Systemoptimering gjort nemt – Controller-opstartssoftware fra JUMO

Controllere som JUMO IMAGO 500, JUMO DICON 500 og nu den nye JUMO dTRON-serie indeholder et specielt softwareværktøj i opsætningsprogrammet til overvågning og dokumentation af idriftsættelsen, hvilket gør det betydeligt nemmere.

Denne opstartssoftware muliggør visualisering og lagring af analoge og binære signaler, mens systemet optimeres.

Især ved komplekse processer er en visuel præsentation i realtid af de vigtigste procesdata praktisk talt uundværlig for kontrolingeniøren.

Alt, hvad du behøver til systemoptimering, er en af de ovennævnte controllere, en pc eller bærbar computer med opsætningsprogrammet og en interfaceforbindelse via et opsætningskabel med en RS232- eller USB-interface. Denne forbindelse er alligevel nødvendig for opsætningsprogrammeringen og er derfor normalt tilgængelig.

Vigtige indstillinger, såsom frit valg af signaler til visning af de enkelte analoge og binære værdier i instrumentet, zoom, forskellige udskriftsmuligheder, visning eller skjult visning af enkelte kurver, fri skalering og valg af farver, er alle inkluderet i dette softwareværktøj som standard.

Programmets hovedfunktioner omfatter:

• overvågning og dokumentation af indstillings- eller autoindstillingsfasen
• generering af en ændring af indstillingspunktet for at bestemme og registrere reguleringskredsløbets egenskaber på basis af kredsløbets respons
• sammenligning af flere forskellige reguleringskredsløbsresultater ved hjælp af forskellige reguleringsparametre
• en stikprøvekontrol af reguleringskredsløbets kvalitet under produktionsdrift eller ved skift af værktøj
• gemme disse datafiler til hurtig afsendelse pr. e-mail til et ekspertrådgivningshold.

Programmet er ikke kun nyttigt, det giver også mange andre fordele – også økonomiske fordele – i forhold til konventionel proceskontrolovervågning, såsom:

• ingen ekstra optagere eller andet tilbehør kræves til idriftsættelse
• meget kort tid kræves til montering og kabelføring af måleopsætningen
• ingen tilslutning af ekstra måleudstyr til systemet eller de analoge signaler fra controlleren
• betydelig tidsbesparelse takket være det enkle Plug & Play-interfacekabel
• alle vigtige procesdata på et øjeblik
• samtidig dokumentation af system- og/eller idriftsættelsesdata

Startprogram - Driftsvejledning - Eksempel: JUMO IMAGO 500

Generel bemærkning om optimering

Regleringsoptimering (eller -justering) er tilpasningen af controller til en given proces eller reguleringssløjfe. Reguleringsparametrene skal vælges således, at den mest gunstige respons fra reguleringssløjfen opnås under de givne driftsbetingelser. Denne optimale respons kan dog defineres på forskellige måder, f.eks. ved hurtigt at nå sætpunktet med en lille overskridelse eller en noget længere stabiliseringstid uden overskridelse. Hvis det eneste, der forventes af controlleren, er en respons som for en grænsekontakt (uden pulserende drift), er der ikke behov for at finde de optimale indstillinger for proportionalbånd, derivattid eller reset-tid. Kun skiftedifferentialet skal foruddefineres.
I de fleste tilfælde kan controlleren selv bestemme kontrolparametrene gennem selvoptimeringsfunktionen (autotuning), hvis processen tillader selvoptimering. Alternativt kan den optimale parameterindstilling bestemmes »manuelt« gennem eksperimenter og empiriske ligninger (se formlerne i bilaget). Når reguleringsenheder udskiftes, eller ved identiske reguleringsinstallationer, kan reguleringsparametrene også accepteres eller indtastes direkte. Efter en manuel parameterindstilling kan autotuning ikke længere startes, da dette vil overskrive indstillingerne.

Controllers egenskaber/funktionsmåde (definitioner/udvælgelseskriterier)

omvendt: Controllerudgangen Y er større end 0, eller relæet er aktiveret, når procesværdien er mindre end sætpunktet (f.eks. opvarmning).
direkte: Controllerudgangen Y er større end 0, eller relæet er aktiveret, når procesværdien er større end sætpunktet (f.eks. afkøling).

Hvorfor er en 3-trins controller uegnet til aktuator-drev?

Den modulerende controller har ligesom 3-trins controlleren to koblingskontroludgange, som dog er specielt designet til motoriserede aktuatorer, f.eks. til åbning eller lukning. Hvis der kræves et kontinuerligt udgangssignal til 3-trins controlleren for at opretholde et bestemt udgangsniveau, kan vi se, at det elektriske aktuator-drev i tilfælde af den modulerende controller forbliver i den position, der er nået, når der ikke længere er noget signal fra controlleren. Aktuator-drevet kan således forblive 60 % åbent, selvom det ikke betjenes af controlleren i dette øjeblik.

Hvad menes der med digitalt indgangsfilter (dF)?

Det digitale indgangsfilter (dF) tjener til at dæmpe indgangssignalerne og påvirker både indikation og controller. Jo større værdien for »dF« er, desto større er dæmpningen af indgangssignalet. En ekstremt høj eller lav værdi kan have en negativ indflydelse på reguleringskvaliteten. I de fleste tilfælde kan standardindstillingen for »dF« anvendes til drift.

Hvad menes der med 3-trins controller?

3-trins controllere har to udgange, som kan være enten skiftende eller kontinuerlige (relækontakt eller f.eks. 4 - 20 mA). 3-trins controllere bruges, hvis kontrolvariablen skal eller kan påvirkes gennem to aktuatorer med modsatrettet virkning. Dette kan være et klimaskab med en tyristor-effektenhed til den elektriske opvarmning og en magnetventil til afkøling. I dette eksempel ville en 3-trins controller med en kontinuerlig (analog) udgang til opvarmningsfunktionen (controllerudgang 1) og en skifteudgang til kølefunktionen (controllerudgang 2) være det bedste valg. På 3-trins controllere kan parametrene proportionalbånd, reset-tid, derivattid og hysterese, som man kender fra 2-trins controllere, ofte indstilles separat for begge driftsretninger. 3-trins controlleren har desuden parameteren.

Hvad menes der med modulerende controller?

Modulerende controllere har to koblingsudgange og er specielt designet til at betjene aktuatorer, der f.eks. kan åbne eller lukke en klapventil. Aktuatorer/aktuatorer, der kan betjenes: AC-motoraktuatorer, DC-motorer, 3-fasede motoraktuatorer, hydrauliske cylindre med magnetventiler osv.

Hvad menes der med kaskadestyring?

Kaskadestyring kan forbedre styringskvaliteten betydeligt. Dette gælder især for kontrolsløjfens dynamiske virkning, med andre ord overgangen af procesvariablen efter ændringer i sætpunktet eller forstyrrelser.

Eksempel 1: Skematisk opbygning af en kaskade

Chokolade skal opvarmes til vs = 40 °C for at kunne forarbejdes.
Chokoladens temperatur må ingen steder overstige 50 °C (heller ikke tæt på varmeelementet).
Den opvarmes derfor i et vandbad. Der anvendes kaskadestyring for at opnå hurtig stabilisering.
Controller 1 er altid mastercontrolleren, controller 2 altid slaven. Sætpunktet for slavecontrolleren produceres ved udgangskonvertering.
Reguleringsudgangen y1 konverteres til et sætpunkt ved hjælp af enheden for procesværdien x2 (her: 0 - 100 % = 0 - 50 °C).

Hvad menes der med kontakt afstand?

Hvis procesvariablen varierer inden for et fast interval omkring sætpunktet – kontaktintervallet Xsh – er ingen af udgangene aktive. Undtagelse: 3-trins controllere med I- og D-komponenter. Inden for kontaktintervallet er kun den proportionale komponent inaktiv. Dette kontaktinterval er nødvendigt for at forhindre kontinuerlig skift mellem de to manipulerende variabler, f.eks. varme- og køleventiler, når reguleringsvariablen er ustabil. Kontaktintervallet kaldes også ofte dødbåndet. Et for lille dødbånd kan føre til unødvendigt energispild i et anlæg.

Hvad menes der med nulstillingstid?

I-komponenten i controllerens udgangssignal har den virkning, at den kontinuerligt ændrer manipuleringsvariablen, indtil procesværdien har nået sætpunktet. Så længe der er en reguleringsafvigelse, integreres manipuleringsvariablen opad eller nedad. Jo længere reguleringsafvigelsen varer i en controller, jo større er den integrerede virkning på manipuleringsvariablen. Jo større reguleringsafvigelsen er, og jo mindre reset-tiden er, desto mere udtalt (hurtigere) er virkningen af I-komponenten.
I-komponenten sikrer stabilisering af reguleringskredsløbet uden permanent reguleringsafvigelse. Nulstillingstiden er et mål for den effekt, som reguleringsafvigelsens varighed har på reguleringshandlingen. En større reset-tid betyder, at I-komponenten er mindre effektiv og omvendt. Inden for den angivne tid Tn (i sek.) tilføjes ændringen i den manipulerende variabel, der produceres af P-komponenten (xp eller pb), endnu en gang. Der er således et fast forhold mellem P- og I-komponenten. En ændring i P-komponenten (xp) betyder også en ændret tidsrespons ved en konstant værdi for Tn.

Hvad menes der med proportionalbånd (Xp1, Xp2)?

I en rent proportional controller (P-controller) er manipuleringsvariablen (controllerudgang Y) proportional med reguleringsafvigelsen inden for det proportionale bånd (Xp). Controllerens forstærkning kan tilpasses processen ved at ændre det proportionale bånd. Hvis der vælges et smalt proportionalbånd, er en lille afvigelse tilstrækkelig til at opnå 100 % udgang, dvs. forstærkningen øges, når proportionalbåndet (Xp) reduceres. Controllerens reaktion på et smalt proportionalbånd er hurtigere og mere udtalt. Et proportionalbånd, der er for smalt, vil få reguleringskredsløbet til at svinge. Enhver ændring af proportionalbåndet vil også påvirke I- og D-virkningen af en PID-controller i samme omfang.

Hvis proportionalbåndet er indstillet til nul, er controllerens handling ineffektiv. Det betyder, at controlleren udelukkende fungerer som en grænsekontakt. Den valgte hysterese eller koblingsdifferentiale er effektiv, men indstillingerne for derivatetiden og nulstillingsiden tages ikke i betragtning. For alle controllertyper, undtagen 3-trins controlleren (dobbelt sætpunkt), er kun proportionalbåndet Xp1 relevant. Kun for 3-trins controllere er det nødvendigt med separate indstillinger for proportionalbåndet (for begge driftsretninger) (f.eks. Xp1 for opvarmning og Xp2 for køling).

Hvad menes der med skiftende differentiale/hysterese?

Skiftdifferentialet kaldes også hysterese og er kun relevant for switch-controllere med proportionalbånd = 0. For controllere med omvendt driftsretning (f.eks. varmestyring) er standardresponsen som følger: Switchdifferentialet ligger under sætpunktet. Det betyder, at controlleren slukker præcist, når sætpunktet overskrides. Den tænder først igen, når procesværdien er faldet under tændpunktet, som ligger under sætpunktet med skiftdifferentialets størrelse. På reguleringsenheder med direkte driftsretning (f.eks. køling) ligger skiftdifferentialet normalt over sætpunktet. Som for reguleringsenheder med omvendt driftsretning ligger slukpunktet præcist ved sætpunktet. Den tændes dog igen over sætpunktet, forskudt med switchdifferentialets størrelse.

Hvad menes der med aktuatorens slagtid (tt)?

Aktuatorens slagtid er en variabel, der leveres af aktuatorens drev, og er derfor kun relevant for modulerende regulatorer eller proportionale (kontinuerlige) controllere med integreret aktuatorstyring. Den tid, det tager for aktuatorens drev at bevæge sig én gang gennem det fulde anvendelige manipulationsområde, indstilles under aktuatorens slagtid. Aktuatorens slagtid kan ikke bestemmes ved selvoptimering (autotuning). Den skal altid indstilles før optimeringen. Aktuatorens slagtid giver regulatoren information om effekten af aktiveringsimpulserne. Ved en aktuatorens slagtid på 20 sekunder er den procentvise ændring i manipuleringsvariablen ved samme aktiveringsimpuls f.eks. betydeligt større end for en aktuator med en slagtid på 100 sekunder.
Ved valg eller dimensionering af aktuatorer skal det tages i betragtning, at en kort slagtid på f.eks. mindre end 10 sekunder vil resultere i store trin i manipuleringsvariablen og dermed en reduceret reguleringsnøjagtighed. Hvis vi f.eks. antager, at 0,5 sekunder er den korteste aktiveringsimpulstid, vil en slagtid på 10 sekunder kun resultere i 20 aktiveringstrin. Dette vil betyde, at manipuleringsvariablen kun kan ændres i trin på 5 %. Aktuatorer med en meget lang slagtid kan dog være ugunstige med hensyn til dynamikken, fordi manipuleringsvariablen kun kan ændres relativt langsomt ved hjælp af reguleringen. I praksis opstår der dog oftere problemer som følge af for korte slagtider end som følge af for lange slagtider.

Hvad menes der med proportional controller med integreret aktuator driver?

Den korte betegnelse «aktiveringscontroller» bruges til at beskrive en «proportional controller med integreret aktuatorstyring». I modsætning til den modulerende controller er et aktuator-feedbacksignal afgørende for den aktiverende controller. Den aktiverende controller styrer motoriserede aktuators bevægelse med eller mod uret via 2 skifteudgange. Motoriserede aktuators position registreres og sammenlignes med den manipulerende variabel (yR) fra den proportionale controller.

Hvad menes der med afledt tid?

Intensiteten af D-komponenten (differentialkomponenten) kan indstilles via derivatetiden. D-komponenten i en controller med PID- eller PD-funktion reagerer på ændringshastigheden af procesværdien. Når indstillingspunktet nærmer sig, fungerer D-komponenten som en bremse og forhindrer dermed, at kontrolvariablen overskrider indstillingspunktet. Grundlæggende har D-komponenten følgende virkninger: Så snart kontrolvariablen ændres, reagerer D-komponenten mod denne ændring. For en controller med omvendt virkningsretning (dvs. til opvarmning) vil dette f.eks. betyde

• Hvis kontrolvariablen falder som følge af en forstyrrelse i processen, danner D-komponenten en positiv manipulerende variabel, som modvirker reduktionen i kontrolvariablen.
• Hvis kontrolvariablen stiger som følge af en forstyrrelse i processen, danner D-komponenten en negativ manipulerende variabel, som modvirker stigningen i kontrolvariablen.
• Dæmpningsvirkningen øges med størrelsen af indstillingen for derivatetiden (værdi i sekunder).

Hvad menes der med 2-trins controller?

2-trins controlleren (ON/OFF-controlleren) skifter udgangen, når indstillingspunktet nås. Hvis værdien falder under indstillingspunktet med en bestemt justerbar tolerance (xsd, skiftdifferentiale, hysterese), tændes udgangen igen. Den har derfor kun to skifttilstande. Den bruges i temperaturreguleringsapplikationer, hvor opvarmningen eller afkølingen kun tændes eller slukkes. En 2-trins controller med dynamik kan dog også fungere med en P-, I- eller D-komponent.

Hvad menes der med cyklustid (Cy)?

Skiftecyklustiden angives i sekunder og definerer den periode, hvor en fuld skiftecyklus bestående af tænd- og slukningstider finder sted.

Litteratur om emnet

• Kontrol Engineering - Grundlæggende principper og tips for fagfolk