Zaawansowana technika regulacji: „Odprzęganie”

Jeżeli proces przemysłowy zawiera wiele parametrów regulowanych, wpływających wzajemnie na siebie, to dla lepszego funkcjonowania automatyki konieczne jest odseparowanie od siebie obwodów regulacyjnych.
Regulacja kaskadowa z wyprzedzeniem stara się odciąć regulowaną wielkość od wpływów, które mogłyby do niej wprowadzić zakłócenia. W przypadku gdy automatyzowany proces zawiera wiele regulowanych parametrów (wielkości) i rozmaite obwody wzajemnie wywierają na siebie wpływ, może stać się konieczne zastosowanie systemu wzajemnych odseparowań każdego obwodu regulacyjnego od pozostałych. Taki rodzaj rozwiązania jest określany terminem regulacji odprzęganej.
Schemat odprzęgniętego układu 

Rys. 1. Schemat odprzęgniętego układu automatyki ukazuje, jak regulacja natężenia przepływu jednego składnika produktu reakcji wpływa na wartość zadaną w obwodzie regulacyjnym drugiego składnika
Regulacja odprzęgana 
Układ automatyki reaktora (został omówiony w czerwcowym numerze CE Polska), stosujący regulację kaskadową z wyprzedzeniem, próbuje oddzielić temperaturę produktu od zmian natężenia przepływu produktu oraz od zmian w zawartości składników. Niemniej pozostają wciąż dwa zasadnicze pytania dotyczące procesu w reaktorze:

  • Co jest niezbędne dla obwodu regulacji składu produktu, aby nie poddawał się on wpływom zmian w natężeniu przepływu produktu?
  • Co jest konieczne obwodowi regulacji natężenia przepływu produktu, aby nie ulegał wpływom zmian w proporcji składników w produkcie? Odpowiedź na te pytania jest punktem wyjścia do systemu odprzęgniętej regulacji, w którym zastosuje się dwa wskazania sformułowane poniżej:
  • Jeśli dokonujemy zmiany w natężenia przepływu składnika B w celu utrzymania poprawnego stosunku składników, to system musi jednocześnie odpowiednio zmienić natężenia przepływu składnika A (aby nie zmieniać wydajności).
  • Jeżeli dokonujemy korekty w natężeniu przepływu składnika A w celu utrzymania natężenia przepływu produktu w wymaganych granicach, nasz system powinien jednocześnie tak skorygować natężenia przepływu składnika B, aby utrzymać niezmieniony skład produktu (stosunek Ado B).

Rysunek 1. przedstawia przykład schematu odprzęganej regulacji dla dwóch obwodów: regulacji natężenia przepływu produktu i regulacji proporcji składników w produkcie. Przy takiej konfiguracji obwodów regulacyjnych pomiar natężenia przepływu każdego ze składników dokonuje korekty w sygnale ustawiającym wartość zadaną drugiego obwodu zgodnie z opisanymi wskazaniami.
Zmodyfikowany schemat automatyki reaktora

Rys. 2. Ten schemat automatyki reaktora zapewnia pełne rozprzężenie wszystkich obwodów regulacyjnych od siebie
Wdrożenie
Na rysunku 2. widzimy całkowicie odprzęgnięty pełny schemat układu automatyki procesu w reaktorze. W takim układzie każdy obwód regulacyjny jest całkowicie uwolniony od zakłóceń spowodowanych przez obwody regulujące inne parametry procesu. W związku z tym, że tylko natężenie przepływu pary nie jest zakłócane przez zmiany w natężeniu przepływu bądź w składzie produktu, to też nie ma potrzeby separowania tego obwodu od innych. Wdrożenie i wykorzystanie takiej budowy układu automatyki wymaga jednak sprecyzowania wielu zagadnień o kluczowym charakterze.
1. Zewnętrzne, zintegrowane sprzężenie zwrotne. Akcja całkująca regulatora wymaga sprzężenia zwrotnego. Można go brać od sygnału wyjściowego z regulatora i w wielu regulatorach jest to wewnętrznie zrealizowane. Takie rozwiązanie jest nawet przejrzystsze dla użytkownika. Jednak takie sprzężenie ogranicza działanie regulatora do pojedynczego obwodu. W przeciwieństwie do tego – rozwiązania techniczne o większej możliwości przetwarzania przyjmują zewnętrzny, zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego do swojego algorytmu regulacyjnego PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującego). Ten zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego zapewnia ochronę przed występowaniem impulsowego skoku lub rozkołysaniem sygnału sterującego z regulatora do obiektu, jaki występuje w regulacji kaskadowej i pozwala na bardziej zaawansowane prowadzenie czynności regulacyjnych, takich jak: automatyczne dostrajanie regulatora, algorytmy wyprzedzające czy odprzęgnięta regulacja. Jest przy tym oczywiste, że zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego musi swoją wartość utrzymywać w zakresie wartości sygnałów regulatora.
Aby uzyskać najlepszą korzyść z zewnętrznego zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego, powinien on pochodzić od niższego poziomu w układzie automatyki. W przypadku regulacji kaskadowej wartość zadana dla regulatora nadążnego (bezpośrednio sterującego np. zaworem regulacyjnym) jest sygnałem wyjściowym z regulatora nadrzędnego. Jednak dla bardziej złożonego układu automatyki zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego bardzo często musi być wyliczany z całego szeregu wartości. Tak też jest w systemie odprzęganej regulacji. Dla realizacji tego celu tworzona jest formuła wyliczania wartości sygnału sprzężenia zwrotnego. Dla przypadku regulacji temperatury produktu arytmetyczne zależności ilustrują rysunki 3. i 4. poprzedniego artykułu z tego cyklu. Tam też jest sformułowane równanie określające zależności między sygnałami, przy czym wiodącym sygnałem sprzężenia zwrotnego jest sygnał wyjściowy z regulatora nadrzędnego. Biorąc to równanie za podstawę, możemy obliczyć wartość zewnętrznego zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego. Będzie to wynik równania:  
Tbc = [Fs/4(Fa + Fb)] + (TaFa + TbFb)/(Fa + Fb); 
 
przy czym:
Tbc – wyliczony, zintegrowany zewnętrzny sygnał sprzężenia zwrotnego,
Fs – natężenie przepływu pary, 
Fa – natężenie przepływu składnika A,
Ta – temperatura składnika A (na wejściu do reaktora),
Fb – natężenie przepływu składnika B,
Tb – temperatura składnika B (na wejściu do reaktora).
Mamy tu do czynienia z dość skomplikowanym przypadkiem. Jego fizyczna realizacja jest pokazana na schemacie (rys. 2.), niemniej wynika z tego wyraźnie, że każdy obiekt regulacji wymaga zastosowania specjalnej dla niego struktury układu automatyki. Jednak wiele algorytmów PID  w regulatorach stwarza możliwość realizacji zarówno regulacji kaskadowej z wyprzedzeniem, jak też regulacji odprzęganej. Do takich należą: regulacja składu produktu oraz regulacja natężenia przepływu produktu. Działania arytmetyczne sumowania i mnożenia wartości sygnałów doprowadzonych do regulatora mogą być zrealizowane wewnątrz regulatora, co powoduje, że regulator dla wygenerowania zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego nie potrzebuje dodatkowych urządzeń i połączeń. Upraszcza to rozwiązanie problemu.
Porównanie standardowej regulacji z zaawansowaną techniką regulacji na przykładzie reagowania na zakłócenia w natężeniu przepływu produktu (wydajności) i w składzie produktu (proporcji składników)

Wartość wskaźnika przetwarzania (Metoda całki z kwadratu uchybu)

Zakłócenia wydajności produktu

Skład produktu

Temperatura

Całkowity

Regulacja standardowa

0,53

0,28

0,81

Zaawansowana technika regulacji

0,015

0,028

0,04

 Zakłócenia składu produktu

Regulacja standardowa

1,79

0,55

2,34

Zaawansowana technika regulacji

1,83

0,08

1,89

Bazując na wartościach podanych w pierwszym artykule tego cyklu (w kwietniu 2005r.) tabelka ukazuje trend zmian w prowadzeniu procesu w reaktorze po zastosowaniu zaawansowanych technik regulacji w porównaniu z klasyczną regulacją
2. Strojenie regulatora. Stosowanie sygnału wiodącego do regulacji z wyprzedzeniem i układu odprzęgniętego zmienia znaczenie sygnału wyjściowego z regulatora. W pojedynczej standardowej kaskadzie sygnał wyjściowy regulatora natężenia przepływu produktu (wiodącego) jest wartością zadaną dla regulatora natężenia przepływu składnika A (wynoszącego Fa). Produkt to suma składników A i B, dlatego oznacza to, że ten sygnał wyjściowy jest reprezentantem obu składników, czyli w jakimś stopniu składnik B zakłóca regulację natężenia przepływu składnika A. Zatem dokonuje się zbędnego wzmocnienia sygnału. Odjęcie od tego sygnału pewnej wartości reprezentującej natężenie przepływu składnika B (Fb) (w węźle sumującym) spowoduje, że wzmocnienie obiektu, odbierane przez regulator, staje się inne, słabsze, ale za to bardziej stabilne w porównaniu do klasycznego obwodu regulacji. I choć widać potrzebę dostrojenia wzmocnienia regulatora, to jednak od tego momentu poprawia się stabilność pracy całego obwodu. 
Regulatory wiodące (w kaskadzie) winny być typowo łagodniej nastawiane (mniejsze wzmocnienie, dłuższe czasy), ponieważ funkcja wyprzedzającego sprzężenia zwrotnego zapewnia lepszą dynamikę odpowiedzi obiektu, zaś „ostre” nastrojenie regulatora nakłada się na oddziaływanie sprzężenia zwrotnego i prowadzi do niespokojnej odpowiedzi obiektu. I odwrotnie, regulatory  w obwodach odprzęgniętych mogą być nastrojone ostrzej, ponieważ nie muszą już sprostać opóźnionym oddziaływaniom zmian innych parametrów regulowanego obiektu. Pozwala to nawet na częste zmiany w wartości zadanej.
3. Bezuderzeniowe przełączanie regulacji „ręczna – automatyczna” (ręczna – R, automatyczna – A). Wprowadzanie techniki bezuderzeniowego przełączania trybu pracy regulatora musi też wywierać nacisk na wyższy poziom funkcjonowania regulatorów wiodących, teraz działających w trybie śledzenia, a nie jak poprzednio, gdy miał on ręcznie nastawiane wartości zadane na miejscu lub  z lokalnej nastawni. W obecnej sytuacji sygnał wyjściowy tego regulatora musi nadążać za zmianami zewnętrznego, zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego. To pozwala na bezuderzeniowe przełączenie A – R za zgodą operatora.
Odpowiedzi na zakłócenia przy zaawansowanej regulacji

Rys. 3. Kształtowanie się odpowiedzi parametrów obiektu na zakłócenia przy zaawansowanej technice regulacji procesu w reaktorze. Linia pomarańczowa w pierwszych dwóch wykresach ilustruje zakłócenie. Wszystkie pozostałe linie są odpowiedziami obiektu na dwa kolejne zakłócenia
Regulacja zaawansowana 
Dla oceny jakości przetwarzania regulatora (lub obwodu) bierzemy pod uwagę te same kryteria, za pomocą których był opisywany przykład z oceny klasycznej regulacji w numerze CE z kwietnia br. Porównanie rezultatów przedstawianej tutaj struktury z klasycznym układem regulacji pokazuje rys. 3. „Wartość wskaźnika przetwarzania” (mała wartość wskaźnika = wyższa jakość regulacji). Ujmując rzecz ogólnie, dane z rysunku ukazują znaczące korzyści, ale też pewne ograniczenia układu zaawansowanej regulacji.
Rozważmy przypadek, gdy zakłóceniem jest zmiana wydajności procesu. Stosując regulację kaskadową z wyprzedzeniem lub metodę odprzęgniętej regulacji, wprowadza się znaczny postęp w stabilność jakości produktu reakcji. Uwidoczniony kierunek zmian wskazuje, że korekta wartości zadanej natężenia przepływu produktu skutkuje bezpośrednią zmianą we wszystkich regulowanych przepływach. Odprzęgnięty układ powoduje, że każda niezbędna korekta natężenia przepływu składnika, czyniona w celu utrzymania stałej proporcji składników w produkcie, natychmiast wywołuje zmianę w natężeniu przepływu pary, kompensując ewentualne zmiany temperatury produktu.
Uzyskane wartości przy zakłóceniu w natężeniu przepływu produktu:

  • wskaźnik przetwarzania dla parametru regulowanego – skład produktu – jest 35-krotnie mniejszy, zaś dla temperatury 10-krotnie mniejszy, przy tym wskaźnik całkowity jest 20-krotnie mniejszy, czyli poprawa o 95%;
  • porównując odpowiedzi obiektu w wahaniach temperatury dla większego i mniejszego przepływu produktu, obecny układ odprzęgniętych obwodów powoduje szybszy powrót do ustalonej wartości.

Z kolei gdy zakłóceniem jest zmiana wartości zadanej składu produktu, też uzyskuje się ogólną poprawę przetwarzania zarówno przy zastosowaniu regulacji z wyprzedzeniem, jak i odprzęgania obwodów. Poprawa jednak jest zdecydowanie mniejsza. Zakłócenie w obwodzie regulacji składu produktu powoduje zmianę natężenia przepływu składnika B, która jest szybko kompensowana przez regulator wydajności (natężenia przepływu produktu). Pojawia się także zmiana w podgrzewaniu produktu, jako rezultat obliczenia korekty wartości zadanej dla regulacji natężenia przepływu pary. W obwodzie regulacji temperatury produktu korzyść osiąga się wyłącznie z bardziej stabilnej regulacji. 
System odprzęgnięty nie poprawia reakcji obiektu nazakłócenie, którym jest zmiana wartości zadanej dla regulacji stosunku składników. Dzieje się tak, dlatego że:

  • wskaźnik przetwarzania dla składu produktu jest w istocie niezmieniony, podczas gdy wskaźnik przetwarzania dla temperatury jest 6-krotnie zmniejszony, co razem daje poprawę ogólnego wskaźnika przetwarzania w przybliżeniu o 20%;
  • ten, prawie niezmieniony, wskaźnik składu produktu nie doprowadził do korekty wartości zadanej dla obwodu regulacji tegoż parametru, bowiem jego charakter jest z natury bardzo stabilny, zaś odseparowanie od obwodu regulacji natężenia przepływu produktu minimalnie oddziałuje na dynamikę odpowiedzi regulatora składu w kierunku zmian wartości zadanej;
  • regulacja natężenia przepływu była zasadniczo niezakłócona, ponieważ ten obwód regulacyjny jest o wiele szybszy w działaniu od obwodu regulacji składu produktu, a zanim zmiana w składzie produktu mogłaby stać się znaczniejsza, regulator wydajności produkcji szybko skompensuje przepływ składnika A.

Generalizując, nie ma potrzeby separowania szybkich obwodów regulacyjnych od znacząco od nich wolniejszych, ponieważ samo proste sprzężenie zwrotne wystarczy do skorygowania sygnału wyjściowego z regulatora.
Problemy dla operatora
Wprowadzenie zaawansowanej techniki regulacji do zakładu jest na ogół uważnie obserwowane przez operatorów. Uruchomienie bardziej skomplikowanego systemu automatyki zmienia ich współdziałanie z takim systemem na wiele sposobów, a mianowicie:
1. Jeśli zastosowane rozwiązanie działa dobrze, układ działa w trybie automatycznym przez większość czasu. Mniejsze są wtedy potrzeby regulacji ręcznej i szybkie dokonanie przejścia do normalnych warunków działania.
2. Operatorzy będą wymagali zrozumienia funkcjonowania zaawansowanych metod regulacji, aby mogli poprawnie interpretować widoczne dla nich zmiany regulowanych parametrów. Przy regulacji z wyprzedzeniem czy też odprzęgniętej, mogą oni widzieć zmiany w parametrach, objawiające się w sposób pośredni, nie tak jasny i zrozumiały jak dotąd.
3. Nowe procedury mogą wymagać ustawienia systemu automatyki na inne niż dotychczas wartości parametrów pracy, na przykład jak po uruchomieniu. Zmieniona budowa układu automatyki wprowadza nowe ostrzeżenia, komunikaty czy sygnały stanu, wynikające z wzajemnego oddziaływania, szczególnie podczas uruchamiania i przełączania trybu pracy. Operator spostrzeże, obrazowane inaczej niż poprzednio, objawy stanu przełączania. 
4. Regulacja z wyprzedzeniem wprowadza wiele nowych pomysłów dostrajania dla dynamicznej kompensacji i wiodącego sygnału sprzężenia zwrotnego. Dotychczasowe wrażenia operatora dotyczące sposobu odpowiedzi obiektu na akcje systemu automatyki mogą być mylące i będą wymagać przewartościowania.
5. Najbardziej znaczące jest to, że zaawansowane techniki regulacji będą wprowadzać większą stabilność warunków prowadzenia procesu produkcyjnego podczas zakłóceń. To może dać sposobność do poprawienia ekonomicznych rezultatów procesu. Jeżeli jednak operatorzy będą postępowali według poprzednich przyzwyczajeń, większość potencjalnych korzyści ekonomicznych pozostanie nieujawniona.
Nie każdy obwód regulacji ma równy wpływ na możliwość podniesienia ekonomicznych efektów produkcji. Najlepsi operatorzy procesu będą w stanie zidentyfikować te obwody, które mogą być źródłem znaczących korzyści ekonomicznych, jeśli są w nich zastosowane zaawansowane metody regulacji. Jeżeli jednak zaawansowana technika jest już obecna w systemie automatyki, operatorzy będą musieli przemyśleć istotne punkty poprawnego prowadzenia procesu i działać jak najbliżej ustalonych granic, przy dużo mniejszym marginesie swobody niż mieli poprzednio.  
Rozważania ekonomiczne
Zaawansowana regulacja jest dość droga, ale najbardziej bliska obszarowi, który może zapewnić znaczącą poprawę stabilności warunków prowadzenia procesu produkcyjnego. Reaktor, będący obiektem omawianym w tej serii artykułów, jest obiektem stosunkowo małym. Ma zaledwie trzy wielkości regulowane, ale i tak cały układ jego automatyki szybko się skomplikuje. Obrazuje to, jakim poważnym wyzwaniem jest budowa i działanie systemu zaawansowanej regulacji większego obiektu. Takie przybliżenie może nie jest zbyt zręczne, ale wykazuje, że technika regulacji o znacznie większych możliwościach przetwarzania i bardziej zbliżona do samego procesu może być i w tych dużych z powodzeniem stosowana.

Produkty

Czujnik poziomu dla lepkich cieczy

Pneumatyczny czujnik poziomu firmy NLS ma minimalną liczbę ruchomych części i jest przeznaczony do długiego, niezawodnego działania (trwałość do ponad 50 tysięcy przełączeń). Zaprojektowany specjalnie do cieczy o dużej lepkości, dla warunków pracy w strefach zagrożonych wybuchem lub też innych, gdzie zastosowanie urządzeń elektrycznych jest utrudnione lub niemożliwe. Wykonany do mocowania na 1/2 calowej rurce z przyłączem G1 do mocowania na szczycie zbiornika. Może być używany do regulacji poziomu przy współpracy z iskrobezpieczną barierą typ ST1, umożliwiającą lokalizację w strefach niebezpiecznych.

Scientific Technologies Inc., www.stiapg.com
 
Wykrywanie kondensatu w instalacjach pary

Pompa kondensatu typ Pivotrol PTF-HP jest napędzana sprężonym powietrzem i zapewnia niezawodne działanie w zakresie ciśnień do 2 MPa. Zbudowana z przeznaczeniem do wykrywania i usuwania kondensatu  z instalacji pary w szybkich, cyklicznych warunkach prowadzenia procesu technologicznego, szczególnie przy podniesionych wartościach ciśnienia i temperatury. Pompa wymaga mniejszych nakładów na utrzymanie, zapewnia małe zużycie energii, zmniejsza straty w wymiennikach ciepła, eliminuje uderzenia wodne, nierówne działanie urządzeń parowych. Urządzenie jest niezależne i samonastawiające się za pomocą mechanicznych elementów regulacyjnych. Nie ma też uszczelnień czy dławic podatnych na mechaniczne uszkodzenie.

Spirax Sarco, www.spiraxsarco.com/pl/

Jeśli zaawansowana regulacja może być użyta w celu przybliżenia procesu do strefy wyższej efektywności ekonomicznej, to może okazać się ekonomicznie najbardziej efektywną. Niezbędne narzędzia oraz funkcje dla wprowadzania zaawansowanych metod regulacji ma typowy system automatyki z rozproszoną inteligencją (DCS), już zainstalowany w wielu zakładach. Rzadziej możemy je spotkać w sterownikach PLC. Zatem zazwyczaj nie musimy kupować nowego sprzętu ani nowych programów. Nawet można stwierdzić, że system zaawansowanego sterowania może zostać wprowadzony i uruchomiony w trybie bezpośredniej pracy istniejącego układu automatyki z obiektem, bez konieczności zatrzymywania produkcji. 
Lew Gordon jest specjalistą podstawowych zastosowań automatyki w firmie Invensys. www.invensys.com