Suomen Automaatioseura ry JOH 1/1 Finlands Automationssällskap rf Finnish Society of Automation

Transkriptio

1 Suomen Automaatioseura ry JOH 1/1 Hans Aalto Neste Engineering Oy JOHDATUS SÄÄTÖTEKNIIKKAAN Säätötekniikka on eräs automaatiotekniikan osaalue. 50 vuotta sitten valtaosa automaatiosta oli säätöä (säätämistä). Kehitysintressit suuntautuivat tuolloin säätöteknisten käytäntöjen ja teorioiden kehittämiseen. Ihminen rakentaa ja käyttää kaikenlaisia teknisiä järjestelmiä. Vanhin tekninen järjestelmä lienee asumus: teltta, kota, savupirtti, hirsitalo, kartano, pilvenpiirtäjä, älytalo. Tekninen järjestelmä mitoitetaan nykyään siten, että se toimii tietyissä ympäristön olosuhteissa. Nykyaikaisen talon rakentaminen (sen ei tarvitse edes olla ns. älytalo) vaatii paljon ennakkosuunnittelua ja mitoittamista teltat, kodat ja muut historialliset asumukset eivät niinkään. Nykyaikainen talo mitoitetaan esim. lämmitysjärjestelmänsä osalta siten, että sisätilat pysyvät sopivan lämpiminä, vaikka ulkona on 35 astetta pakkasta. Tällöin lämmitysjärjestelmä (öljykattila, sähkölämmitysjärjestelmä, lämpöpumppu, kaukolämpö) käy niin sanotusti täysillä, ja se syöttää huonetiloihin yhtä paljon lämpöenergiaa, kuin talon seinien läpi huokuu ulos. Säätötekniikka on pitkälti sopivuuden tai mukavuuden ylläpitämistä. Teollisuuslaitoksessa tai prosessissa säätötekniikan avulla pyritään niin ikään ylläpitämään sopivia lämpötiloja, paineita, virtauksia jne. Mittakaava on kuitenkin erilainen kuin esimerkiksi kodin mukavuuden ylläpidossa. Ruotsin kielessä on sana lagom. Se tarkoittaa melko tarkkaan samaa kuin suomen kielen sana sopiva, mutta sen merkitys on siinä mielessä laajempi, että lagom ulottuu selkeästi myös aistinautintojen puolelle. Ruotsalaiselle sanonnalle vinet är lagom tai såsen är lagom (viini on sopivaa; kastike on sopivaa) ei löydy suoraa suomenkielistä käännöstä, joka välittäisi ruotsalaisen sanonnan ilmapiiriä, joka, kuten sanottu, ulottuu laajalla ja monitulkintaisella tavalla aistinautintojen maailmaan. Voidaan siis tässä vaiheessa sanoa, että Ruotsissa käytetään säätötekniikkaa lagom olosuhteiden järjestämiseksi ihmisille ja myös tuotantolaitoksissa, liikenteessä jne. Samoin Suomessa käytetään säätötekniikkaa sopivien, mukavien ja nautittavien olosuhteiden järjestämiseksi. Palataan esimerkkiimme talosta, jonka sisällä vallitsee lämmin, lagom tunnelma, vaikka ulkona on 35 astetta. Jos lämpötila nousee 20 asteeseen ja talon lämmitysjärjestelmä käy edelleen täysillä, on helppo ymmärtää, että myös talon sisällä lämpötila nousee, koska lämmenneen ulkoilman takia ei lämpövuoto seinien läpi ole yhtä suuri kuin kovemmalla pakkasella. Näin ollen lämpöenergiaa kasautuu sisätilaan, mikä nostaa sisälämpötilaa. Suomen Automaatioseura ry, Asemapäällikönkatu 12 B, HELSINKI puh: , fax: , sähköposti:

2 Suomen Automaatioseura ry JOH 2/2 Tässä tilanteessa syntyy kaksi epäkohtaa. Ensinnäkin sisäilman lämpötilan nousu (esim. 22 astetta > 27 astetta) on sinällään epämukavaa, ja toiseksi asiantilalle pitää tehdä jotakin: on puettava huopatossut ja toppatakki päälle ja mentävä pannuhuoneeseen vähentämään lämpötehoja. Tässä vaiheessa, viimeistään, kannattaa ottaa käyttöön säätötekniikka (tai automaattinen säätö). Talon asukas saattaa saada käyttökelpoisen idean. Hän suunnittelee elektronisen laitteen, johon liitetään ulkolämpötilaanturi, jonka antama sähköinen signaali aiheuttaa sen, että laitteen ulostulosignaali ohjaa talon lämmitysjärjestelmää seuraavan taulukon mukaan: Ulkolämpötila Lämmitysjärjestelmälle annettava ohjausviesti (osuus maksimilämmitystehosta) % % 5 50 % 0 30 % % % Asukas huomaa, että tämä järjestelmä toimii joskus tyydyttävästi, mutta suurimman osan aikaa vain välttävästi. Perusteellisten pohdintojen jälkeen hän huomaa, että tuulisella säällä talon sisätiloissa on epämukavan viileätä. Lämmitystehoa (taulukon prosenttilukua) tulee siis nostaa taulukon arvoja korkeammalle, silloin kun tuulee. Elektronista laitetta muutetaan siis siten, että se kykenee ottamaan vastaan tuulimittarin antaman sähköisen viestin ja suorittamaan ohjausviestin korjauksen. Ruokahalu kasvaa syödessä toisin sanoen vaatimukset kasvavat sitä mukaa kuin ne toteutuvat. Asukkaamme huomaa, että sisätiloissa on aivan tyydyttävä olla, mutta ei sopivaa ja mukavaa ( lagom ). Toisinaan sisätiloissa on hieman viileätä, vaikka tuulisuustekijällä korjattu ulkolämpötilakäyrä toimiikin pääsääntöisesti. Asukas käynnistää jälleen perusteelliset pohdinnat ja huomaa, että kostealla ja sateisella säällä sisäilman lämpötila on hieman alempi kuin hänen mukavuudelle asettama henkilökohtainen rajansa. Hän muuttaa jälleen elektronista laitettaan siten, että se vastaanottaa kosteusmittarin sähköisen viestin, ja samalla hän suunnittelee ja toteuttaa korjauksen taulukon lukuihin: ulkoilman kosteuden ollessa korkea nostetaan hieman lämmitystehoja taulukon lukemista. Mutta sitten eräänä päivänä kyläilemään saapuu talon asukkaan vanha ystävä, joka on automaatioinsinööri ja Suomen Automaatioseuran jäsen. Asukas esittelee hänelle rakentamaansa kolmikanavaista sisäilman lämpötilan säätöjärjestelmää (nämä kolme kanavaa ovat edellä mainitut ulkoilman lämpötila, tuulisuus ja kosteus). Automaatioinsinööri ihastelee ystävänsä aikaansaannosta ja antaa positiivista palautetta: Oletpa todella ollut ahkera ja aikaansaava ja kaiken lisäksi olet kai järjestelmääsi tyytyväinen!. Kyllä, vastaa asukas, mutta tietyissä olosuhteissa ei sisäilman lämpötila vielä ole säädetty aivan nappiin mukavaksi. Olen vakuuttunut siitä, että on olemassa jokin

3 Suomen Automaatioseura ry JOH 3/3 neljäs tekijä, joka minun tulee mitata ja liittää mukaan järjestelmään. Näin ollen aivan lähitulevaisuudessa saanen aikaiseksi nelikanavaisen lämmitysjärjestelmän! Mitä siihen sanot? Sitten automaatioinsinöörimme vetää syvään henkeä. Hänen ajatuksissaan kelautuu salamannopeasti hänen ja talon asukkaan ystävyyden vaiheet aina varhaislapsuuden hiekkalaatikkoleikeistä kouluvuosiin, yhteisiin opiskelun aikaisiin vaellusmatkoihin, soidinmenot tyttöjen kanssa, seestymisen ja perheen perustamisen vuodet. Onko hän nyt räjäyttämässä sellaisen pommin, joka murentaa tämän yhteisen menneisyyden ja yhä vielä toimivan lämpimän ystävyyden tuusan nuuskaksi? Ei, kyllä tosi ystävälle on voitava sanoa se, mikä on välttämätöntä: Tiedätkö, minun on kerrottava sinulle, ettet tarvitse neljää kanavaa. Yksi kanava riittää, kunhan se toimii takaisinkytkentäperiaatteella. Sen sijaan, että kokoat lämmitysjärjestelmäsi kolmesta, neljästä tai ties kuinka monesta kanavasta tai tekijästä, sinun kannattaa tehdä niin, että ohjaat lämmitysjärjestelmääsi yhdellä ainoalla viestillä, joka muodostetaan sisälämpötilan tavoitearvon ja mitatun sisälämpötilan erotuksesta. Tämä tarkoittaa sitä, että kun sisälämpötila on tavoitearvon (esimerkiksi 22 astetta) alapuolella, eli talossasi on epämukavan viileää, elektroniikkayksikkösi lisää lämpötehoa. Ja kun sisälämpötila kohoaa tavoitearvon yläpuolelle, yksikkö vähentää lämpötehoa. Tämä toimii aina riippumatta siitä, mitkä sinänsä aivan oikein löytämistäsi tekijöistä tuulisuus, kosteus ja muut olosuhteet kulloinkin vaikuttavat talosi sisällä vallitsevaan lämpötilaan. Muuttuneet ulkolämpötila, tuulisuus tai kosteus, kaikki yhdessä ja erikseen, aiheuttavat ennemmin tai myöhemmin muutoksen sisälämpötilaan, mutta elektroniikkayksikkö eli säädin huomaa jo pienen muutoksen (esimerkiksi lämpötilan laskun 21,9 asteeseen) ja tekee heti pienen korjauksen lämpötehoon, ja kas, hetken päästä palataan tavoitearvoon 22 astetta. Juju on tässä se, että sinun ei tarvitse tietää tuon taivaallista siitä, miten esimerkiksi tuulisuus vaikuttaa talosi sisälämpötilaan eli miten paljon lämpötehoa on lisättävä, kun tuuli yltyy leppeästä kesätuulesta syyspuhuriksi, vaan tämä vallitsevan sisälämpötilan mittaus, sen vertailu tavoitelämpötilaan ja pannuhuoneen komentaminen tämän erotuksen perusteella hoitavat asian tyylikkäästi. Tätä asiainhoitotapaa sanotaan takaisinkytketyksi säädöksi." "No jo oli luento! Taidanpa heti siirtyä takaisinkytketyn säädön käyttäjäksi. Mutta onko minun nyt aina tyytyminen 22 asteen sisälämpötilaan, jota siis nyt säädetään erittäin tarkasti?" "Ei toki, totta kai varustat säätimesi nappulalla, jolla voit asetella talosi sisälämpötilan ihannearvon mieleiseksesi, oli se sitten 20, 22 tai 25 astetta." Faktaikkuna: takaisinkytketty säätö Säätötekniikassa sovelletaan niin sanottua systeemiajattelua, jossa tarkasteltavat kohteet katsotaan vain laatikoiksi, joissa on sisäänmeno ( input ) ja ulostulo ( output ). Systeemin ulostulo on yleensä se, jota halutaan säätää kohdalleen muuttelemalla systeemin

4 Suomen Automaatioseura ry JOH 4/4 sisäänmenoa. Esimerkiksi systeeminä voi olla pientalo, ulostulona talossa vallitseva sisälämpötila ja sisäänmenona talon pannuhuoneen lämmitysputkiston venttiili (tällä määrätään, kuinka paljon kuumaa vettä ohjataan pannuhuoneesta talon lämpöpattereille eli kuinka paljon lämpötehoa käytetään). Systeemiä kuvaavan laatikon eteen piirretään toinen laatikko, joka on säädin. Tämäkin on systeemi, jolla on ulostulo ja sisäänmeno. Säätimen ulostulo on ohjausviesti, joka kytketään suoraan edellä mainitun kohdesysteemin sisääntuloon. Säätimen sisäänmenona puolestaan on kohdesysteemin ulostulon ja sen tavoitearvon erotus. Kun tähän asti sanottu piirretään kuvaksi, huomataan, että kohdesysteemin ulostulo tavallaan viedään takaisinpäin Voidaan siis hyvällä syyllä ottaa käyttöön sana takaisinkytkentä tai laajemmin ilmaistuna puhua takaisinkytketystä säätöjärjestelmästä. Tavoite + Sisäänmeno Ulostulo Sisäänmeno Ulostulo Säädin Kohdesysteemi Jos halutaan korostaa sitä tosiseikkaa, että useimpiin kohdesysteemeihin kohdistuu todellisuudessa häiriöitä, jotka vaikuttavat oleellisella tavalla kohdesysteemin ulostulon arvoon, voidaan piirtää sellainen systeemikaavio, jossa häiriöt on erikseen merkitty näkyviin. Tämä tarkoittaa silloin sitä, että kohdesysteemillä on useita sisäänmenoja: varsinainen sisäänmeno, johon voidaan edelleen liittää säätimen ulostulo, sekä häiriöiden kuvaamiseen tarkoitettuja sisäänmenoja. Seuraavassa kuvassa kohdesysteeminä on pientalo, ulostulomuuttujana (jota halutaan säätää) talon sisälämpötila sekä häiriöinä tuulen voimakkuus ja ulkoilman lämpötila. Tuulen voimakkuus

5 Suomen Automaatioseura ry JOH 5/5 Häiriöt: Ulkoilman lämpötila Tavoite + Sisäänmeno Ulostulo Sisäänmeno Ulostulo (vesiventtiili) (sisälämpötila) Säädin Kohdesysteemi Faktaikkuna: myötäkytketty säätö Myötäkytkettyä säätöä käytetään useimmiten takaisinkytketyn säädön apuna. Takaisinkytketty säätö toimii niin, että ensin on tapahduttava jokin muutos kohdesysteemin ulostulossa (esimerkiksi häiriön vaikutuksesta), ennen kuin säädin voi tehdä korjaavan liikkeen. Hienommin sanottuna, aina on synnyttävä säätöpoikkeamaa ennen säätimen korjaavaa toimenpidettä. Jos kohdesysteemi on hidas siinä mielessä, että kestää kauan, ennen kuin ulostulossa näkyy sisäänmenossa tapahtunut muutos, voi syntyä suuriakin säätöpoikkeamia. Näitä säätöpoikkeamia voidaan vähentää käyttämällä myötäkytkentää. Jos kohdesysteemiin vaikuttava häiriö on mitattavissa, voidaan suunnitella ja toteuttaa apusysteemi, jonka sisäinen laskentakaava laskee säätimen ohjausviestiin ynnättävän tekijän, joka likipitäen korjaa häiriön vaikutuksen kohdesysteemiin! Esimerkiksi pientalon lämmitysjärjestelmästä tiedetään, että jos tuulimittari osoittaa tuulen nopeuden nousevan 5 m/s, on pannuhuoneen vesiventtiliä avattava 2 %, jotta talon sisälämpötila pysyy suunnilleen vakona. Sana likipitäen edellä on oleellinen: kokemuksesta tiedetään, että täysin tarkkoja laskentakaavoja ei voida laatia ja että myötäkytkentä ilman takaisinkytkentää ei toimi kovin hyvin. Systeemikaaviona voidaan myötäkytkentä kuvata seuraavasti:

6 Suomen Automaatioseura ry JOH 6/6 Tuulen voimakkuus Myötäkytkentä Sisäänmeno (vesiventtiili) Ulostulo (sisälämpötila) Tavoite + Säädin + Kohdesysteemi Faktaikkuna: ristikkäisvaikutukset Aina säätimien ei voida katsoa vaikuttavan vain yhteen kohteeseen (tai kohdesysteemiin), vaan säädin vaikuttaa myös muualle. Kääntäen voidaan sanoa, että kohdesysteemi voi saada ohjauksia (tahtoen tai tahtomattaan) muiltakin säätimiltä kuin "omaltaan". Tarkastellaan yksinkertaista systeemiä eli vanhanaikaista kylpyhuoneen suihkua, jossa on erikseen kylmä ja kuumavesihanat. Nykyään eräs suomalainen yritys valmistaa yhdistelmähanoja, joissa suihkuveden säätely toimii kuin unelma, joten tässä mielessä tämä esimerkkimme toimii lähinnä oppimismielessä. Oletetaan siis nyt, että suihkussa seisova ihminen joutuu erikseen kääntelemään kuuma ja kylmävesihanoja, kun hän haluaa vaikuttaa suihkuveden lämpötilaan ja (virtaus)määrään. Kuvitellaan, että suihkuttelijamme seisoo jo suihkun alla ja vesi juoksee. Hän päättää, että nyt on saatava lämpimämpää vettä: käännetään siis kuumavesihanaa enemmän auki. Veden lämpötila asettuu aivan kohdalleen, mutta "ai! vettä tulee liikaa, ihoon pistää, nyt täytyy vähentää veden määrää!". Suihkuttelijamme tekee nyt niin, että hän kääntää kylmävesihanan kiinnisuuntaan, mikä, aivan oikein, vähentää veden määrää, mutta "ai! vesi tuli aivan liian kuumaksi!" Miksi näin kävi? Muistetaan, että juuri ennen kuin suihkuttelija päätti vähentää veden määrää, suihkuveden lämpötila oli juuri sopiva. Jos nyt vähennetään kylmän veden määrää (joka suihkun putkessa sekoittuu kuumaan veteen), sekoitetun suihkuveden lämpötila nousee. Teknisessä mielessä meillä on nyt systeemi, jossa on kaksi sisäänmenoa (kuuma ja kylmävesihanojen asento) ja kaksi ulostuloa (suihkuveden lämpötila ja suihkuveden määrä). Tämän systeemin sisällä on ristikkäisvaikutuksia, jotka aiheuttavat sen, että tätä systeemiä ei voida kuvata kahdella toisistaan riippumattomalla "laatikolla". Samoin säätö vaikeutuu: jos säädetään vain lämpötilaa, suihkuveden määrä asettuu todennäköisesti johonkin huonoon arvoon. Pitää siis säätää sekä lämpötilaa että määrää, eli tarvitaan kaksi

7 Suomen Automaatioseura ry JOH 7/7 säädintä. Nämä voivat periaatteessa toimia toisistaan riippumatta ja rinnakkain, mutta parempaan toimintaan päästään, jos suunnitellaan hieman järkevämpi säätörakenne eli suunnitellaan muutamia "lisäpalikoita" säätimien yhteyteen. Ristikkäisvaikutuksia lieventävät "palikat" ovat komponentteja, joilla muokataan säätimien lähtöviestejä, ennen kuin ne viedään kuuma ja kylmävesiventtiileille. Mutta ensin on mietittävä säätimien lähtöviestien rooli uudestaan. Nyt ei suihkuveden lämpötilan säätimen lähtöviesti enää tarkoita kuumavesiventtiilin asentoa eikä suihkuveden määrän säätimen lähtöviesti kylmävesiventtiilin asentoa. Nyt sovitaan, että lämpötilan säätimen lähtöviesti tarkoittaa kuuman veden määrän suhdetta kylmän veden määrään ja veden määrän säätimen lähtöviesti suihkuveden kokonaismäärää. Kun säätimet kytketään vesihanoihin eli säätimien lähtöviestit viedään vesihanoille kolmen perusmatemaattisen lohkon (X = kertolasku, = vähennyslasku sekä tasausvakion "50" ynnäys) kautta, saadaan aikaan ristikkäisvaikutusten lievennys, joka puolestaan saa aikaan tarkemman säädön ja myöskin sen, että säätimet on helpompi virittää. Lämpötilan säädin Määrän säädin X + 50 Kuumavesihana Kohdesysteemi: hanat putkisto suihkusuutin Kylmävesihana Faktaikkuna: Ohjattavien muuttujien valinta Toisinaan ohjattavissa kohteissa (esim. tuotantoprosesseissa) on suorastaan liian runsaasti vaihtoehtoja siinä mielessä, että jos kohdetta kuvataan systeemilaatikkona, siinä on enemmän sisäänmenoja (inputteja) kuin ulostuloja (outputteja). Havainnollistetaan tätä tietyllä tavalla kuvitteellisella, mutta tähän tarkoitukseen hyvin sopivalla opetusesimerkillä. Kuvitellaan asuintalon huone, jonka lämpötila tulee pitää sopivana. Huoneen seinällä on lämpömittauspiste (anturi), ja lämpötehoa voi ohjailla lämpöpatterilla tai ulkoilmaan johtavalla tuuletusluukulla. Selvää on, että meillä on huoneen lämpötilan säädin, mutta

8 Suomen Automaatioseura ry JOH 8/8 liitetäänkö säätimen lähtö nyt lämpöpatteriin vai tuuletusluukkuun? Ei tässä esimerkissä (joka on nimenomaan tuuletusluukun takia kuvitteellinen), eikä todellisissa teollisuuden tapauksissakaan asiaa ratkaista kolikkoa heittämällä, vaan valintaan löytyvät omat systemaattiset menetelmät. Näiden valintamenetelmien oleellisena osana on tunnistaa, mitkä kohdesysteemin sisäänmenot vaikuttavat voimakkaimmin siihen kohdesysteemin ulostuloon, jota on tarkoitus säätää. Teoria ja käytäntö ovat nimittäin osoittaneet, että mikäli valitsee juuri voimakkaimmin vaikuttavan sisäänmenon säätimeen kytkettäväksi, säätimen ja kohdesysteemin yhteistoiminta sujuu kaikista parhaiten. Tämä esimerkki osoittanee melko selvästi, että lämpöpatteri on keskimäärin voimakkaimmin huoneen lämpötilaan vaikuttava tekijä, joten huoneen lämpötilaa kannattaa siis säätää ohjaamalla lämpöpatteria. Jos nyt kuvitellaan kylmä talvipäivä ja tilanne, jossa huoneessa on hieman liian lämmintä, voidaan kyllä todeta, että tuuletusluukun avaaminen vaikuttaisi voimakkaammin (eli alentaisi huoneen lämpötilaa tehokkaammin) kuin lämpöpatterin tehon alentaminen. Tämä on tosin erikoistapaus ja todellakin yleensä vuoden ympäri tapahtuvaa toimintaa ajatellen lämpöpatteri olisi parempi vaihtoehto. Jatkopohdintana voidaan sitten miettiä, mitä pitäisi tehdä sille kohdesysteemin sisäänmenolle, jota ei käytetä hyväksi säätöratkaisussa? Tuuletusluukun nyt ollessa ohjattavissa vapaasti käsin (manuaalisesti) voidaankin menetellä niin, että käytetään tuuletusluukkua aina silloin kun se on tarkoituksenmukaista siis tavallisimmin kaiketi kesäaikaan, kun aurinko lämmittää huoneen ja edellä mainitussa erikoistilanteessa, jos huoneen lämpötila talvella on päässyt hieman kohoamaan ja sitä halutaan nopeasti viilentää. Erikoisjärjestelyllä voidaan toki kytkeä säätimen lähtöviesti sekä lämmityspatteriin että tuuletusluukkuun. Tällöin varataan säätimen lähtöviestin toimintaalueesta yksi osa selkeästi lämmityspatterille ja toinen osa tuuletusluukulle ja huolehditaan sitten vielä siitä, että samanaikaisesti ei patteri lämmitä ja tuuletusluukku ole auki (lämpö karkaa "harakoille").