В публикации рассматриваются различные стратегии двухдиапазонного регулирования (Split range control) и их возможности реализации на базе контроллеров-регуляторов серий X5 (48x96) и Q5 (96x96) компании ASCON TECNOLOGIC. Материал будет интересен инженерам АСУ и КиПА химической, фармацевтической и пищевой промышленности, теплоэнергетики, а так же тем кто разрабатывает и обслуживает научно-исследовательское оборудование.
Контроллеры-регуляторы серий X5 (48x96) и Q5 (96x96) компании ASCON TECNOLOGIC
В различных отраслях промышленности существуют задачи управления процессами требующие управления двумя регулирующими клапанами, от одного ПИД регулятора. Такие системы называют двухдиапазонными, так как каждый клапан работает в своем заданном диапазоне управляющего воздействия. Стратегии управления в таких системах можно разделить на три группы: дополняющее и исключительное (V-mode), а так же параллельное (Parallel-mode). Рассмотрим данные стратегии на базе примеров смешения, нейтрализации и поддержания давления.
Эту стратегию управления хорошо иллюстрирует процесс смешивания (ratio loop) двух потоков жидкостей или газов. Для наглядности остановимся на процессе окраски основного продукта путем добавления в него дополнительного пигмента (производство краски определенного оттенка).
Схема управления добавления пигмента в основной поток
В этом случае управление открытием клапанов выглядит следующим образом, при условии равнозначности потоков (на диаграммах значение 50% выбрано условно):
Диаграмма работы клапанов при смешивании потоков
В этом случае, никогда нет условия при котором на выходе регулятора, оба клапана будут полностью открыты или полностью закрыты. Здесь, каждый клапан дополняет открытие другого.
Другие применения требуют разделять открытие клапанов, что означает что при выходном сигнале ПИД регулятора равном 50% оба клапана закрыты (не редко дополненная зоной нечувствительности). В этом случае реализуется логика «или-или»: то есть либо технологическая жидкость\газ протекает либо один клапан, либо через другой, но никогда не проходит через оба одновременно.
Практическим примером такой формы разделения является подача реагента для процесса нейтрализации рН (водородный показатель), где значение рН технологической жидкости приближается к нейтральному путем добавления либо кислотных, либо щелочных жидкостей:
Схема управления pH с добавлением кислоты и щелочи в раствор
Здесь, анализатор pH контролирует значение pH жидкости передавая значение на контроллер-регулятор. Контроллер в случае, если pH начинает увеличиваться, то увеличивает выходной сигнал для открытия клапана подающего кислоту. И наоборот, если рН процесса начинает уменьшаться, то контроллер будет уменьшать сигнал на клапан подающий кислоту. Если pH окажется существенно ниже или скорость его снижения будет больше расчетных значений, регулятор закроет клапан подающий кислоту и начнет открывать клапан подающий щелочь, для повышения pH. В данном применении одновременное добавление в процесс как кислоты, так и едкого вещества было бы расточительным, поскольку один реагент просто нейтрализует другой без какой-либо пользы для самой технологической жидкости.
Диаграмма работы клапанов при управлении pH
Так же встречаются примеры, в которых требуется, что бы при 50% управляющего сигнала ПИД регулятора оба клапана были открыты, а при 0 и 100 соответственно закрыты. Этот вариант обратной характеристики исключительного управления чаще всего встречается при управлении давлением.
Примером такой работы контура регулирования, может служить регулирования давления в химическом реакторе с управлением поступление исходного вещества и отбором выходного продукта.
Регулирования давления в химическом реакторе с управлением входным и выходным клапанами
Диаграмма работы клапанов при управлении давлением на входе и выходе
Эта стратегия управления двумя клапанами подразумевает использование второго клапана для расширения рабочего диапазона регулирования процесса. Некоторые процессы требуют большего диапазона регулирования, чем может обеспечить любой отдельный клапан, и именно в рамках этих процессов пара последовательно включенных регулирующих клапанов является допустимым решением.
Управление pH так же предоставляет подходящий пример, чтобы проиллюстрировать применение этой стратегии, так как управление водородным показателем требует очень большого динамического диапазона управления.
Схема управления pH с дополнительным клапаном подачи кислоты в раствор
Вполне возможно, что регулирующий клапан размером с дроссель минимального потока будет просто слишком мал, чтобы удовлетворить требования высокого потока, когда это необходимо. Тем не менее, регулирующий клапан размером достаточно большой, чтобы соответствовать максимальному расходу потока, может быть слишком большим, когда потребуется маленькое количество реагента.
Диаграмма управления pH с добавлением кислоты в раствор
Дополнительным примером использования подобной стратегии является охлаждение обратного потока теплоносителя: пока его температура допустимая его охлаждение регулируется его расходом через пассивные теплообменники (или градирни), когда этого становится не достаточно включается дополнительная система активного охлаждения (рефрижератор, тепловые насосы и т. п.). Использование такой стратегии управления в этом случае приводит к существенному снижению электропотребления, по сравнению в постоянно работающей пусть и на минимальных режимах системы активного охлаждения.
Контроллеры-регуляторы серии GammaDue X5 и Q5 являются приборами с широким набором функциями управления различными процессами, а так же возможностями по интеграции с другим оборудованием и верхним уровнем (DI, AI, Modbus RTU и TCP, Profibus DP).
Подключение и настройка связи X5/Q5 по Profibus DP
Модели контроллеров-регуляторов со вторым аналоговым выходом (заказные коды "X5-xxx4-0xxx", "X5-xxx6-0xxx”,"Q5-xxx4-0xxx”, "Q5-xxx6-0xxx”) и без функции программного профиля уставок, позволяют реализовать все типы двухдиапазонного регулирования (Split range control), путем настройки всего нескольких параметров.
При использовании дополняющего управления клапанами нужно настроить следующие параметры:
Параметры X5/Q5 при настройки дополняющего управления клапанами
Если у вас исключающее или параллельное регулирование тогда придется задать чуть больше параметров. В начале нужно выбрать нужный тип управления для этого в параметре Control Type (Cn.tY) выбирается одна из четырех характеристик управления.
Выбор характеристик split range control в X5 и Q5, 50% значение по умолчанию
Далее задаем в этом же меню выбираем типы сигналов для аналоговых выходов OP5 (NCoP) и OP6 (SCoP): 0..5В, 1..5В, 0..10В, 0..20мА, 4..20мА. После настраиваем основной параметр «Split Range % (SP.L_)» определяющий точку переключения между клапанами, в процентах выходного сигнала ПИД от 0 до 100%.
В качестве примера рассмотрим вариант настроек для параллельного управления клапанами:
Характеристика работы клапанов из рассматриваемого примера
Дополнительные возможности по управлению сложными процессами включающими в себя двухдиапазонного управление позволяет обеспечить функция MathPack X5/Q5, объединяющая по Modbus RTU контроллеры-регуляторы GammaDue в сложные системы каскадного и связанного управления.
Пример настройки и функций MathPack в X5/Q5
MathPack позволяет ведущему контроллеру считывать параметры процесса из подчиненных регуляторов, и после математических и логических действий с ними записывать их в виде параметров и уставок. Например: мастер-контроллер считав данные процесса (показаний датчиков) с двух подчиненных регуляторов выбирает наибольшее и использует его для расчета своей уставки регулирования. И это лишь самый простой пример использования возможностей MathPack.
Обратитесь к нам и мы проконсультируем Вас по возможностям решения ваших задач на базе контроллеров-регуляторов ASCON TECNOLOGIC.
