Säätötekniikan perusteet Merja Mäkelä 3.3.2003 KyAMK
Johdanto Instrumentointi automaation osana teollisuusprosessien hallinnassa Mittalaitteet - säätimet - toimiyksiköt Paperikoneella 500-1000 mittaus-, ohjaus- ja säätöpiiriä
Säätö Säätöpiirin laitteet Säätöpiirin käsitteet Yleisiä säätöjä PID-säätö Keskustelun aiheet
Mikä on säätö? Säätö ja ohjaus (control - control) Suljettu säätöpiiri ja avoin säätöpiiri säädöllä tarkoitetaan yleensä automaattista, mittaustakaisinkytkentään perustuvaa korjaavaa ohjaustoimintaa ohjauksella tarkoitetaan ohjauksen antoa esim. venttiilin asettelu (käsin) 56% esim. kierrosnopeuden asettelu (käsin) 82% esim. moottorin käynnistys ja pysäytys
Ennen vanhaan... Höyryn virtaus nousee hurjasti ja paine vähenee, huh. Polttoaineen ja ilman syöttöä kai pitäisi lisätä. Kuinkahan tässä käy?!? Operaattori näkee säädettävät suureet mittareista ja muutosnopeudet piirturikäyristä. Operaattori toimii itse säätimenä. Venttiilit ovat näiden säätöjen ohjattavia toimiyksiköitä.
Säätöpiirin laitteet Anturi tai lähetin esim. Pt100 tai painelähetin Säädin esim. automaatiojärjestelmän lohkoohjelmasäädin prosessiasemalla tai yksikkösäädin Toimiyksikkö esim. säätöventtiili tai pumppu taajuusmuuttajineen
Säätimet Automaatiojärjestelmät prosessiaseman toimilohko Ohjelmoitavat logiikkajärjestelmät PC säädinkortti tai ohjelmalohko tarvitaan -liityntäkortti Yksikkösäätimet yhden piirin laite
Honeywell TP Alcont: säädöt prosessiasemalla PM OM OM OM OM UPLINE 1 UPLINE 2 PM PM PM PM PM PM PM PM PM PM
Säätöpiiri valvomossa
Metso Automation Damatic XDi: säädöt prosessiasemalla PCS
Toimiyksiköt Toimilaite + toimielin Toimilaitteina työsylinteri, sähkömoottori, kalvotoimilaite Toimielimenä pallo-, läppä-, istukkaventtiili virtausnopeuden, paineen, pinnankorkeuden ja lämpötilan säätö Taajuusmuunnin ja pumppu, moottori paineen, virtausnopeuden ja kierrosnopeuden säätö
Takaisinkytketty eli suljettu säätöpiiri (H-M kpl 2)
Säätöpiirin käsitteet Mittausarvo, mittaus, oloarvo, säädettävä suure, M Asetusarvo, asetus, tavoitearvo, ohjesuure, S Säätimen ulostulo, lähtösuure, ohjaussuure, ohjaus, O Erosuure, säätöpoikkeama, S - M
Säätöluokat Yksimuuttujasäädöt (Single Input Single Output SISO) yleensä yksi säädettävä suure ja yksi toimilaiteohjaus näin yritetään säätää, jos vain mahdollista Monimuuttujasäädöt (Multiple Input Multiple Output MIMO) monta toisistaan riippuvaa säädettävää suuretta, monta ohjattavaa toimilaitetta esim. paperikoneen laatusäädöt
Mitä prosesseissa mitataan ja säädetään? Lämpötila [ºC] Paine [kpa] Virtaus [m³/h], [l/s] Massa [kg] Pinnankorkeus [%] Tiheys [kg/m³] Kosteus [%] Laatu, esim. sakeus [%] ja ph
Mihin tarvitaan säätöä? Prosessia ei ole yleensä mahdollista rakentaa siten, että se toimii ilman automaatiota. Prosessin halutaan toimivan automaattisesti ilman operaattorin jatkuvaa puuttumista asiaan. Prosesseissa on toimintahäiriöitä, esim. paine- ja virtausvaihteluita tai ajon toimintapistettä halutaan muuttaa.
Yleisiä säätöjä (H-M kpl 3) Säiliön pinnankorkeuden säätö Säiliön lämpötilan säätö Virtausnopeuden säätö Putkiston tai säiliön paineen säätö Massan sakeuden säätö...
Automaatio virtauskaavioissa (PI-kaavioissa) PI-kaaviot (putkisto- ja instrumentointi) Positiotunnukset (tag) SFS 4103 1. kirjain mittaussuure tai alkuperä tavallisimmat D, F, L, M, P, Q, T, S, V lisäkirjaimet ilmaisevat toimintaa tavallisimmat A, C, D, I, S, Z esim. LICZ-5362 pinnankorkeuden (analoginen) mittaus ja säätö, johon liittyy lukitus
Säiliön pintasäädöt LIC-2002 jatkuva säätö mittaus pintalähettimeltä analoginen, esim. 4-20 ma, jatkuva automaattinen säätö, lähtö esim. 4-20 ma säätöventtiilille tarvittavat automaatiojärjestelmän kanavat: 1 analoginen tulo (AI) ja 1 analoginen lähtö (AO) LS-2003 on-off-säätö mittaus pintakytkimiltä binäärinen, ohjaus tulovirtauksen on-off-venttiilille tarvittavat automaatiojärjestelmän kanavat: 2 binääristä tuloa (BI) pintakytkimiltä ja 1 binäärinen lähtö (BO) auki-kiinni-venttiilille esim. puskurisäiliön täyttö pintarajojen perusteella
Perinteisen perälaatikon pinta- ja painesäätö
Lisäaineiden annostelun virtausnopeussäädöt
Säätimen toiminta (H-M kpl 4) Ohjauksen laskenta laskulain (algoritmin) mukaan 1 u = K e edt T de p ( + + d ) Ti dt 0 PID yleisin u säätimen ulostulo eli ohjaus säätöpoikkeama e = asetusarvo - mittaus Kp, Ti ja Td säädön viritysparametrit säätöpiirin virityksellä tarkoitetaan sopivien säätöparametrien etsimistä Toimintatavat AUTO ja MAN t automaatilla säädin laskee ohjausta laskukaavansa mukaan käsiajolla operaattori voi asetella ulostuloa halutusti
Mistä on kysymys? Automaattisia säätöjä tarvitaan kompensoimaan prosessihäiriöitä ja vapauttamaan operaattoria tärkeämpiin tehtäviin. Säätöpiirin kuuluvat käsitteet mittaus, asetus ja ohjaus.
Kysymyksiä, kommentteja Kiitokset mielenkiinnosta
Lisätietoa säädöstä ja instrumentoinnista Harju - Marttinen, Säätöpiirin virityksen perusteet, ControlCAD 2001 atp, Control Engineering, Prosessori www.rosemount.com www.iac.honeywell.com www.abb.com www.krohne.com www.endress.com www.yokogawa.com www.metso.com