Vienkārša sistēmas optimizācija - JUMO kontroliera palaišanas programmatūra

Tādi kontrolieri kā JUMO IMAGO 500, JUMO DICON 500 un tagad arī jaunā JUMO dTRON sērija ietver speciālu programmatūras rīku, kas ļauj uzraudzīt un dokumentēt nodošanu ekspluatācijā, tādējādi to ievērojami atvieglojot.

Šī palaišanas programmatūra ļauj vizualizēt un saglabāt analogos un bināros signālus, kamēr sistēma tiek optimizēta.

Īpaši sarežģītu procesu gadījumā vadības inženierim praktiski neaizstājama ir svarīgāko procesa datu vizuāla attēlošana reālajā laikā.

Viss, kas nepieciešams sistēmas optimizācijai, ir viens no iepriekš minētajiem kontrolieriem, dators vai klēpjdators ar iestatīšanas programmu un saskarnes savienojums, izmantojot iestatīšanas kabeli ar RS232 vai USB interfeisu. Šis savienojums ir nepieciešams jebkurā gadījumā iestatīšanas programmēšanai, un tāpēc parasti ir pieejams.

Svarīgi iestatījumi, piemēram, brīva signālu izvēle, lai instrumentā attēlotu atsevišķas analogās un binārās vērtības, tālummaiņa, dažādas drukāšanas opcijas, atsevišķu līkņu parādīšana vai slēpšana, brīva mērogošana un krāsu izvēle, ir iekļauti šajā programmatūras rīkā kā standarta aprīkojums.

Programmas galvenās funkcijas ietver:

• regulēšanas vai automātiskās regulēšanas fāzes uzraudzību un dokumentēšanu
• iestatītās vērtības soļa izmaiņu ģenerēšana, lai noteiktu un reģistrētu regulēšanas cilpas raksturlielumus, pamatojoties uz cilpas reakciju.
• vairāku dažādu regulēšanas cilpas rezultātu salīdzināšana, izmantojot dažādus regulēšanas parametrus.
• kontroles cilpas kvalitātes izlases veida pārbaude ražošanas darbības laikā vai pēc instrumenta nomaiņas.
• šo datu failu saglabāšana ātrai nosūtīšanai pa e-pastu ekspertu konsultantu grupai.

Programma ir ne tikai noderīga, tā sniedz arī daudz citu priekšrocību - arī ekonomisku priekšrocību - salīdzinājumā ar parasto procesa kontroles uzraudzību, piemēram:

• nav nepieciešami papildu reģistratori vai citas perifērijas ierīces, lai veiktu nodošanu ekspluatācijā
• ļoti maz laika, kas nepieciešams mērīšanas iekārtas montāžai un kabeļu savienošanai.
• sistēmai nav jāpievieno papildu sensoru iekārtas vai analogie signāli no kontroliera.
• ievērojams laika ietaupījums, izmantojot vienkāršu Plug & Play interfeisa kabeli.
• visi svarīgākie procesa dati vienā acu uzmetienā
• vienlaicīga sistēmas un/vai nodošanas ekspluatācijā datu dokumentēšana.

Starta programma - Darbības padoms - Piemērs: JUMO IMAGO 500

Vispārīga piezīme par optimizāciju

Regulatora optimizācija (vai regulatora regulēšana) ir regulatora pielāgošana konkrētam procesam vai vadības kontūram. Vadības parametri ir jāizvēlas tādi, lai dotajos darbības apstākļos tiktu sasniegta vislabvēlīgākā vadības cilpas reakcija. Tomēr šo optimālo reakciju var definēt dažādi, piemēram, ātri sasniegt iestatīto vērtību ar nelielu pārsniegumu vai nedaudz ilgāku stabilizācijas laiku bez pārsnieguma. Ja no regulatora tiek sagaidīta tikai tāda reakcija, kāda ir robežkontakta gadījumā (bez impulsa darbības), nav nepieciešams atrast optimālos proporcionālā diapazona, atvasinājuma laika vai atiestatīšanas laika iestatījumus. Iepriekš jādefinē tikai pārslēgšanās diferenciālis.
Vairumā gadījumu regulators var pats noteikt vadības parametrus, izmantojot pašoptimizācijas (autotuning) iespēju, ja process pieļauj pašoptimizāciju. Alternatīvi optimālo parametru iestatījumu var noteikt “manuāli”, izmantojot eksperimentus un empīriskos vienādojumus (sk. formulas pielikumā).
Ja kontrolieri tiek nomainīti vai ja ir identiskas vadības iekārtas, vadības parametrus var arī tieši pieņemt vai ievadīt.
Pēc manuālas parametru iestatīšanas automātisko regulēšanu vairs nedrīkst uzsākt, jo tā pārrakstītu iestatījumus.

Iestatīšanas formulas atbilstoši svārstību metodei:

Controller action

P XP = XPk / 0,5 PI X

_P

= X

_Pk

/ 0,45

T

_P

= 0,85 ·T

_K

PID XP = XPk / 0,6

Tn = 0,5 · TK

Tv = 0,12 · TK

Iestatīšanas formulas atbilstoši soļa reakcijai:

Controller action

Control loop

Error

P X

_P

= 3,3 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 % X

_P

= 3,3 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 % PI X

_P

= 2,86 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 %

T

_n

= 1,2 · T

_g

X

_P

= 1,66 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 %

T

_n

= 4 · T

_u

PID X

_P

= 1,66 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 %

T

_n

= 1 · T

_g

T

_v

= 0,5 · T

_u

X

_P

= 1,05 · K

_S

· (T

_u

/T

_g

) · 100 %

T

_n

= 2,4 · T

_u

T

_v

= 0,42 · T

_u

Kontroliera raksturojums/darbības jēga (definīcijas/atlases kritēriji)

apgrieztā veidā: Ja procesa vērtība ir mazāka par iestatīto vērtību (piemēram, sildīšana), tad regulatora izeja Y ir lielāka par 0 vai tiek ieslēgts relejs.
tiešais: regulatora izeja Y ir lielāka par 0, vai arī relejs tiek ieslēgts, ja procesa vērtība ir lielāka par iestatīto vērtību (piemēram, dzesēšana).

Kāpēc trīsstāvu kontrolieris nav piemērots piedziņu piedziņām?

Modulācijas kontrolierim, tāpat kā trīsstāvu kontrolierim, ir divas pārslēdzamas vadības izejas, kas tomēr ir īpaši paredzētas motorizētām piedziņu piedziņām, piemēram, atvēršanai vai aizvēršanai. Ja trīsstāvu kontrolierim ir nepieciešams nepārtraukts izejas signāls, lai uzturētu noteiktu izejas līmeni, tad redzam, ka modulējošā kontroliera gadījumā elektropiedziņas piedziņa paliks stāvoklī, kas sasniegts, kad no kontroliera vairs netiek saņemts signāls.
Attiecīgi izpildmehānisma piedziņa var palikt atvērta, piemēram, 60 %, lai gan šajā brīdī to nedarbina kontrolieris.

Ko nozīmē digitālais ieejas filtrs (dF)?

Ciparu ieejas filtrs (dF) kalpo ieejas signālu slāpēšanai un ietekmē gan indikāciju, gan kontrolieri. Jo lielāka ir “dF” vērtība, jo lielāka ir ieejas signāla slāpēšana. Ļoti liela vai maza vērtība var negatīvi ietekmēt vadības kvalitāti. Vairumā gadījumu darbībai var izmantot “dF” noklusējuma iestatījumu.

Ko nozīmē trīsstāvu kontrolieris?

Trīsstāvu kontrolieriem ir divas izejas, kas var būt gan komutācijas, gan nepārtrauktas (releja kontakts vai, piemēram, 4-20 mA). Trīsstāvu kontrolierus izmanto, ja regulējamais mainīgais lielums ir jāietekmē vai var tikt ietekmēts ar diviem pretēji darbojošiem izpildmehānismiem.
Tā var būt klimata kamera ar tiristora spēka bloku elektriskajai apkurei un solenoīda vārstu dzesēšanai. Šajā piemērā vislabākā izvēle būtu trīsstāvu regulators ar nepārtrauktu (analogo) izeju sildīšanas funkcijai (regulatora 1. izeja) un pārslēdzamu izeju dzesēšanas funkcijai (regulatora 2. izeja).
Trīsstāvu kontrolieriem parametrus proporcionālo joslu, atiestatīšanas laiku, atvasinājuma laiku un histerezi, kas pazīstami no divstāvu kontrolieriem, bieži vien var iestatīt atsevišķi abām darbības funkcijām. Trīsstāvu regulatorā papildus ir parametrs

Ko nozīmē modulācijas kontrolieris?

Modulācijas kontrolieriem ir divi komutācijas izeji, un tie ir īpaši paredzēti piedziņu piedziņu darbināšanai, kas var, piemēram, atvērt vai aizvērt aizbīdņa vārstu.
Piedziņas/spēka piedziņas, kuras var darbināt:
maiņstrāvas motoru piedziņas, līdzstrāvas motori, trīsfāžu motoru piedziņas, hidrauliskie cilindri ar solenoīda vārstiem u. c.

Ko nozīmē kaskādes vadība?

Kaskādes kontrole var ievērojami uzlabot kontroles kvalitāti. Tas jo īpaši attiecas uz vadības cilpas dinamisko darbību, citiem vārdiem sakot, procesa mainīgā pāreju pēc iestatītās vērtības izmaiņām vai traucējumiem.

Piemērs Nr. 1: kaskādes shēmas uzbūve

Pārstrādei šokolāde jāuzkarsē līdz_vs = 40 °C. Šokolādes temperatūra nedrīkst pārsniegt 50 °C (pat tuvu sildītājam). Tāpēc to silda ūdens vannā.
Lai panāktu ātru stabilizāciju, izmanto kaskādes vadību.
Kontrolieris Nr. 1 vienmēr ir galvenais kontrolieris, kontrolieris Nr. 2 vienmēr ir pakārtotais kontrolieris.
Pakārtotajam kontrolierim iestatīto vērtību iegūst, veicot izejas konversiju.
Vadības izvades _y1 tiek pārvērsts iestatītajā vērtībā, izmantojot procesa vērtības _x2 vienību (šeit: 0 - 100 % = 0 - 50 °C).

Simbolu saraksts
O2 - izeja 2
I1 - analogā ieeja 1
I2 - analogā ieeja 2
C1 - Kontrolieris 1
C2 - Kontrolieris 2
w ₁ - iestatītās vērtības kontrolieris 1
w ₂ - iestatījumu kontrolieris 2
x ₁ - procesa vērtības kontrolieris 1
x ₂ - Procesa vērtības kontrolieris 2
x _w1 - novirzes kontrolieris 1
x _w2 - novirzes kontrolieris 2
y ₁ - Vadības izeja 1
y ₂ - Vadības izeja 2; 2. kontroliera 1. izeja
v _s - Šokolādes temperatūra
v _w - ūdens vannas temperatūra

Piemērs Nr. 2: apgriešanas kaskādes izveide

Divas šokolādes lādes jāuzkarsē līdz 40 °C un 50 °C. Šokolādes temperatūra nekur (pat ne tuvu sildītājam) nedrīkst pārsniegt iestatīto vērtību par vairāk nekā 10 °C. Tāpēc to karsē ūdens vannā.
Lai panāktu ātru stabilizāciju bez pārspīlēšanas un nemainot regulatora konfigurāciju (izejas konversiju), mainoties iestatītajai vērtībai (partijas maiņa), izmanto trimeru kaskādes vadību.
Kontrolieris 1 vienmēr ir galvenais kontrolieris, kontrolieris 2 vienmēr ir pakārtotais kontrolieris.
Pakārtotā regulatora iestatīto vērtību iegūst, veicot izejas konversiju un pievienojot galvenā regulatora iestatīto vērtību (_w1).
Veicot iestatījuma konversiju, vadības izvads _y1 tiek konvertēts vērtībā ar procesa vērtības _w2 vienību. Tā atbilst maksimālajai atļautajai temperatūras starpībai (± | _x1 - _w1 |; šeit: 0 - 100 % = -10 līdz +10 °C).

Simbolu saraksts
O2 - izeja 2
I1 - analogā ieeja 1
I2 - analogā ieeja 2
C1 - Kontrolieris 1
C2 - Kontrolieris 2
w1 - iestatītās vērtības kontrolieris 1
x1 - Procesa vērtības kontrolieris 1
x2 - Procesa vērtības kontrolieris 2
xw1 - novirzes kontrolieris 1
xw2 - novirzes kontrolieris 2
y1 - Vadības izeja 1
y2 - Vadības izeja 2; izeja 1 o kontrolieris 2
vs - Šokolādes temperatūra
vw - ūdens vannas temperatūra

Ko nozīmē attālums starp kontaktiem?

Ja procesa mainīgais mainīgais mainās fiksētā intervālā ap iestatīto vērtību - attālums starp kontaktiem Xsh -, tad neviena no izejām nav aktīva. Izņēmums: Trīsstāvu kontrolieri ar I un D komponenti. Kontaktu intervāla robežās neaktīva ir tikai proporcionālā komponente.
Šāds attālums starp kontaktiem ir nepieciešams, lai novērstu nepārtrauktu pārslēgšanos starp abiem mainīgajiem lielumiem, piemēram, sildīšanas un dzesēšanas reģistriem, ja regulējamais lielums ir nepastāvīgs. Kontaktu atstarpi mēdz saukt arī par mirušo joslu. Pārāk maza mirušā josla var novest pie bezjēdzīgas enerģijas izšķērdēšanas iekārtā.

Ko nozīmē atiestatīšanas laiks?

Regulatora izejas signāla I komponente nepārtraukti maina mainīgo lielumu, līdz procesa vērtība ir sasniegusi iestatīto vērtību.
Kamēr ir vadības novirze, manipulējamais mainīgais tiek integrēts uz augšu vai uz leju. Jo ilgāk vadības novirze turpina darboties regulatorā, jo lielāka ir integrālā ietekme uz regulējamo mainīgo. Jo lielāka ir regulēšanas novirze un mazāks atiestatīšanas laiks, jo izteiktāka (ātrāka) ir I komponenta ietekme.
I komponente nodrošina vadības cilpas stabilizāciju bez pastāvīgas vadības novirzes. Atiestatīšanas laiks ir vadības novirzes ilguma ietekmes uz vadības darbību mērs. Lielāks atiestatīšanas laiks nozīmē, ka I komponente ir mazāk efektīva, un otrādi. Noteiktajā laikā Tn (sekundēs) manipulējošā mainīgā lieluma izmaiņas, ko rada P komponente (xp vai pb), tiek pievienotas vēlreiz. Attiecīgi starp P un I komponentu pastāv fiksēta attiecība. P komponentes (xp) izmaiņas nozīmē arī mainīgu laika reakciju pie nemainīgas Tn vērtības.

Ko nozīmē proporcionālā josla (Xp1, Xp2)?

Tīri proporcionālā kontrolierī (P kontrolieris) regulējamais lielums (kontroliera izeja Y) ir proporcionāls vadības novirzei proporcionālajā diapazonā (Xp). Regulatora pastiprinājumu var pielāgot procesam, mainot proporcionālo joslu. Ja tiek izvēlēta šaura proporcionālā josla, pietiek ar nelielu novirzi, lai sasniegtu 100 % izejas, t. i., pastiprinājums palielinās, samazinoties proporcionālajai joslai (Xp). Regulatora reakcija uz šauru proporcionālo joslu ir ātrāka un izteiktāka. Ja proporcionālā josla ir pārāk šaura, vadības cilpa sāk svārstīties. Jebkuras proporcionālās joslas izmaiņas tādā pašā mērā ietekmēs arī PID regulatora I un D darbību.

Ja proporcionālā josla ir iestatīta uz nulli, regulatora darbība ir neefektīva. Tas nozīmē, ka regulators darbojas tikai kā robežkontakts. Izvēlētā histereze vai pārslēgšanās diferenciālis ir efektīvs, tomēr atvasinājuma laika un atiestatīšanas laika iestatījumi netiek ņemti vērā.
Visiem regulatoru tipiem, izņemot 3 stāvokļu (dubultās vērtības) regulatoru, nozīme ir tikai proporcionālajai joslai Xp1. Tikai trīsstāvu regulatoriem ir nepieciešami atsevišķi proporcionālā diapazona iestatījumi (abiem darbības režīmiem) (piemēram, Xp1 sildīšanai un Xp2 dzesēšanai).

Ko nozīmē diferenciālā/histerēzes pārslēgšana?

Pārslēgšanas diferenciālis tiek saukts arī par histerezi, un tas ir svarīgs tikai pārslēgšanas kontrolieriem ar proporcionālo joslu = 0.
Regulatoriem ar apgriezto darbības jēgu (piemēram, apsildes kontrolei) standarta reakcija ir šāda:
Pārslēgšanās starpība ir zemāka par iestatīto vērtību. Tas nozīmē, ka regulators izslēdzas tieši tad, kad tiek pārsniegta iestatītā vērtība. Tas atkal ieslēdzas tikai tad, kad procesa vērtība ir nokritusies zem ieslēgšanas punkta, kas ir zemāks par iestatīto vērtību par pārslēgšanās starpības lielumu.
Regulatoriem ar tiešo darbības sensoru (piemēram, dzesēšanai) pārslēgšanās starpība parasti ir virs iestatītās vērtības. Regulatoriem ar apgriezto darbības sensoru ieslēgšanās punkts atrodas tieši pie iestatītās vērtības. Tomēr tas atkal ieslēdzas virs iestatītās vērtības, nobīdīts par pārslēgšanās starpības lielumu.

Ko nozīmē izpildmehānisma gājiena laiks (tt)?

Piedziņas gājiena laiks ir mainīgais lielums, ko nodrošina piedziņas piedziņa, un tāpēc tas ir svarīgs tikai modulācijas kontrolieriem vai proporcionālajiem (nepārtrauktajiem) kontrolieriem ar integrētu piedziņas piedziņas piedziņu.
Laiks, kas nepieciešams izpildmehānisma piedziņai, lai vienu reizi pārvietotos visā izmantojamajā manipulācijas diapazonā, tiek iestatīts zem izpildmehānisma gājiena laika.
Piedziņas gājiena laiku nevar noteikt, izmantojot pašoptimizāciju (autotuning). Tas vienmēr ir jānosaka pirms optimizācijas.
Ar izpildmehānisma gājiena laiku kontrolieris iegūst informāciju par izpildmehānisma impulsu iedarbību. Ja izpildmehānisma gājiena laiks ir, piemēram, 20 sekundes, manipulējamā mainīgā lieluma procentuālā izmaiņa pie viena un tā paša iedarbināšanas impulsa ir ievērojami lielāka nekā, piemēram, pie izpildmehānisma ar 100 sekunžu gājiena laiku.
Izvēloties vai dimensionējot izpildmehānismu piedziņas, jāņem vērā, ka īss gājiena laiks, piemēram, mazāks par 10 sekundēm, radīs lielus manipulējamā mainīgā lieluma soļus un līdz ar to arī samazinātu vadības precizitāti. Ja, piemēram, pieņemam, ka 0,5 sekundes ir visīsākais iedarbināšanas impulsa laiks, tad 10 sekunžu gājiena laiks radītu tikai 20 iedarbināšanas soļus. Tas nozīmētu, ka manipulējamo mainīgo lielumu var mainīt tikai ar 5 % soli.
Tomēr izpildmehānismu piedziņas ar ļoti ilgu impulsa laiku var būt neizdevīgas dinamikas ziņā, jo vadības darbība manipulējamo mainīgo var mainīt tikai relatīvi lēni. Tomēr reālajā darbībā problēmas, ko rada pārāk īsi gājienu laiki, rodas biežāk nekā problēmas, ko izraisa pārāk gari gājienu laiki.

Ko nozīmē proporcionāls regulators ar integrētu izpildmehānisma draiveri?

Īsais apzīmējums “izpildmehānisma regulators” tiek lietots, lai aprakstītu “proporcionālo regulatoru ar iebūvētu izpildmehānisma draiveri”. Atšķirībā no modulējošā regulatora izpildmehānisma regulatoram ir svarīgs izpildmehānisma atgriezeniskās saites signāls.
Piedziņas regulators vada motorizētā izpildmehānisma kustību pulksteņrādītāja kustības virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam, izmantojot 2 pārslēgšanas izejas.
Motorizētā izpildmehānisma stāvokli reģistrē un salīdzina ar proporcionālā regulatora manipulācijas mainīgo lielumu (yR).

Ko nozīmē atvasinātais laiks?

D komponenta (diferenciālā komponenta) intensitāti var iestatīt, izmantojot atvasinājuma laiku. PID vai PD regulatora D komponente reaģē uz procesa vērtības izmaiņu ātrumu.
Tuvojoties iestatītajai vērtībai, D komponente darbojas kā bremze, tādējādi neļaujot regulējamajam mainīgajam pārsniegt iestatīto vērtību.
Būtībā D komponentei ir šāda ietekme:
Tiklīdz mainās regulējamais lielums, D komponente reaģē pret šīm izmaiņām.
Regulatoram ar apgriezto darbības jēgu (t. i., apkurei) tas nozīmētu, piemēram, ka

• ja procesa traucējumu rezultātā samazinās regulējamais lielums, D komponente veido pozitīvu manipulējošo lielumu, kas neitralizē regulējamā lieluma samazināšanos.
• ja procesa traucējumu rezultātā vadības mainīgais palielinās, D komponents veido negatīvu manipulējošo mainīgo, kas neitralizē vadības mainīgā pieaugumu.
• Amortizācijas iedarbība palielinās līdz ar atvasinājuma laika iestatījuma lielumu (vērtība sekundēs).

Ko nozīmē divstāvu kontrolieris?

Divstāvu kontrolieris (ieslēgšanas/izslēgšanas kontrolieris) pārslēdz izeju, kad ir sasniegta iestatītā vērtība. Ja vērtība ir zemāka par iestatīto vērtību ar noteiktu regulējamu pielaidi (xsd, pārslēgšanās starpība, histereze), tad izeja atkal tiek ieslēgta. Tādējādi tam ir tikai divi pārslēgšanās stāvokļi. To izmanto temperatūras regulēšanas lietojumos, kur apkure vai dzesēšana tiek tikai ieslēgta vai izslēgta.
Tomēr divstāvu regulators ar dinamiku var darboties arī ar P, I vai D komponenti.

Ko nozīmē cikla laiks (Cy)?

Pārslēgšanās cikla laiks tiek izteikts sekundēs un nosaka laikposmu, kurā notiek pilns pārslēgšanās cikls, kas sastāv no ieslēgšanas un izslēgšanas laikiem.

Parasti cikla laiks jāizvēlas tāds, lai faktisko kontroles procesu vēl varētu izlīdzināt. Vienlaikus vienmēr jāņem vērā pārslēgšanās frekvence.
Vislabāk reakciju var atiestatīt manuālā režīmā, lai varētu kontrolēt manipulējošā mainīgā lieluma tiešo ietekmi uz cikla laiku. Ja manipulatora mainīgais lielums ir 50 %, “Ton” un “Toff” ir vienādi. Ja mainās manipulatīvais mainīgais lielums, šī attiecība attiecīgi mainās.

Literatūra par šo tēmu

• Vadības inženierija - pamatprincipi un padomi praktiķiem