnieniem.

Dla bardziej precyzyjnego działania regulacji musimy wykorzystać inne człony algorytmu sterowania, przykładowo w celu szybkiej i precyzyjnej realizacji pozycjonowania zwykle niezbędne jest użycie członu całkującego algorytmu regulacji. Nawet niewielka różnica między wartością rzeczywistą a zadaną powoduje, że regulator proporcjonalny teoretycznie zmieni swoje wyjście w kierunku jej zniwelowania. Rzeczywiste warunki na obiekcie odbiegają jednak od tych teoretycznych i występująca w zaworze strefa nieczułości czy znaczne tarcie dynamiczne i statyczne elementów systemu mogą spowodować problemy w osiągnięciu zadanego parametru. Człon całkujący algorytmu sterowania sumuje odchyłki wartości zadanej i regulowanej w czasie, zwiększając wyjście regulatora aż do momentu zadziałania siłownika i zmiany wartości parametru regulowanego.

Człon różniczkujący z kolei wprowadza elektroniczne tłumienie, które zabezpiecza system przed oscylacjami w przypadku pracy z dużymi wzmocnieniami. To, jak skuteczne jest działanie członu różniczkującego, zależy od kilku czynników, takich jak na przykład szybkość zmian wartości parametru mierzonego. Ponieważ człon różniczkowania oddziałuje na wyjście regulatora proporcjonalnie do prędkości zmian różnicy wielkości zadanej i regulowanej, jest niezwykle istotne, aby prędkość ruchu tłoka roboczego była mierzona możliwie precyzyjnie.

Sprzężenie dodatnie w zamkniętych układach regulacji

Efektywność zamkniętego układu regulacji zależy od reakcji regulatora na różnicę między wartością zadaną a regulowaną. Ograniczenia regulatora PID polegają jednak na tym, że do jego działania niezbędne jest wystąpienie nawet najmniejszej różnicy między tymi dwoma wielkościami. Dla wielu aplikacji nie stanowi to problemu, jednak dla regulacji bardzo precyzyjnych i zagwarantowania płynnego ruchu jakość regulacji może być zwiększona przez oszacowanie niezbędnych zmian na wyjściu regulatora, zanim wartość parametru mierzonego się zmieni. W tym przypadku mówimy o zastosowaniu dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Odmiennie od algorytmu PID, który oddziałuje na różnice wielkości zadanej i regulowanej, sygnał sprzężenia dodatniego jest mnożony przez prędkość oraz przyspieszenie tłoka i dodawany do wartości zadanej dla uzyskania stosownego sygnału wyjściowego.

Sprzężenie dodatnie działa więc w rzeczywistości jak otwarty układ regulacji z działaniem predykcyjnym. Układy takie są szczególnie przydatne w systemach hydraulicznych, co jest związane z odmiennymi własnościami fizycznymi płynów w obszarach ich wysokiego i niskiego ciśnienia, występujących po przeciwnych stronach tłoka roboczego. Różne parametry regulacyjne są stosowane w takich przypadkach dla osiągnięcia założonej prędkości i przyspieszeń tłoka w przeciwnych kierunkach ruchu.

W teorii, jeśli człon predykcyjny jest skonfigurowany poprawnie, nie powinien wnosić żadnych błędów w czasie ruchu systemu. Rzeczywistość jest jednak odmienna.

Biorąc pod uwagę stabilność całego systemu, celem jest takie sterowanie predykcyjne, które zapewnia prawidłową regulację ruchem w obszarze 90–95% jego zakresu. Pozostałe 5–10% zakresu ruchu może być kontrolowane przez algorytm PID korygujący występujące uchyby regulacji.

Wykorzystanie programowalnych regulatorów, oprócz zapewnienia precyzyjnej regulacji ruchu, ma też inne zalety, jak łatwość zmian parametrów systemu i dostosowanie ich do wymagań produkcyjnych. W przypadku zmian asortymentu produkcji nowe zakresy pracy siłowników mogą być wprowadzane bez żadnych ograniczeń przy pomocy Ethernetu z systemów nadrzędnych.

Bardziej precyzyjna regulacja za pomocą dedykowanych regulatorów ruchu gwarantuje płynną zmianę prędkości ruchu, redukuje wstrząsy i wibracje maszyn, co przekłada się na zmniejszone koszty utrzymania ruchu i przedłużenie czasu ich eksploatacji. Wiąże się także z poprawą jakości i unifikacji produkowanych wyrobów.

Gdy tłok w cylindrze przemieści się zbyt gwałtownie (np. na skutek nagłego spadku jego obciążenia), może dojść do groźnego zjawiska zwanego kawitacją. Jeżeli zjawisko to występuje często, na przykład ze względu na naturę prowadzonego procesu, lepszym rozwiązaniem dla ograniczenia wpływu sprzężenia zwrotnego będzie zastosowanie otwartego układu regulacji z ograniczeniem ciśnienia lub działającej siły.

Połączona regulacja w otwartej i zamkniętej pętli

Otwarte i zamknięte układy regulacji są niekiedy stosowane wspólnie na jednej maszynie technologicznej i obsługują różne cykle produkcji. Na przykład układ otwarty regulacji może sterować ruchem otwierania prasy hydraulicznej, aby można było wyjąć z niej wykonane przedmioty. Regulacja pracy maszyny może być znacznie uproszczona, gdyż precyzyjnych nastaw wymaga wówczas tylko ruch roboczy – ruch powrotny sterowany układem otwartym nie wymaga precyzyjnego strojenia.

Nie zapomnieć o komponentach

Wybór pomiędzy otwartymi a zamkniętymi układami regulacji systemów hydraulicznych ostatecznie zależy od wymagań konkretnych aplikacji. Przy zastosowaniu dedykowanych regulatorów ruchu, które umożliwiają przełączanie pomiędzy obiema opcjami regulacji, możliwe jest wykorzystanie zalet obu rozwiązań.

Należy jednak podkreślić, że nawet najlepszy regulator ruchu nie skompensuje braków słabego projektu lub niewłaściwego doboru urządzeń i komponentów, takich jak silniki, zawory lub przetworniki, niezbędne do realizacji zamkniętych układów regulacji.

Bill Savela jest dyrektorem marketingu w Delta Computer Systems Inc.