В различных отраслях используются регулирующие клапаны управления температурой, влажностью, давлением, уровнем, концентрацией, весом и т.п., путем изменения расходов жидкостей, газов или сыпучих материалов. В данной статье рассматриваются автономные приборы (регуляторы, контроллеры) и их особенности, предназначенные для подобного типа управления.
Примеры процессов в которых используется управление клапанами и задвижками (МЭО)
Для понимания о каких процессах идет речь приведем примеры:
I. При необходимости поддержания заданной температуры путем:
управления расходом теплоносителя через теплообменник в системах отопления и ГВС ЖКХ, в тепловых насосах,
пастеризаторах пищевых продуктов и т.п.;
управления расходом хладагента в холодильных машинах и кондиционерах;
управления пламенем горелки в печах, бойлерах, системах производства CO2 и т.д.;
смешивания холодной и горячей воды.
II. При необходимости поддержания заданной влажности:
управление подачей пара для варочных шкафов для мясоперерабатывающей промышленности.
III. При необходимости поддержания заданного давления:
управление перепадом давления на фильтрах в пищевых и химических процессах;
поддержание заданного давления в емкости с газированным напитком перед установкой розлива;
IV. При необходимости обеспечения заданной концентрации путем:
управления подачей материала в емкость смешивания\разведения;
V. При необходимости обеспечение равномерной массовой подачи материала:
управлением подачей сыпучего материала из накопительного бункера на подающий конвейер\шнек.
Особенности управления клапанами и задвижками (МЭО)
Примеры общего вида клапанов и задвижек
При управлении клапаном важно определится с типом управляющего сигнала и наличием обратной связи с клапана по его положению.
Наиболее распространёнными типами сигналов для управления клапанами являются: аналоговые (0..10 В, 0\4..20 мА) и релейные дискретные (2 сигнала: открыть\больше и закрыть\меньше). Удобством аналогово управления является прямая зависимость открытия клапана от сигнала задания, тогда как при управлении дискретными сигналами регулятор\контроллер производит расчет процента открытия исходя из данных о времени подачи дискретных сигналов и времени полного открытия клапана. Так же клапаны с аналоговым управлением сигналом могут закрывать при пропадании сигнала, то очень важно в ряде процессов. Но не смотря на плюсы аналогового управления, клапаны и задвижки (МЭО) с дискретным управлением остаются ощутимо дешевле, что сказывается на их распространенности.
Варианты управления положением: дискретными сигналами или аналоговым сигналом
Для повышения точности управления открытием часто используется обратная связь по положению с сигналам 0\4..20 мА или, в более бюджетном варианте, потенциометрическим сигналом в диапазоне от 100 до 10 000 Ом.
Контроллер-регулятор KX6 с обратной связью по положению клапана
Для управления клапанами используется алгоритмы на основе классического ПИД регулятора, дополненные рядом важных функций:
В первую очередь используемый ПИД алгоритм должен обладать защитой от насыщения интегратора, возникающего в классическом алгоритме при длительном выходе на заданную величину с максимальным выходным управляющем сигналом и приводящему к существенному перерегулированию.
Во-вторых, интегратор должен быть защищен от проблемы «холостого хода» связанного с конечной точностью цифро-аналогово преобразователя управляющего сигнала, и может приводить к статической ошибке.
В-третьих, алгоритм должен обеспечивать плавный переходный режим между ручным управление (прямым заданием открытия) к автоматическому.
Данные моменты в более общей форме рассмотрены в книгах «Системы управления с ЭВМ» (Глава 8) К. Острём, Б. Виттенрмарк (K. Åström. B. Wittenmark) и «Цифровые системы автоматизации и управления» (Глава 6) Г. Олсон, Дж. Пиани.
Наличие качественного алгоритма автонастройки параметров ПИД существенно ускоряет ввод системы в эксплуатацию и обеспечивает длительную работу системы с нужной точностью без обслуживания.
Рассмотрим модели регуляторов ASCON TECNOLOGIC серии KUBE которые могут быть использованы для управления клапанами.
Компания ASCON TECNOLOGIC (образована объединением компаний ASCON и TECNOLOGIC) выпускает приборы для управления клапанами с 80-х годов прошлого века: начав с серии XM и продолжив с сериями XP в 90-х, с X3, X5, Q3, Q5 в 2000-х и линейкой регуляторов KUBE (K_3, K_5P, KX6).
Линейка регуляторов для управления клапанами серии KUBE
Для управления клапанами и задвижками без обратной связи можно выбрать из трех серий K_3, KRD3 и K_5P. Регуляторы KRD3 являются версией K_3 без индикации для монтажа внутри шкафов управления на DIN-рейку. Управлением KRD3 осуществляется через RS485 по протоколу Modbus RTU. Единственное отличие серии K_5P от K_3 состоит в возможности задания много сегментной (до 96 сегментов) программы изменения технологической величины (например, температуры) от времени, поэтому далее мы рассмотрим только серию K_3.
Варианты исполнения контроллеров-регуляторов KUBE
В серии K_3 регуляторы представлены в четырех видах исполнения корпуса: три в панельном исполнении формата 78x35 – KR3, 48х48 – KM3, 48х96 – KX3 и один для монтажа на DIN-рейку в шкафах KRD3.
В независимости от исполнения корпуса все модели имеют универсальный аналоговый вход (J, K, R, S, T, PT100, PT100, мВ, мА, В) или (J, K, R, S, T, NTC, PTC, мВ, мА, В), 1 дискретный вход для переключения режимов работы регулятора и 1 конфигурируемый вход\выход, так же он может быть использован для питания датчиков с преобразователями 4..20 мА.
Экраны регуляторов высококонтрастные цветные. На экране отображаются две величины: измеренное значение (три цвета на выбор для отображения) и вторая величина, по умолчанию задание в автоматическом режиме работы. У моделей с KX3 так же есть дополнительная полоса (горизонтальный барограф), по умолчанию настроенный на отображение выходной величины регулятора\ расчетного открытия клапана.
Диаграмма поясняющая логику изменения цвета экрана KUBE
В зависимости от конфигурации предусмотрено два типа (L и H) питания регуляторов 24 В~/= (±10%) или 100… 240 В~/= (-15... +10%).
Три дополнительных выхода могут следующих типов:
1 выход: I =0\2..10 В, 0\4... 20 mA, R = Реле SPST 4 A, O = транзистор для управления ТТР;
2 выход: - = отсутствует, R = Реле SPST 2 A, O = транзистор для управления ТТР, M= Реле управления клапаном 2 A;
3 выход: - = отсутствует, R = Реле SPST 2 A, O = транзистор для управления ТТР, M= Реле управления клапаном 2 A.
Для связи с верхним уровнем (ПЛК, панелями оператора, SCADA) регуляторы могут быть оснащены интерфейсами RS485 с протоколом Modbus RTU и Ethernet (шлюз AET1) с протоколом Modbus TCP.
Наиболее популярными моделями в России являются:
"KM3-HRMMD---E---" ("KM3-HRMMDS--E---" c RS485) корпус 48х48х73, питание 220 В~, управление клапаном дискретными сигналами, 1 релейный выход для сигнализации по выбранной аварии или группе аварий и событий.
"KM3-HIRRD---E---" ("KM3-HIRRDS--E---" c RS485) корпус 48х48х73, питание 220 В~, управление клапаном аналоговым сигналом 0\2..10 В или 0\4... 20 mA , 2 релейных выхода для сигнализации или управления, например включения подачи жидкости для охлаждения.
"KM3-HIMMDS--E---" корпус 48х48х73, питание 220 В~, RS485, аналоговый выход для передачи измеренного сигнала, вычисленной ошибки между заданием и измерением и т.п. на другой контроллер\регулятор или самописец, управление клапаном дискретными сигналами.
"KX3-HIRRD---E---" ("KХ3-HIRRDS--E---"c RS485) корпус 48х96х86, питание 220 В~, управление клапаном аналоговым сигналом 0\2..10 В или 0\4... 20 mA , 2 релейных выхода для сигнализации или управления, например включения подачи жидкости для охлаждения.
Управление клапанами с обратной связью по положению
Для управления клапанами с обратной связью по положению ASCON TECNOLOGIC предлагает серию KX6 в формате корпуса 48х96. Общий вид контроллера-регулятора KX6
Не смотря на схожесть KX6 отличается от KX3 не только наличием обратной связи (от 100 Ом до 10 кОм):
KX6 может быть заменен без отключения проводов от клемм и демонтажа основного корпуса.
Наличием дополнительного изолированного дискретного входа управления на 220 В~.
Наличие третей отображаемой величины: процента открытия клапана.
Отсутствие дополнительного выхода питания пассивных токовых датчиков.
Поддержка меньшего количества типов сигналов J, K, R, S, T, mA, mV, V (c адаптерами AP ADPINMV-KX-V10 и AD ADPINMV-KX-V5).
Наиболее популярными моделями в России являются:
"KX6-HBMMRRC--E----" корпус 48х96, 1 вх. термопары K (ТХА), J (ТЖК), T (ТМКн), R (ТПП13), S (ТПП10), 0/4… 20мA, 1 вх. потенциометра (100 Ом..10 кОм), управление сервоприводом клапана Больше\Меньше, 2 дискр. вх., 2 релейных выхода, питание, RS485 (ModBus RTU), 100-240 В~;
"KX6-HBMMRRC--E----" на пульте управления газовой печью
"KX6-HBI-RRC--E----" корпус 48х96, 1 вх. термопары K (ТХА), J (ТЖК), T (ТМКн), R (ТПП13), S (ТПП10), 0/4… 20мA,1 вх. потенциометра (100 Ом..10 кОм), выход управления OUT1 0/4… 20 мA , 0/2… 10 В, 2 дискр. вх., 2 релейных выхода, питание, RS485 (ModBus RTU), 100-240 В~.
Программные особенности KUBE
Регуляторы KUBE работают в трех режимах: автоматическом, ручном и ожидания. Переключение между режимами возможно: через параметры, по кнопке (расположенной у левого края пульта регулятора), по дискретному сигналу.
В автоматическом режиме регулятор работает в режиме стандартного управления с замкнутым контуром. При этом в верхней строке экрана отображается измеренное значение, в нижней строке экрана отображается заданное значение (если не выбрано другое в параметрах), десятичная цифра менее значимой цифры нижнего дисплея выключена.
В ручном режиме у регулятора контур управления выключен, выход управления может быть: равен 0 или предустановленному значению, а также задан оператором при помощи кнопок на пульте. На экране включен индикатор MAN. При этом в верхней строке экрана отображается измеренное значение, в нижней строке экрана выходное задание.
В режиме ожидания регулятор работает как индикатор: в верхней строке экрана отображается измеренное значение, в нижней строке поочередно отображается значение задания и сообщение St.bY или od. Выходы управления выключены.
[57] Auto - Auto tune selection
В регуляторах KUBE предусмотрено три алгоритма автоматической настройки параметров ПИД:
1. EvoTune автонастройка разработана ASCON TECNOLOGIC (используется по умолчанию) подходит, если:
• Обеспечивает приемлемую точность с минимальным или отсутствующим перерегулированием;
• У вас данных о динамике и нелинейностях управляемого процесса;
• Вы не можете быть уверены в навыках конечного пользователя;
• Вы хотите автоматическую настройку независимо от условий выполнения (например, изменение заданного значения
во время выполнения настройки и т.п.)
2. Осциллирующая автонастройка – модификация алгоритма Ziegler-Nichols предложенная Åström-Hägglund в 1984
году для настройки регулятора с замкнутой обратной связью:
• Обеспечивает высокую точность поддержания: быстрая реакция на изменение задания и возмущения процесса;
• Наличие перерегулирования и тенденции к колебаниям, которые необходимо компенсировать параметром
[65] Fuoc;
• Может запускаться, даже если измеренное значение близко к заданию;
• Может использоваться, даже если задание близко к температуре окружающей среды.
3. Fast автонастройка подходит, если:
• Процесс очень медленный, но необходимо произвести автонастройку в течение короткого времени;
• Когда перерегулирование неприемлемо;
• Для многозонных нагревателей, где данный метод уменьшает ошибку, связанную с влияния соседних зон.
[65] Fuoc - Fuzzy overshoot control
Этот параметр уменьшает перерегулирование, обычно присутствующее при запуске регулятора или после изменения заданного значения, и оно будет активным только в этих двух случаях. Заданием параметра от 0,00 до 0,99 можно менять скорость выхода в момент подхода к заданной точке. При значении Fuoc = 1 эта функция отключена. [8] oPE - Safety output value
Задание безопасной величины выходного сигнала в аварийных ситуациях.
[69] rS - Manual reset (integral pre-load)
Этот параметр позволяет существенно уменьшить отклонения при «горячем» перезапуске для процессов с длительным установившимся режимом.
Когда ваш процесс устойчив, регулятор работает с постоянной выходной мощностью (например, 30%) и происходит короткое прерывание питания, процесс перезапускается с измеренным значением, близким к заданной точке, в то время как регулятор начинает работать с интегральной составляющей равной нулю. Что приведет к значительному отклонению от установившегося режима.
Задание данного параметра, равным средней выходной мощности (в нашем примере 30%), позволяет регулятору начать работу с выходной мощности, равной величине, которую он будет использовать в установившемся режиме (вместо нуля), и отклонение будет очень маленьким (теоретически равным нулю).
Для процессов с длительными периодами выхода на рабочий режим (часто осуществляемого вручную для уменьшения перерегулирования), предусмотрены два параметра характеризующих скорость (плавность) изменения задания для алгоритма управления:
[86] SP.u - Rate of rise for positive set point change (ramp up)
Коэффициент скорости изменения задания при изменении задания в положительную сторону.
[87] SP.d - Rate of rise for negative set point change (ramp down)
Коэффициент скорости изменения задания при изменении задания в отрицательную сторону.
Прошивка регулятора KX6 дополнена следующими полезными функциями: [58] Pot - Potentiometer enabling
Обратная связь с клапана может использоваться, как только для отображения, так и для управления.
[60] PoSi - Valve position at start up
Возврат клапана в указанное положение (открыт или закрыт) при включении питания при работе без обратной связи.
[59] P.cAL - Automatic Potentiometer Calibration
Функции автоматической калибровки обратной связи и определения реального времени движения для повышения качества управления и диагностики. KX6 последовательность калибровки потенциометра
Аварии и тревоги
Надеемся, что приведенная информация окажется полезной.
