Prosessitekniikan perusta Automaatiotekniikka

Transkriptio

1 Prosessitekniikan perusta Automaatiotekniikka Peruskäsitteitä ja niiden välisiä yhteyksiä Prosessi- ja ympäristötekniikan koulutusohjelmissa keskitytään ilmiöihin ja niiden hallintaan. Ilmiöiden tarkastelussa rajaudutaan sellaisiin ilmiöihin, jotka ovat tyypillisiä sekä luonnonprosesseissa että teollisissa prosesseissa. Toisaalta itse prosessin käsitteen voidaan määritellä tarkoittavan pyrkimystä hallita erilaisia ilmiöitä. Ilmiöiden hallintaa voidaan toteuttaa prosessi- ja ympäristötekniikan keinoin suunnittelemalla ja toteuttamalla siihen sopivia prosessilaitteita ja/tai luonnon ympäristöön tehtyjä rakenteita. Lisäksi ilmiöitä voidaan hallita automaatioteknisin keinoin, joihin tässä yhteydessä keskitytään. Automaatiossa on aina kysymys toiminnasta, joka voi tapahtua ilman ihmisen jatkuvaa vaikutusta ja ohjausta. Tietyssä mielessä kysymys on jostakin itsestään tapahtuvasta. Käytännössä nykyaikaisessa automaatioteknisissä laitteissa ja järjestelmissä ihmisen tekemä päättely- ja lihastyö on osaksi tai kokonaan korvattu mikroprosessoreissa toimivilla ohjelmilla, jotka toteuttavat erilaisten mittaus- ja ohjauslaitteiden avulla säätö- ja systeemiteknisiä menetelmiä. Automaatiossa keskeisin periaate on ns. takaisinkytkennän (tai takaisinkytketyn säädön) periaate, jolla tarkoitetaan sitä, että jonkin hallittavan suureen arvoa mitataan jatkuvasti ja tämä mittausarvo siirretään (takaisin kytketään) tietokoneelle, joka vertaa saatua mittausarvoa haluttuun (eli tavoiteltuun) lukuarvoon (ns. asetusarvo) ja muodostaa näiden erotuksen perusteella sopivan ohjaussuureen. Ohjaussuure puolestaan siirretään tietokoneesta ns. toimilaitteelle, joka pyrkii muuttamaan hallittavaa kohdetta siten, että mitattava arvo lähestyy edellä mainittua asetusarvoa. Prosessiautomaatiota on käsitteenä helpointa tarkastella sitä ylempien käsitteiden ja erilaisten rajausten avulla. Aloittamalla tarkastelu yleisestä automaation näkökulmasta voidaan todeta prosessiautomaation olevan osa teollisuusautomaatiota, jolla tarkoitetaan lyhyesti ilmaistuna teollisuuslaitoksissa sovellettua automaatiota. Kysymyksessä on siis erilaisten tuotantolaitosten automatisointiin käytetty tekniikka, joka koostuu erilaisista laitteista kuten mittalaitteista, toimilaitteista ja tietokonepohjaisista automaatiojärjestelmistä sekä ohjelmistoista ja niihin sisällytetyistä menetelmistä, joita taas ovat mm. loogiset operaatiot ja päättely, säätötekniikka, suodatus, visualisointi ja vikadiagnostiikka. Teollisuusautomaatio jakautuu kahteen osaan: kappaletavara-automaatioon ja prosessiautomaatioon. Kappaletavara-automaatiossa on kysymyksessä nimensä mukaisesti selvästi erotettavien kappaleiden käsittelyyn erikoistuneesta tekniikasta, kun taas prosessiautomaatiossa tarkastelun kohteena on virtaavien aineiden, kuten nesteiden, kaasujen, lietteiden ja jauheiden käsittelyyn erikoistuneet tekniikat. Prosessiautomaatio voidaan edelleen jakaa ohjattavien prosessien luonteen mukaan kahteen pääluokkaan: panosprosessien ja jatkuvien prosessien automaatioon. Panosprosessien automaatio on menetelmien osalta samankaltaista kuin kappaletavara-automaatio: niissä molemmissa korostuu looginen vertailu ja päättely, ja toisaalta säätötekniikan rooli on jatkuvien prosessien automaatioon verrattuna 1

2 vähäisempää. Jatkuvien prosessien automaatio on menetelmätekniikan näkökulmasta tarkasteltuna usein takaisinkytkettyä säätöä, jossa kohteena oleva prosessi pidetään mahdollisimman tarkasti halutussa tilassa häiriöistä huolimatta. Prosessin haluttu tila voidaan määrätä ns. optimoivien menetelmien avulla. Tällöin optimointi tarkoittaa kullakin ajan hetkellä parhaan mahdollisen tavoitetilan määrittelyä, mikä puolestaan tapahtuu erilaisia teknis-taloudellisia kriteerejä hyväksi käyttäen. Monet teollisuuslaitokset sisältävät piirteitä sekä prosesseista että kappaletavaran käsittelystä. Virtaavien aineiden käsittelyssä on kuitenkin runsaasti teollisuuden alasta riippumattomia yhteisiä piirteitä, minkä vuoksi niiden automaatiota samoin kuin luonnonympäristön hallintaan tarkoitettua automaatiota voidaan käsitellä samalla tavoin. Ensinnäkin niissä kaikissa on useimmiten hallittavana samoja suureita kuten virtausnopeus, paine, lämpötila, pinnankorkeus tai jokin pitoisuus. Toiseksi niissä pyritään hallitsemaan jotain fysikaalista tai biologista ilmiötä tai kemiallista reaktiota. Ilmiön tai reaktion luonne voi olla luonnostaan vakaa eli stabiili tai epävakaa eli epästabiili. Ensimmäisessä tapauksessa prosessiautomaation tehtäväksi jää lähinnä mittaustiedon esittäminen ihmiselle sopivassa muodossa sekä prosessin tavoitetilan muutosten ohjaus. Jälkimmäisessä tapauksessa automaation tulee lisäksi vakauttaa eli stabiloida prosessi niin, että se pysyy halutussa tilassa ja siirtyy hallitusti tilasta toiseen. Erityisesti näihin tapauksiin tarvitaan takaisinkytkettyjä säätöpiirejä. Prosessiautomaatio koostuu perusautomaation tasolla erilaisten yksikköoperaatioiden hallinnasta ja tehdasautomaation tasolla koko tuotannon hallinnasta. Nykyisin prosessiautomaation tehtäväkenttää on laajennettu yhä suuremmassa määrin myös prosessilaitteiden kunnonvalvontaan ja tuotteiden laadunvalvontaan sekä ulotettu koko raaka-aineiden hankintaketjuun ja vastaavasti tuotteiden toimitusketjuun tehtaalta asiakkaille. Prosessiautomaatiolaitteista ja -järjestelmistä Prosessiautomaation toteutuksessa käytetään tietokonetekniikkaa. Nykyaikainen prosessiautomaatiojärjestelmä koostuu useista kymmenistä tehtäväänsä erikoistuneista tietokoneista, jotka voivat keskustella keskenään eritasoisten tietoverkkojen avulla. Tehtävien jakamista useammalle erikoistuneelle tietokoneelle kutsutaan hajauttamiseksi. Prosessiautomaatiojärjestelmä saa jatkuvasti mittaustietoa prosessista siihen kytkettyjen mittalaitteiden kautta sekä kykenee ohjaamaan prosessia toimilaitteidensa avulla. Mittalaitteet koostuvat tuntoelimestä eli anturista ja mittalähettimestä, joka muuttaa anturin antaman mittaviestin paremmin siirrettävään ja muun laitteiston kannalta helpommin käsiteltävissä olevaan standardimuotoon. Toimilaitteet vaikuttavat prosessiin halutulla tavalla, esim. venttiili voi muuttaa virtausta jossakin putkessa tai lämmitysvastus voi muuttaa lämpötilaa jossakin säiliössä. Toimilaitteet koostuvat toimimoottorista ja toimielimestä. Nykyisin sekä mittalaitteet että toimilaitteet sisältävät usein oman erikoistuneen mikroprosessorinsa, joka käsittelee varsin itsenäisesti erilaisia tietoja ja joka kykenee myös keskustelemaan muiden laitteiden prosessoreiden kanssa. Tästä syystä näitä toimilaitteita on kutsuttu älykkäiksi kenttälaitteiksi. Älykkäät kenttälaitteet kommunikoivat sekä keskenään että muiden automaatiolaitteiden ja myös ihmisen kanssa alemman tason tietoverkon eli ns. kenttäväylän kautta. 2

3 Prosessiautomaatiojärjestelmä sisältää myös ylemmän tason tietokonelaitteita eli alaasemia, joissa voidaan suorittaa vaativampaa laskentaa ja tietojen käsittelyä ja joissa tietoa voidaan jalostaa paremmin prosessia valvovan ihmisen käyttöön sopivaksi. Alaasemat voivat vaihtaa tietojaan ns. järjestelmäväylän avulla, joka on käytännössä samanlainen paikallinen tietoverkko (ns. lähiverkko eli LAN) kuin toimistoissa käytetyt verkot. Niitä prosessiautomaatiojärjestelmän laitteita, jotka on rakennettu palvelemaan prosessia ohjaavaa ja valvovaa ihmistä, kutsutaan valvomolaitteiksi. Merkittävä osa prosessiautomaatiosta on rakennettu ihmisen tarvitsemaa käyttöliittymää varten, jonka kautta prosessia valvova ja ohjaava henkilöstö kykenee hallitsemaan laajoja tehdaskokonaisuuksia suurissa valvomoissa. Prosessien valvontaa on enenevässä määrin keskitetty suuriin valvomoihin, joissa operaattoreina toimivat ihmiset voivat auttaa toisiaan ja siten jakaa muutoin usein hyvin epätasaisesti kuormittavaa työtä keskenään. Prosessiautomaation merkityksestä Historiallisesti tarkasteltuna prosessiautomaatio on mekanisaation jatke: mekanisaatiossa korvattiin ihmisen (usein orjien) tekemä lihastyö konevoimalla, kun taas automaatiossa korvattiin myös henkisesti kuormittava ja usein vaarallisissa olosuhteissa tapahtuva pakkotahtinen kenttätyö suurelta osin toimisto-olosuhteita vastaavassa valvomossa tapahtuvaksi tarkkailutehtäväksi, jossa toistuvista rutiineista huolehtii automaatiojärjestelmä ja ihminen puuttuu asioiden kulkuun vain poikkeustilanteissa. Yhteiskunnallisesti prosessiautomaatio on merkinnyt työvoimatarpeen vähenemistä. Toisaalta automaatio on keskeinen kilpailutekijä globaalissa taloudessa ja korkea automaatioaste on paras tapa säilyttää tuotantotoimintaa ja siihen liittyviä työpaikkoja myös Suomessa ja muissa perinteisissä teollisuusmaissa, joissa tuotantotoiminnan henkilöstökustannukset ovat merkittäviä. Vaikka teollisuuden suora työllistävä merkitys onkin vähentynyt, sen välilliset vaikutukset työllisyyteen ja kansantalouteen ovat edelleen erittäin suuria. Koska prosessiteollisuuden tuotteet menevät pääosin muun teollisuuden jatkojalostukseen eivätkä yksittäisten kuluttajien käyttöön, ne jäävät suurelle yleisölle vieraiksi ja ehkä juuri siksi ne mielletään usein edelleen halvoiksi ja yksinkertaisiksi massatuotteiksi. Todellisuudessa prosessiteollisuuden tuotteet ovat nykyisin kunkin (yritys)asiakkaan tarpeiden mukaan räätälöityjä erikoistuotteita, joiden laatua valvotaan ja ylläpidetään tarkasti automaation avulla. Prosessiautomaatiolla on ratkaiseva merkitys sekä paikallisen ympäristönsä kannalta että globaalissa mielessä. Automaation avulla voidaan vähentää merkittävästi raakaaineiden ja energian kulutusta sekä päästöjä ja hylkyyn menevän tuotannon osuutta. Nykyaikainen teollisuus ei voisi mitenkään asiallisesti täyttää sille asetettuja ympäristönormeja ilman prosessiautomaatiota. Prosessiautomaation kehittäminen on usein myös ensimmäinen ja edullisin tapa pienentää teollisuuslaitoksen ympäristökuormitusta, koska varsinaisten prosessilaitteisiin tai ympäristöteknisiin 3

4 rakenteisiin tehtävät muutokset vaativat huomattavasti automaatiota suurempia taloudellisia investointeja. Prosessiautomaation suunnittelusta ja toteutuksesta Jotta jokin prosessi voidaan automatisoida, tarvitaan tehtävään sopivat mitta- ja toimilaitteet (eli ns. kenttälaitteet), joiden valintaan puolestaan tarvitaan tietoa prosessin ominaisuuksista ja toiminnasta. Erityisesti tulee tietää, mitä suureita ko. prosessissa tulee pitää hallinnassa ja millä tavoin tai minkä suureiden avulla hallittavia suureita voidaan hallita. Tulee siis tietää mitattavat (hallittavat) suureet sekä sellaiset suureet, joilla edellä mainittuihin voidaan vaikuttaa eli ns. ohjaussuureet. Sopivien kenttälaitteiden lisäksi tarvitaan automaatiojärjestelmä (eli prosessia ohjaavat tietokoneet), jossa toimivien ohjelmien avulla voidaan toteuttaa järjestelmän säätö- ja ohjausperiaatteita sekä -menetelmiä. Menetelmien sovittaminen kunkin yksittäisen prosessin tarpeisiin puolestaan edellyttää tietoa siitä, kuinka ohjaussuureen muutos (eli toimilaitteen asennon muutos) vaikuttaa hallittavaan suureeseen. Tätä tietoa kutsutaan prosessin dynamiikaksi ja se ilmaistaan usein prosessin matemaattisen mallin avulla. Matemaattinen malli voidaan laatia kokeellisen tiedon (prosessikokeiden tulosten) ja/tai teoreettisen tiedon (aine-, energia- ja liikemäärätaseet sekä ilmiöihin liittyvät luonnonlait) avulla. 4

5 1 1 PROSESSIEN DYNAMIIKKA Jotta voisimme ohjata ja/tai säätää jotain systeemiä järkevästi, meidän tulee tietää, kuinka ko. systeemi reagoi erilaisiin ohjauksiin. Ohjauksen ja sitä seuraavan vasteen keskinäistä ajan mukana muuttuvaa käyttäytymistä nimitetään dynamiikaksi. Kuvassa on tyypillinen askelkoe: ohjausta (virtaus) muutetaan askelmaisesti ja vaste (pinnankorkeus) käyttäytyy prosessin dynamiikan mukaisella tavalla. Vasteesta voidaan mitata mm. seuraavia dynamiikkaa kuvaavia tunnuslukuja: - prosessin vahvistus: vasteen kokonaismuutoksen suhde ohjauksen muutokseen - viive eli kuollut aika: Se aika, joka kuluu ohjauksen muutoshetkestä siihen hetkeen, jossa vaste alkaa muuttua (eli ohjauksen vaikutus alkaa näkyä)

6 2 - aikavakio: Se aika, joka kuluu vasteen muutoksen alkuhetkestä siihen hetkeen, jossa se on saavuttanut 63,5 % lopullisesta muutoksestaan. Edellisistä dynamiikkaa kuvaavista tunnusluvuista voidaan päätellä mm. seuraavaa: - mitä suurempi on prosessin vahvistus, sitä voimakkaammin se reagoi ohjaukseen (ja sitä pienempi vahvistus riittää vastaavasti säätimelle) ja päinvastoin, - mitä pitempi viive, sitä haastavampaa on säädön suunnittelu (ja sitä varovaisemmin säätö on viritettävä) sekä - mitä pitempi aikavakio, sitä hitaammin prosessi reagoi ohjaukseen (ja sitä paremmin se samalla suodattaa myös nopeasti muuttuvia tahattomia ohjauksen muutoksia eli häiriöitä). Viive haittaa aina ohjausta ja säätöä. Pitkä viive voi aiheuttaa epästabiilisuutta. Viiveellisiä prosesseja ohjataan ja säädetään usein siihen tarkoitetuilla erikoisalgoritmeilla ja/tai -menetelmillä. Viiveen absoluuttisella arvolla ei ole niin suurta merkitystä kuin sen suhteella aikavakioihin. Pitkä viive suhteessa määräävän aikavakioon ratkaisee sen, kuinka hankalaa säätö lopulta on (hitaassa prosessissa voi olla jonkin verran viivettäkin ilman, että siitä koituu suurta haittaa). Taitavalla säätösuunnittelulla viiveen haittoja voidaan vähentää ratkaisevasti. Joissakin tapauksissa instrumenttien uudelleen sijoituksella ja prosessien suunnittelulla viivettä voidaan pienentää tai joissakin tapauksissa poistaa lähes kokonaan. Prosessin hitaudesta voi olla jopa hyötyä, koska se suodattaa samalla häiriöitä. Toisaalta hitaus aiheuttaa myös prosessin tavoitetilan muutostarpeiden hidasta seurantaa ja siten pitkäaikaisia poikkeamia mitatun ja halutun suureen arvon välille. Huolellisella säätimen suunnittelulla ja virityksellä voidaan tasapainottaa hidasta ja nopeaa prosessidynamiikkaa siten, että säätöpiiri toimii halutulla

7 3 tavalla. Tavallisissa PID -säätimissä se tehdään sopivilla derivointi- ja integrointiajan valinnoilla. Edellä esitettyä tapaa tarkastella dynamiikkaa kutsutaan kokeelliseksi mallintamiseksi. Siinä aiheutetaan tarkoituksellisesti määrämuotoisia muutoksia ohjaukseen (esim. askelmuutoksia, pulsseja, siniaaltoa ja ramppifunktioita) ja mitataan niistä seuraavia vasteita. Sen sijaan teoreettisessa mallintamisessa käytetään luonnonlakeja sekä aine-, energia- ja liikemäärätaseita, joiden avulla voidaan selvittää aivan samoja dynamiikkaan liittyviä asioita kuin kokeellisessakin mallintamisessa. Teoreettista mallintamista tarvitaan erityisesti silloin, kun kokeiden suorittaminen ei ole mahdollista (fyysistä järjestelmää ei vielä ole olemassa tai dynamiikan selvittämiseen tarvittavat kokeet ovat vaarallisia). Teoreettinen mallintaminen tuottaa tuloksena ensimmäisessä vaiheessa differentiaali- tai differenssiyhtälöitä tai vastaavia yhtälöryhmiä. Esim. Ainetase: kertymä = sisäänvirtaus ulosvirtaus dv ( t) Fi ( t) F0 ( t) dt Adh( t) Fi ( t) Fo ( t) dt

8 4 Edellä V on säiliön tilavuus, A on säiliön pinnankorkeus ja h(t) on pinnankorkeus, joka muuttuu ajan mukana. Yksiköt yhtälöiden molemmilla puolilla voisivat olla esim. m 3 /h. Edellisestä differentiaaliyhtälömuotoisesta esityksestä voidaan päätellä mm. seuraavaa: - mitä suurempi säiliö, sitä suurempi kertymä on mahdollinen (vastaavasti aikavakio on tällöin suurempi, koska se on suoraan verrannollinen säiliön tilavuuteen eli kapasiteettiin) sekä - ulosvirtaus säiliön pohjasta riippuu hydrostaattisesta paineesta, joka puolestaan riippuu pinnankorkeudesta eli ulosvirtauksen nopeus (tai hitaus) riippuu myös pinnankorkeudesta (matemaattisesti ilmaistuna ulosvirtaus on pinnankorkeuden funktio joka puolestaan on ajan funktio F 0 (t) = f(h(t)) ). Säätöteoreettisesti tarkasteltuna monet fyysisesti erilaiset systeemit voivat olla dynaamisessa mielessä samanmuotoisia. Esimerkiksi putkisto venttiileineen, säiliöineen ja pumppuineen on dynaamisesti samankaltainen kuin virtapiiri vastuksineen, kondensaattoreineen ja virtalähteineen. Samankaltaisuus eli analogia kattaa sekä komponentit että suureet: säiliön tilavuus venttiili tai kuristuslaippa paine-ero virtaus kondensaattorin kapasitanssi sähkövastus jännite-ero sähkövirta Klassinen säädönsuunnittelu pyrkii muuntamaan dynamiikan differentiaali- tai differenssiyhtälömuotoiset yhtälöt algebrallisiksi (tavallisiksi) yhtälöiksi ns. muunnostekniikoilla (Laplace- ja Z-muunnokset). Algebrallinen yhtälö voidaan

9 5 muuttaa tietyillä edellytyksillä (ja/tai oletuksilla) siirtofunktioksi, johon on tiivistetty prosessin dynaaminen käyttäytyminen ja jota on myös helppo käsitellä mm. lohkokaavioalgebran avulla. 2 INSTRUMENTTIEN DYNAMIIKKA Instrumenttien halutaan toimivan mahdollisimman ideaalisesti, jolloin heräte toistuisi niissä muuttumattomana vasteena. Tällöin niissä ei olisi lainkaan vahvistus eikä vaimennusta (tai vahvistus olisi tasan 1). Niissä ei saisi olla myöskään lainkaan hitautta eli aikavakionkin tulisi olla nolla tai hyvin lähellä sitä. Myöskään viivettä ei saisi esiintyä. Tällöin instrumentit toimisivat säätöpiireissä dynaamisessa mielessä mahdollisimman neutraaleina komponentteina (eli niiden koko siirtofunktion voisi olettaa olevan 1). Instrumentit pyritään suunnittelemaan ja asentamaan siten, että ne toimisivat edellä kuvatulla tavalla eli dynaamisessa mielessä mahdollisimman neutraalisti. Tähän ei luonnollisestikaan täysin pystytä, mutta usein tilanne on käytännössä kuitenkin sellainen, että instrumenttien aikavakiot, viiveet ja vahvistukset ovat säädettävän prosessin vastaaviin tunnuslukuihin verrattuna merkitykseltään vähäisiä ja ideaalisuusoletus on näin perusteltu. Käytännössä toimilaitteissa voi olla mm. välystä (jolloin ne eivät reagoi heti ja siitä seuraa viivettä), ne voivat jumiutua hetkittäin, ne kuluvat (jolloin niiden dynamiikka muuttuu) jne. Näillä muutoksilla saattaa olla joissakin tapauksissa myös hyvin suuri tai jopa ratkaiseva merkitys säädön toimintaan. Kuluminen aiheuttaa paitsi huoltotarvetta myös mm. jatkuvaa instrumenttien kalibrointitarvetta ja säätöpiirien viritystarvetta, jotta automaattinen ohjaus säilyisi toimintakykyisenä.

10 6 Mittalaitteiden osalta dynamiikkaa voi muuttaa mm. likaantuminen, minkä vuoksi mittaus ryömii. Anturit on usein suojattu prosessivirran kuluttavilta ja korrodoivilta ominaisuuksilta, jolloin suojaukseen käytetty ns. suojatasku aiheuttaa mittaukseen hitautta (eli lisää aikavakiota ja/tai tuo systeemiin lisää aikavakioita). Tästä seikasta voi olla myös hyötyä ns. suodatusvaikutuksen kautta, kun nopea kohina suodattuu aikavakioiden kautta pois. Anturit tulee asentaa siten, niiden on mahdollista saavuttaa prosessin muuttunut tilanne mahdollisimman nopeasti. Tämä tarkoittaa esim. sitä, että mittausanturi asennetaan reaktorin aktiiviselle alueelle, jossa virtaus huuhtelee anturia tehokkaasti. Vastaavasti toimilaitteet tulee sijoittaa siten, että niiden vaikutuspiste ja mittauspiste ovat mahdollisimman lähellä toisiaan, jotta ns. matkaviive minimoituisi. Tällekin itse prosessi ja myös mittaustiedon luotettavuus asettavat omat rajoituksensa. Esimerkiksi virtauksen luotettava mittaus edellyttää, että virtausprofiili on saanut ns. kehittyä riittävästi, mikä puolestaan edellyttää riittävän pitkää tasaista putkiosuutta, jossa ei saa olla toimilaitteen (kuten pumpun tai säätöventtiilin) aiheuttamaa pyörteilyä. Tämän vuoksi anturin asennuspisteen ja ohjauksen vaikutuspisteen tulee väistämättä sijaita riittävällä etäisyydellä toisistaan eikä matkaviivettä voidaan näin ollen kokonaan välttää. 3 SÄÄTÖPIIRIN DYNAMIIKKA JA SÄÄDÖN SUUNNITTELU Usein säätöpiiri kuvataan alla olevan kuvan mukaisesti koostuvaksi vain kahdesta komponentista: säätimestä ja säädön kohteena olevasta prosessista. Tällöin prosessia kuvaavan lohkon ajatellaan sisältävän myös instrumenttien dynamiikan.

11 7 Kun prosessin ja instrumenttien dynamiikka eli siirtofunktiot tunnetaan, lohkokaavioalgebran avulla on periaatteessa mahdollista ratkaista tarvittavan säätimen dynaamiset ominaisuudet eli säätimen siirtofunktio. (Siirtofunktio on puolestaan rutiininomaisesti muunnettavissa automaatiojärjestelmään helposti konfiguroitavaksi säätöalgoritmiksi.) Säätöpiirissä tavoitteena on tilanne, jossa säädettävä suure vastaisi mahdollisimman hyvin haluttua arvoa eli asetusarvoa. Periaatteessa säätöpiirin sievennetty siirtofunktio olisi tällöin 1, mutta todellisuudessa näin ei useinkaan voi olla eikä siihen todellisuudessa edes pyritä, koska sellainen suunnittelutavoite johtaisi käytännössä usein ei-realisoituvaan ratkaisuun eli ratkaisuun, jota ei voitaisi kuitenkaan toteuttaa. Ei-reaalisoituvuus voisi tarkoittaa esim. sitä, että säädin edellyttäisi toimiakseen tulevan ajanhetken mittaustietojen tuntemista etukäteen tai säätimen tuottama ohjaus olisi ääretön tai tilanne johtaisi muuhun vastaavaan fysikaaliseen mahdottomuuteen. Edelleen pyrkimys ideaaliseen säätöön, jossa säädettävä suure olisi siis kaiken aikaa asetusarvon mukainen kaikissa muutostilanteissa, voisi tuottaa epästabiilin ratkaisun, koska todellisuudessa suunnittelussa käytetyt dynamiikkatiedot ovat aina vain likiarvoisia ja usein aika karkeitakin malleja todellisen systeemin dynaamisesta käyttäytymisestä. Sen vuoksi säätösuunnittelussa käytetyt menetelmät tuottavatkin käytännössä ratkaisuja, jotka ovat ideaalista ratkaisua lähestyviä mutta samalla käytännössä realisoituvia ja stabiilisuuden (vakaan toiminnan) kannalta turvallisia ratkaisuja. Niiden tulee myös toimia siten, että ne eivät rasita liikaa toimilaitteita eivätkä kuluta liikaa energiaa tai vaadi suuria tehoja, mutta kykenevät silti riittävän tarkkaan ja nopeaan toimintaan.

12 Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I Säätö ja dynamiikka Tehtävä Selvittäkää tarkastelun kohteena olevan kokonaisprosessinne dynaamista käyttäytymistä ja säätöä seuraavasti: 1) prosessin läpimenoaika raaka-aineesta tuotteeksi (arvio), 2) suurimmat aikavakiot ja niiden likimääräinen suuruusluokka, 3) mahdolliset viiveet (kuollut aika, usein ns. matkaviive) ja niiden suuruusluokat sekä 4) tärkeimmät säätöpiirit (mitä mitataan ja säädetään sekä millä suureilla ohjataan). Ohjeita Läpimenoaikaan liittyviä tietoja ei välttämättä löydy suoraan ilmaistuna ainakaan kaikille kokonaisprosesseille. Näissä tapauksissa asiaa voi pyrkiä arvioimaan ja laskemaan esimerkiksi merkittävimpien säiliöiden (kapasiteettien) suuruuden ja keskimääräisten raaka-aine- ja tuotevirtojen suhteen avulla. Aikavakioiden osalta voi myös joutua tyytymään arvioihin siitä, mistä kohtaa ja minkä suuruisina suurimmat hitautta aiheuttavat tekijät löytyvät. Viiveet ovat prosesseissa varsin usein ns. matkaviiveitä. Niiden suuruutta voi arvioida ja laskea mittauspisteen (anturin kiinnityspiste) ja toimilaitteen keskinäisen etäisyyden perusteella, kun yleensä prosessiputkistojen virtausnopeus on (ellei muuta ole tiedossa) suuruusluokkaa 1 m/s. Säätöpiirien osalta kannattaa pyrkiä selvittämään, mitkä seikat prosessissa vaikuttavat säädettäviin ja mitattaviin suureisiin siinä esiintyviin ilmiöihin liittyvien luonnonlakien sekä prosessilaitteiden toimintaperusteiden ja rakenteiden kautta. Kannattaa ottaa huomioon, että ohjaussuureiden vaikutus voi olla myös epäsuoraa: esim. palautusvirtausosuuden muutos reaktoriin vaikuttaa siihen, kuinka pitkälle tuotteiden puolelle kemiallinen reaktio voi tasapainon puolesta edetä. Tyypillisesti prosessien ohjauksessa käytetään säätöventtiileitä, joiden avulla voidaan vaikuttaa tilavuusvirtauksiin (esim. paineen ja lämpötilan säädöissä). Hyvin tavallista on myös ohjata moottoreiden pyörimisnopeuksia (esim. pumpun moottorin pyörimisnopeuden muutos vaikuttaa pumpun tuottamaan tilavuusvirtaukseen ja sen aikaansaamaan paineeseen). Erilaisilla kolmitieventtiileillä ja säätöpeltien asennoilla voidaan vaikuttaa neste- ja kaasuvirtauksien jakautumiseen, jota puolestaan voidaan hyödyntää prosessissa monin tavoin. Tietoja haettaessa kannattaa yhdistää prosessin, ilmiön tai säädettävän suureen nimi sanaan säätö, jolloin voi löytää valmiita tietoja jonkin prosessin säätöstrategiasta ja saa tehtyä tehtävän suoraan sen perusteella. Joskus säädön toteutus on esitetty ns. PIkaaviona, jonka tulkinta vaatii siinä esiintyvien piirrosmerkkien ja kirjainsymbolien tuntemista. Siinä tapauksessa ne puolestaan joutuu selvittämään erikseen. 1