Zadanie 07, BIOTECHNOLOGIA POLITECHNIKA ŁÓDZKA, CHEMIA FIZYCZNA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
7. ELEKTRONICZNY REGULATOR PID DO REGULACJI POZIOMU CIECZY
W ZBIORNIKU
Cel zadania:
Porównanie statycznych i dynamicznych właściwości układów
sterowania ręcznego oraz dwupołożeniowej i ciągłej regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.
Działanie przemysłowego regulatora elektronicznego PID, międzysystemowego przetwornika
elektropneumatycznego oraz zaworu regulacyjnego z pneumatycznym siłownikiem tłokowym
i ustawnikiem pozycyjnym. Doświadczalne określenie optymalnych nastaw regulatora PID
metodą Zieglera i Nicholsa.
7.1. UKŁAD REGULACJI
Schemat układu regulacji poziomu cieczy przedstawia rysunek 7.1. Obiektem regulacji
jest zbiornik
ZB
, przez który przepływa woda wodociągowa. Zadaniem układu regulacji jest
utrzymanie zadanego poziomu wody w zbiorniku (regulacja stałowartościowa).
Rys. 7.1. Schemat układu regulacji poziomu cieczy
Woda dopływa do zbiornika przez zawór napływowy
ZN
i następnie przez kulowy
zawór regulacyjny
ZR
. Zawór regulacyjny jest sterowany dwutłokowym siłownikiem
pneumatycznym
SP
firmy Worcester, połączonym z ustawnikiem pozycyjnym
UP
. Ustawnik
7-2
zapewnia jednoznaczność i liniowość stopnia otwarcia zaworu (
S
z
) w funkcji wartości sygnału
regulującego (ciśnienia
P
u
). Ustawnik i siłownik są zasilane sprężonym powietrzem o ciśnieniu
P
z
= 250÷300 kPa ze stacji zasilania. Pozostałe układy pneumatyczne są zasilane za
pośrednictwem reduktora ciśnienia
RD
z
filtrem i odoliwiaczem powietrza. Woda odpływa ze
zbiornika przez zawór odpływowy
ZO
. Poziom
h
wody w zbiorniku oraz jest mierzony
czujnikiem ciągłym (analogowym)
CC
, a przekroczenia jego założonych wartości są
sygnalizowane czujnikiem dwupołożeniowym (dyskretnym)
CD
.
Czujnik dwupołożeniowy jest czujnikiem typu konduktometrycznego, w którym słup
wody wodociągowej, zawierającej zawsze niewielkie ilości związków chemicznych w postaci
zdysocjowanej, zamyka obwód prądu elektrycznego po zetknięciu się z umieszczonym
w szklanej rurce drucikiem. Czujnik dwupołożeniowy wyposażono w dwa druciki, umocowane
na różnych wysokościach i dostarczające dwóch dwustanowych sygnałów elektrycznych:
sygnału
SD
do dwupołożeniowego regulatora poziomu wody
RD
oraz sygnału alarmu
SA
do
układu alarmu
UA
. Rurka czujnika dwupołożeniowego jest zaopatrzona w podziałkę i może być
wykorzystywana również jako miejscowy wskaźnik poziomu wody w zbiorniku - tzw.
poziomowskaz.
Czujnik ciągły jest poziomomierzem pływakowym, z transformatorowym, różnicowym
przetwornikiem liniowego przesunięcia pływaka, którego konstrukcję i działanie omówiono
w literaturze ([1], rozdz. 10.1.6.B). Sygnał napięciowy
SC
z czujnika ciągłego jest
doprowadzony do wzmacniacza
W
i następnie jako sygnał prądowy
I
y
do regulatora ciągłego
RC
.
Zespoły manipulacyjne i sygnalizacyjne są umieszczone w szafie sterowniczej.
Elektryczny, ciągły sygnał poziomu wody w zbiorniku jest wskazywany przez miliamperomierz
wielkości regulowanej
I
y
. Sygnał ten jest prądowym sygnałem standardowym 0...5 mA. Zerowy
stan poziomu wody (
h
= 0) odpowiada wartości prądu
I
y
= 0 mA; maksymalny mierzony stan
poziomu wody w zbiorniku (
h
= 100%) odpowiada wartości prądu
I
y
= 5 mA.
Pod miernikiem sygnału
I
y
jest umieszczona lampka
LD
, sygnalizująca zadziałanie
czujnika dwupołożeniowego
CD
przy napełnieniu zbiornika do ok.
h
= 50 %. Wzrost poziomu
wody powyżej
h
= 100%, powoduje zadziałanie czujnika alarmu i układu alarmu
UA
,
odcinającego natychmiast dopływ wody do zbiornika i sygnalizującego optycznie (lampka
LA
)
i akustycznie (buczek
BA
) stan przepełnienia zbiornika. Skasowanie sygnału akustycznego
alarmu następuje po wciśnięciu przycisku
KA
.
Poniżej lampek
LD
i
LA
znajduje się wyłącznik sieciowy
W
s
oraz przełącznik rodzaju
pracy układu:
R
- ręczna,
D
- automatyczna dwupołożeniowa,
C
- automatyczna ciągła.
7-3
W środkowej części szafy sterowniczej są umieszczone: elektroniczny regulator ciągły
RC
typu ARC-21, stacyjka operacyjna
SO
typu ADS-42 (obydwa urządzenia produkcji
zakładów MERA-ELWRO) oraz rejestrator
RS
wielkości regulowanej (poziomu wody
w zbiorniku). Rejestrator posiada (umieszczony z lewej strony) oddzielny wyłącznik sieciowy
W
r
. Prędkość przesuwu taśmy rejestratora nie jest typowa dla rejestratorów przemysłowych, jest
10x większa i wynosi 200 mm/godz.
Z prawej strony przedniej ściany szafy sterowniczej znajdują się mierniki
standardowych sygnałów wyjściowych układu sterowania i regulacji: sygnału elektrycznego
I
u
(0...5 mA) oraz sygnału pneumatycznego
P
u
(20...100 kPa).
Pod miernikami są umieszczone lampki sygnalizujące stan urządzenia wykonawczego -
zaworu regulacyjnego (
LZ
- zamknięty,
LO
- otwarty,
LP
- położenia pośrednie).
Układ sterująco-regulacyjny może pracować w trzech wariantach:
a) systemie ręcznego sterowania poziomem cieczy w zbiorniku,
b) systemie automatycznej regulacji dwupołożeniowej,
c) systemie automatycznej regulacji ciągłej.
W systemie
sterowania ręcznego
(
R
), sygnał wyjściowy układu jest nastawiany ręcznie
przez obsługującego za pośrednictwem stacyjki operacyjnej przełączonej na sterowanie ręczne.
Ciągły, elektryczny sygnał wyjściowy stacyjki
I
u
jest przetwarzany w międzysystemowym
przetworniku elektropneumatycznym
PE
na sygnał pneumatyczny
P
u
, który z kolei steruje
ustawnikiem pozycyjnym sprzęgniętym z siłownikiem pneumatycznym i zaworem
regulacyjnym. Wartość wielkości sterowanej (poziomu wody w zbiorniku) może być
odczytywana ze wskaźnika
I
y
lub ze wskaźnika rejestratora.
W systemie
automatycznej regulacji dwupołożeniowej
(
D
) jest wykorzystywany
dwupołożeniowy czujnik poziomu wody
CD
, dostarczający sygnału dyskretnego do regulatora
dwupołożeniowego
RD
. Elektryczny sygnał wyjściowy regulatora, o charakterze nieciągłym
(dwustanowym): 0 mA lub 5 mA, jest przetwarzany w przetworniku międzysystemowym na
również dwustanowy sygnał pneumatyczny (20 lub 100 kPa), sterujący siłownikiem
pneumatycznym i zaworem regulacyjnym. Siłownik może więc ustawiać zawór tylko
w krańcowych położeniach: zamkniętym lub otwartym. Zbyt niski poziom wody w zbiorniku
powoduje całkowite otwarcie zaworu, natomiast po przekroczeniu poziomu zadanego (h ≈ 50%),
zawór zamyka się całkowicie (patrz też [1], rozdz. 18.1.1).
W systemie
automatycznej regulacji ciągłej
(
C
), jest wykorzystywany ciągły czujnik
poziomu wody
CC
, dostarczający ciągłego sygnału elektrycznego
I
y
=
f
(
h
) do regulatora
7-4
ciągłego
RC
. Regulator porównuje sygnał wielkości regulowanej
I
y
z sygnałem wielkości
zadanej i odpowiednio kształtuje wyjściowy sygnał wielkości regulującej
I
u
, zgodnie z
nastawioną charakterystyką (PID). Sygnał
I
u
jest następnie przetwarzany w przetworniku
międzysystemowym na sygnał pneumatyczny, sterujący ustawnikiem pozycyjnym, sprzęgniętym
z siłownikiem pneumatycznym i zaworem regulacyjnym. Wzrost poziomu wody w zbiorniku
wywołuje zwiększenie prądu
I
y
. Regulator odpowiednio kształtuje wyjściowy sygnał wielkości
regulującej, zmniejszając wartość prądu
I
u
i przymykając zawór regulacyjny na dopływie wody
do zbiornika. W ten sposób zostaje zamknięta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego w układzie
stałowartościowej regulacji poziomu wody w zbiorniku (patrz [1], rozdz. 17.1.1 i 18.2.4).
7.2. BUDOWA I DZIAŁANIE ELEKTRONICZNEGO REGULATORA PID
Uproszczony schemat blokowy elektronicznego regulatora PID przedstawia rysunek
7.2. Podstawowym elementem składowym układu regulatora jest scalony, półprzewodnikowy
wzmacniacz operacyjny
W
, posiadający dwa wejścia: odwracające kierunek napięcia
wejściowego (-) i nie odwracające kierunku napięcia wejściowego (+). Przez łączenie wyjścia
wzmacniacza z jednym z jego wejść można zamykać pętlę sprzężenia zwrotnego ujemnego lub
dodatniego. Sprzężenie to może być proporcjonalne (rezystor w pętli sprzężenia) lub
o charakterystyce różniczkującej czy całkującej (odpowiednio włączony w pętlę człon
RC
).Ujemne sprzężenie proporcjonalne pozwala na zmianę statycznego wzmocnienia
wzmacniacza, natomiast sprzężenie różniczkujące (
D
) lub całkujące (
I
) kształtuje jego
właściwości dynamiczne.
Wzmacniacz
W
1
jest członem sumującym regulatora, dokonującym operacji porównania
dwóch sygnałów napięciowych
U
=
w
−
U
y
U
e
. Wzmacniacz
W
2
jest członem proporcjonalnym
o stałym wzmocnieniu. Wzmacniacz
W
3
jest członem różniczkującym, z nastawianym czasem
wyprzedzenia
T
D
natomiast wzmacniacz
W
4
stanowi człon całkujący z nastawianym czasem
zdwojenia
T
I
. Trzy sygnały:
U
P
,
U
D
i
U
I
są doprowadzone do wzmacniacza W
5
,
umożliwiającego płynną zmianę wzmocnienia ich sumy i tym samym nastawianie zakresu
proporcjonalności regulatora
X
P
.
Omówiony układ wzmacniaczy operacyjnych realizuje algorytm regulatora PID
zgodnie z równaniami przedstawionymi w literaturze ([1], rozdz. 18.2.4).
7-5
Rys. 7.2. Schemat blokowy elektronicznego regulatora PID
7.3. WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNE UKŁADU
7.3.1. CHARAKTERYSTYKA STEROWANIA ZAWOREM REGULACYJNYM
Sprawdzić, czy jest uruchomiona sprężarka stacji zasilania (spytać laboranta) i czy
ciśnienie powietrza w stacji osiągnęło wartość 300 kPa (sprężarka wyłącza się wtedy
automatycznie). Otworzyć
całkowicie
umieszczony w pobliżu reduktora ciśnienia
RD
zawór
odcinający
ZZ
. Pokrętłem reduktora (górnym) nastawić wartość ciśnienia
P
0
= 150 kPa.
Wyłączyć zasilanie rejestratora wyłącznikiem
W
r
. Włączyć zasilanie szafy sterowniczej
czerwonym przyciskiem
W
s
. Nastawić ręczny rodzaj pracy układu sterująco-regulacyjnego
przez wciśnięcie przycisku
R
. Regulator ciągły przełączyć na ręczną pracę układu -
wcisnąć
przycisk
A/R
w stacyjce operacyjnej. Pozostałe przyciski stacyjki w dowolnym położeniu. Zawór
napływowy
ZN
wody do zbiornika (przy ścianie) powinien być zamknięty, zawór odpływowy
ZO
całkowicie otwarty (100 % wypływu). W tych warunkach mimo otwierania zaworu
regulacyjnego, zbiornik nie będzie napełniany wodą.
Używając na przemian przycisków (+) i (−) w stacyjce operacyjnej, można dowolnie
otwierać i zamykać zawór regulacyjny. Naciśnięcie i przytrzymanie odpowiedniego przycisku
powoduje otwieranie lub zamykanie zaworu ze stałą prędkością. W momencie puszczenia
przycisku, układ zapamiętuje położenie zaworu i utrzymuje je dowolnie długo. Nawet
kilkunastominutowy zanik napięcia zasilającego nie powoduje skasowania analogowej pamięci
układu.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]