Måle- og reguleringsteknikk for prosessfaget [2 ed.] 8241204477 [PDF]

Zitiervorschau

Bjørnar Larsen

Måle- og reguleringsteknikk for prosessfaget For videregående skole, VK1 kjemi og prosessfag 2. utgave

Fellesspråklig utgave

El Nasjonalbiblioteket DepotbitMioteket

Vett&Vitenas

© Vett & Viten AS 2000 ISBN: 82-412-0447-7

1. utgave 1996 2. utgave 2000

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i mars 1996 for bruk i videregående skole på Studieretning for kjemi- og prosessfag på videregående kurs 1 Kjemiske prosessfag i studieretningsfagene Prosessteknisk drift og vedlikehold. Godkjenningen er knyttet til fast­ satt læreplan av juni 1994, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig.

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Utforming/sats: Jan Hugo Strand Printed in Norway 2000 by Preutz Grafisk as, Larvik

Utgiver: Vett & Viten AS Postboks 203, 1379 Nesbru Telefon adm: 66 84 90 40 Telefon ordrekontor: 66 98 39 80 Telefax: 66 84 55 90 http: \ \ www.vettviten.no e-post: [email protected]

Forord Boka er skrevet for bruk i kjemi og prosessfaget i videregående skole. Boka dekker alle mål i læreplanen. Denne nyutgivelsen har mange pedagogiske og faglige korrigeringer. Boka er grundig tilrettelagt for selvstudium og bedriftsintern opp­ læring. Stoffets praktiske fremstilling og mange illustrasjoner gjør at boka vil være et nyttig supplement i tilknytning til mer teoretiske studier i måle- og reguleringsteknikk. Den krever ikke spesielle matematiske kunnskaper hos leseren. Alle teorier er praktisk for­ klart. Boka inneholder også mange eksempler på anvendt måle- og reguleringsteknikk.

Det er ikke tilstrekkelig bare å forstå instrumentenes virkemåte, man må også forstå samspillet mellom prosessen og instrumentene. Ett av målene er derfor å gi elevene en forståelse av hele automatiseringssystemet og samspillet med prosessen. Moderne regulatorer, prosessdatasystemer og feltbussystemer har fått plass i boka. Videre er alarm- og forriglingssystemer grundig behandlet. Erfaring viser at reguleringsventiler ofte er årsak til feil i en reguleringssløyfe. Reguleringsventilenes virkemåte, installasjonen av dem og vedlikehold av dem har derfor fått et eget kapittel i boka. En takk til alle som har bidratt med fagstoff og bilder. Spesielt vil jeg nevne Fisher Rosemount as og firmaet Cardiac as.

Porsgrunn august 2000. Bjørnar Larsen

5

Innholdsfortegnelse

I Innledning

og definisjoner

15

1.1

Blokkskjema 15 1.1.1 Blokken 15 1.1.2 Summering 16 1.1.3 Sammenlikner (subtraksjon) 16 1.2 Eksempler på regulering i hverdagen 16 1.2.1 Manuell regulering av bilens hastighet 16 1.3 Et eksempel på prosessregulering 19 1.3.1 Regulering av nivå 19 1.4 Automatisk regulering 20 1.4.1 Definisjoner 21 1.4.2 Åpen sløyfe 22 1.4.3 Lukket sløyfe 22 1.4.4 Pådragsorgan 22 1.4.5 Forstillingsenhet 23 1.4.6 Manuelt system (åpen sløyfe) 23 1.4.7 Automatisk system (lukket sløyfe) 23 1.4.8 Reguleringsavvik 23 1.4.9 Tidskonstant og dødtid (transporttid) 23 1.5 Sprang/svar-test av prosesser 24 1.5.1 Prinsipiell sammenlikning av nivåprosess og RC-krets 24 1.5.2 Nivåtankens kapasitet 25 1.6 Sprang/svar-kurve for nivåsystemet 26 1.6.1 Eksempler fra hverdagen 26 1.7 Dynamikk 26 1.7.1 Prosesser med dødtid (transporttid) 27 1.8 Forsterkning 28 1.8.1 Eksempel 29 1.8.2 Ulineær forsterkning 29 1.8.3 Statisk sløyfeforsterkning 30 1.8.4 Reguleringssløyfens tidskonstanter 31 1.8.5 Kapasitet 32 1.9 Kontrollspørsmål 32 2

Tekniske flytskjemaer

33

Hvorfor brukes flytskjemaer? 33 2.1.1 Skjematyper 33 2.1.2 Blokkskjema (BS) 34 2.1.3 Prosesskjema (PS) 34 2.1.4 Hjelpeskjema (HS) 36 2.1.5 Teknisk flytskjema (TFS) 37 2.1.6 Tegneregler 37 2.2 Symboler 39 2.3 Nummerering av apparatur og utstyr 40 2.3.1 Nummerering av rørledninger 42 2.3.2 Bokstavkoder for prosessmedier 43 2.3.3 Nummerering av rørarmatur 45 2.4 Instrumentkoder og symboler for flytskjema 46 2.5 Lesetips 52 2.6 Kontrollspørsmål 52

2.1

7

Innholdsfortegnelse

3

Måling av trykk

53

3.1 SI-systemet 53 3.1.1 Kraft 53 3.1.2 Akselerasjon 53 3.1.3 Trykk 54 3.1.4 Atmosfæretrykk 55 3.1.5 Trykkreferanser 55 3.2 Terminologi 56 3.3 Målenøyaktighet 57 3.3.1 Statisk nøyaktighet 57 3.3.2 Oppløsningsevne 58 3.3.3 Hysterese 58 3.3.4 Linearitet 59 3.3.5 Langtidsstabilitet 59 3.3.6 Dynamisk nøyaktighet 60 3.4 Måleelementer og måleomformere for måling av trykk 61 3.4.1 Bourdonmanometer 62 3.4.2 Membranmanometer 63 3.4.3 Belgmanometer 63 3.4.4 Måleelementer basert på endring i kapasitet 64 3.4.5 Måling av differansetrykk med kapasitivt prinsipp 66 3.4.6 Virkemåte 67 3.5 Programmerbare måleomformere (Hart protokoll) 68 3.6 Signaloverføring med fiberoptisk kabel 69 3.7 En tøyningsgiver (strekklapp) 69 3.8 Piezoelektrisk måleelement 71 3.9 Piezoresistive måleelementer 71 3.10 Måleomformere med av/på-utgang 72 3.11 Pressostat 73 3.12 Kontrollspørsmål 74 4

Måling av nivå

75

4.1 Hydrostatisk trykk 75 4.2 Hydrostatiske metoder for måling av væskenivå 76 4.2.1 Nivåmåling i åpen tank når d/p-cellen er montert ved nullpunktet 77 4.2.2 Måling av nivå i åpen tank når d/p-cellen er montert under nullpunkte 78 4.2.3 Nivåmåling med boblerør 79 4.2.4 Måling av nivå i lukket tank med differansetrykkmåler 80 4.3 Andre metoder for å måle nivå 81 4.3.1 Fortrengningsmåler 81 4.3.2 Nivåmåler basert på refleksjon av ultralyd 82 4.3.3 Nivåmåler basert på radarprinsippet 83 4.3.4 Nivåmåler basert på endring i kapasitans 84 4.3.5 Måling av nivå basert på veiing av tanken 86 4.4 Måleomformere for nivå med av/på-utgang 87 4.4.1 Pressostat 87 4.4.2 Flottør 87 4.4.3 Nivåvippe 88 4.4.4 Elektroder 88 4.4.5 Radioaktive strålingskilder 89 4.4.6 Kapasitive nivåmålere med av/på-utgang 90 4.5 Kontrollspørsmål 90

8

Innholdsfortegnelse

5

Måling av gjennomstrømning

92

5.1 Måleenheter 92 5.2 Gjennomstrømningsmålere 94 5.2.1 Ovalhjulsmåler 94 5.2.2 Turbinmåler 95 5.2.3 Måling av gjennomstrømningsmengde med strupninger i rør 96 5.2.4 Måleprinsippet med strupninger i rør 97 5.2.5 Måleskive 98 5.2.6 Montasje 100 5.2.7 Kompensering for endringer i trykk og temperatur 101 5.2.8 Dyse 102 5.2.9 Venturidyse 102 5.3 Gjennomstrømningsmåler basert på induksjon 103 5.4 Anemometer 104 5.5 Rotameter 105 5.7 Masse- og tetthetsmålere 107 5.7.1 Prinsipiell virkemåte 107 5.8 Eksempler på bruk av Coriolis strømningsmåler 109 5.8.1 Fyllestasjon for kjøretøy 109 5.8.2 Måling av små massestrømmer med Coriolis strømningsmåler 110 5.9 Måling av massestrøm med veieteknikk 111 5.9.1 Doserbåndvekt 111 5.9.2 Beholdervekt 113 5.9.3 Fallstrømsvekter 114 5.9.4 Transportbeltevekter 116 5.10 Kontrollspørsmål 116 6

Måling av temperatur

I 17

6.1

Fysikkgrunnlag 117 6.1.1 Termisk treghet (feilkilder) 117 6.2 Måleelementer 120 6.2.1 Bimetalltermometre 120 6.3 Fylte termometre 120 6.3.1 Væskefylte termometre 121 6.3.2 Gassfylte termometre 121 6.3.3 Delvis fylte termometre (dampspenningstermometre) 6.4 Termoelementer 122 6.4.1 Måleprinsipp 122 6.4.2 Målefeil som skyldes endringer i instrumentets omgivelsestemperatur 123 6.4.3 Metaller og termospenning 124 6.4.4 Tabeller for termoeleementer 125 6.4.5 Beskyttelse av termoelement 127 6.4.6 Kompensasjonskabel 128 6.4.7 Måleomformere for termoelementer 129 6.5 Resistanstermometre 130 6.5.1 Platinaelementer (RTD) 130 6.5.2 Forenklet likning for PtlOO-elementet 132 6.5.3 PtlOO-elementtyper 132 6.5.4 Nøyaktighet 133 6.5.5 Repeterbarhet/stabilitet 133 6.5.6 Vibrasjon 133 6.5.7 Responstid 133 6.5.8 Følsomhet 133 6.5.9 Egenoppvarming 134

121

9

INNHOLDSFORTEGNELSE

6.5.10 Kabling 134 6.6 Termistorer 135 6.7 Kalibrering av måleomformere for temperatur 136 6.8 Kontrollspørsmål 137 7

Måling av pH-verdi, fukt og gasskonsentrasjon

7.1

I 38

Måling av relativ fukt 139 7.1.1 Metta luft 139 7.1.2 Relativ fukt 139 7.1.3 Hygroskopiske materiale 139 7.1.4 Eit klassisk døme på måling av fukt 140 7.1.5 Psykrometer 140 7.1.6 Døme på bruk av mollierdiagram 140 7.1.7 Kapasitiv måling av relativ fukt 141 7.1.8 Mikrobølgjefuktmålar 142 7.2 Måling av pH 143 7.2.1 Definisjonar 143 7.2.2 Generelt om pH-verdi 143 7.2.3 Den prinsipielle verkemåten til elektrodane for pH-måling 145 7.2.4 Referanseelektrode 145 7.2.5 Glaselektroden 146 7.2.6 Målekrins for pH-måling 146 7.2.7 Krav til målekrinsen 147 7.2.8 Den kombinerte pH-elektroden 147 7.2.9 Polypropylen erstattar glasmembranen 148 7.2.10 Ekstra kanal reduserer forgifting 148 7.2.11 Nye samansetjingar av glasmembranen 148 7.2.12 Flat glaselektrode for slipande og groande medium 149 7.3 Måling av leiingsevne (konduktans) 150 7.3.1 Standard målecelle 150 7.4 Gassanalyseinstrument 151 7.4.1 Felles trekk for analysatorar 152 7.4.2 Analyseanlegg 154 7.4.3 Analyseopplegg 154 7.4.4 Montasjestader 155 7.4.5 Gassuttak 156 7.4.6 Måleleidningar 156 7.4.7 Transport av gass fram til analysatoren 156 7.4.8 Filtrering 156 7.4.9 Kjøling 156 7.4.10 Tørking 157 7.4.11 Utløp frå analysatoren 158 7.5 Oksygenanalysator 158 7.5.1 Døme på bruk av oksygenanalysator 158 7.5.2 Kvifor O?-regulering og ikkje CO-regulering? 159 7.5.3 Paramagnetisk oksygenanalysator 160 7.5.4 Prinsipiell verkemåte 160 7.6 Infraraud analysator 161 7.6.1 Infraraud stråling 161 7.6.2 Prinsipiell verkemåte 162 7.7 Varmeleiingsanalysator 163 7.7.1 Prinsipiell verkemåte 164 7.8 Gasskromatograf 164 7.9 Eksplosimeter 166 7.10 Personleg gassmålingsutstyr for giftige gassar og oksygen 166 7.10.1 Eigentryggleik 168 7.11 Måling av oksygeninnhaldet i vatn 168 7.11.1 Måling av slaminnhald 170

10

Innholdsfortegnelse

7.11.2 Måling av tungmetall og organiske sambindingar i vatn 171 7.11.3 Instrument basert på strålingsabsorpsjon (kolorimeter) 171 7.12 Måling av konsentrasjon 172 7.12.1 Suspensjon 172 7.12.2 Konsentrasjonsmålar basert på måling av skjerekraft 172 7.12.3 Roterande konsentrasjonsmålar 173 7.13 Måling av massetettleik 174 7.13.1 Hydrometer 174 7.13.2 Måling av massetettleik med coriolismålar 174 7.13.3 Samanlikning mot ei vassøyle 175 7.13.4 Måling av tettleik med radioaktive isotopar 176 7.14 Måling av tjukn 177 7.15 Måling av turtal 177 7.15.1 Takogenerator 177 7.15.2 Prinsippet for ein elektrodynamisk pulsgenerator 178 7.15.3 Prinsippet for digital turteljar og posisjonsgivar 179 7.16 Kontrollspørsmål 179 8

Pådragsorgan og forstillingsmekanismar

180

8.1

Innleiing 180 8.1.1 Prinsipiell samanlikning av elektrisk krins og væskestraumskrins 180 8.1.2 Døme på ventilinstallasjonar 182 8.2 Seteventilar 182 8.2.1 Enkeltseteventil 182 8.2.2 Dobbeltseteventil 183 8.2.3 Trevegsventil 184 8.3 Ventilkarakteristikkar 184 8.3.1 Hurtigopnande karakteristikk 186 8.3.2 Likeprosentleg karakteristikk 186 8.3.3 Lineær karakteristikk 187 8.3.4 Bruk av ventilkarakteristikkar 187 8.3.5 Nivåregulering 187 8.3.6 Trykkregulering 188 8.3.7 Gjennomstrøymingsregulering 188 8.3.8 Burventilar 188 8.4 Ventilar med dreierørsle 189 8.4.1 Spjeldventil 189 8.4.2 Kuleventil 190 8.4.3 Kulesegmentventil 191 8.4.4 Membranventilar 191 8.4.5 Sluseventilen 192 8.5 Kapasitetsindeksen til ventilar 192 8.6 Forstillingsmekanismar 193 8.6.1 Membranmotor 193 8.6.2 Bruk av ratt på aktuator 196 8.6.3 Sylinderaktuator 196 8.7 Straum-til-luft-omformar 197 8.8 Ventilstillar 198 8.9 Elektriske forstillingsmekanismar 199 8.9.1 Styring av elektriske forstillingsmekanismar 200 8.9.2 Verkemåte 200 8.10 Reduksjonsventil 201 8.11 Frekvensomformarar 202 8.11.1 Regulering av turtalet til trefasemotorar med frekvensomformarar 202 8.11.2 Den prinsipielle verkemåten til frekvensomformaren 203 8.12 Kontrollspørsmål 204

1 1

Innholdsfortegnelse

9

Reguleringsprinsipp

205

9.1 Innleiing 205 9.2 Av/på-regulering 207 9.2.1 Regulering av omnstemperaturen 207 9.2.2 Svingingar i omnstemperaturen 208 9.3 Kontinuerleg regulering 209 9.3.1 P-regulator - proporsjonal regulering 209 9.3.2 Integralforsterkar (I-forsterkar) 212 9.3.3 PI-regulator 214 9.3.4 I-tid (resettid) 216 9.3.5 Derivatorforsterkar (D-forsterkar) 216 9.3.6 PID-regulator 217 9.4 Alternative reguleringssløyfer 219 9.4.1 Alternative prinsipp for nivåregulering 219 9.4.2 Kaskaderegulering 220 9.4.3 Verkemåte 221 9.4.4 Forholdsregulering 221 9.4.5 Framoverkopling 222 9.4.6 Framoverkopling kombinert med tilbakekopla sløyfe 223 9.4.7 Trykkregulering 223 9.4.8 Regulering av gjennomstrøyming 224 9.4.9 Temperaturregulering 225 9.4.10 Regulering av varmevekslarar 225 9.5 Døme på samansette sløyfer 226 9.5.1 Regulering av ein reaktor 226 9.5.2 Regulering av ein blande- og krystalliseringsprosess 227 9.5.3 Delt områderegulering (split-range-regulering) 229 9.7 Kontrollspørsmål 230 10 Programmerbare regulatorar for prosessindustrien

23 I

10.1 Ein mikroprosessorbasert prosessregulator 231 10.2 Sjølvjusterande regulatorar 233 10.3 Personleg datamaskin overordna i høve til regulator 234 10.4 Kommunikasjon mellom programmerbare regulatorar og PC-en 235 10.5 Prosessdatamaskinar 235 10.5.1 Datamaskin 236 10.5.2 Multipleksar 237 10.5.3 Kommunikasjonssystem (bussystem) 237 10.5.4 Operatørstasjon 238 10.5.5 Styringsmåtar 238 10.5.6 Overordna prosessdatamaskin 239 10.5.7 Systemeiningar 240 10.6 Bruk av datamaskinar (PLS) for styring og regulering av kommunale reinseanlegg 241 10.7 Kontrollspørsmål 242 I I Alarm og forrigling

243

11.1 Innleiande definisjonar 243 11.1.1 Styresmakten 243 11.1.2 Maskindirektivet 243 11.1.3 Utdrag av maskindirektivet 244 11.1.4 Døme på instruks for utkopling eller endring av tryggingsinnretningar 247 11.1.5 Døme på sikring av elektrisk oppvarma varmevekslar 249 11.1.6 Generelt om logiske styringar som kan programmerast, PLS 250

12

Innholdsfortegnelse

11.1.7 Nødavstenging (NAS) og prosessavstenging (PAS) 250 11.2 Døme på sikring av ein reaktor 251 11.3 Feilsikre system 252 11.4 Skilde system 253 11.5 Overbruing (forbikopling) 253 11.6 Forriglingsmatriser (FM) 256 11.6.1 Symbol som blir brukte i forriglingsmatriser 257 11.6.2 Døme på bruk av forriglingsmatrise for eit destillasjonsanlegg 258 11.6.3 Døme på NAS og PAS for destillasjonsanlegget 260 11.7 Kontrollspørsmål 260

13

I Innledning og definisjoner Mål

Etter å ha studert kapittel 1 skal du kunne • tegne blokkskjema for en reguleringssløyfe • forklare begrepene manuell og automatisk regulering • forklare reguleringstekniske uttrykk og definisjoner • forklare begrepene tidskonstant, dødtid og forsterkning

l.l Blokkskjema For å beskrive virkemåten til reguleringssløyfer bruker vi ofte blokkskjemaer. Hensikten med et blokkskjema er å vise hvordan ulike størrelser (fysiske og kjemiske) påvirker hverandre, uten at vi tegner hver del av systemet i detalj. I et blokkskjema brukes tre sym­ boler: blokk, signalpil og sirkel for summering eller differanse.

Blokk

Signal Sirkel

Figur 1.1 De tre symbolene i et blokkskjema

l.l.l Blokken Blokken brukes for å beskrive de ulike delene i et reguleringssystem.

Figur 1.2 Blokk med to inngangssignaler og et utgangssignal

En blokk kan symbolisere en nivåtank, en motor, en ventil og så vid­ ere. Til og fra blokken tegnes ett eller flere innsignaler og utsignaler. Signalene tegnes som piler for å angi signalretningen. Signalene til­ svarer ulike variabler i reguleringssystemet. Eksempler på variabler er nivå, elektrisk spenning og turtall. Innsignalene til en blokk påvirker utsignalet fra blokken.

15

Kapittel 1

1.1.2 Summering Sirkelen brukes for å illustrere summering. Summeringssymbolet på figur 1.3 viser at utsignalet er summen av de innkomne signalene.

Figur 1.3 Symbolet for sum­ mering av to signaler

1.1.3 Sammenlikner (subtraksjon) Sirkelen brukes også for å illustrere at to størrelser sammenliknes (subtraheres). Sammenlikneren på figur 1.4 viser at utgangssignalet er differansen av de innkomne signalene.

Inngangssignalene skal forsynes med tegn, + eller som viser om det aktuelle signalet angir et summeringspunkt eller en sammen­ likner. Figur 1.4 Symbolet for subtraksjon

1.2 Eksempler på regulering i hverdagen 1.2.1 Manuell regulering av bilens hastighet Tenk deg at du kjører bil. Fartsgrensen er 50 km/h.

Figur 1.5 Regulering av hastigheten til en bil Du leser fartsgrensen som står på skiltet. Fartsgrensen må du huske, og derfor lagrer du den i hjernen. Du skal tilpasse bilens hastighet slik at farten verken er større eller mindre enn fartsgrensen. Farts­ grensen kaller vi ønsket verdi, figur 1.5. Bilens hastighet måles med en fartsmåler. Fartsmåleren kalles måleelement. Skal-verdi

0

50 100 Er-verdi

Figur 1.6 Øynene som måleomformere

16

150

200

Innledning og definisjoner

Øynene omformer fartsmålerens (måleelementets) utgangsverdi, hastigheten, til nervesignaler som hjernen kan forstå. Øynene kan vi kalle måleomformere. Måleomformerens utgangssignal er prosessens (bilens) er-verdi (PV = Prosess Value). Differansen mellom skiltets verdi, skal-verdien, og er-verdien kalles avvik, figur 1.7. Avvik = skal-verdi - er-verdi Skal-verdi

0

50

100

150

200

Er-verdi

Figur 1.7 Illustrasjon av avviksberegningen I dette eksemplet ønsker vi at avviket skal ha verdien null.

Figur 1.8 Illustrasjon av motbakken som belastning

Tenk deg at veien du kjører på, er flat. Farten er 50 km/h. Dersom du kjører inn i en motbakke og bilen fremdeles skal holde 50 km/h, må du gi mer gass. Det å gi mer gass kalles å øke pådraget. Hvor kraftig pådraget skal være, bestemmes av hvor bratt bakken er. Hel­ ningen på bakken er belastningen. Ut fra din erfaring som sjåfør, bil­ ens motorkraft, tyngde, last og så videre trykker du gasspedalen så langt ned som du mener det er nødvendig for å holde hastigheten lik 50 km/h i denne motbakken. Du kompenserer for en endring i belastningen. Hele tiden sammenlikner du skal-verdien og er-verdi­ en og finjusterer gasspedalen (pådraget) for å holde avviket lik null.

17

Kapittel 1

Motor

Kraft

Figitr 1.9 Prinsipielt blokkskjema til forgasser og motor

Hvor kraftig og hurtig du skal påvirke pådraget, bestemmes av hvor hurtig du ønsker å fjerne eventuelle hastighetsavvik. Noen sjåfører akselererer bilen seint og noen hurtig. De har en «innebygd» for­ sterker som forsterker avviket, og som sier hvor kraftig pådraget skal være. Vi kaller denne forsterkeren regulatorforsterker. Sammenlikneren og regulatorforsterkeren kalles med en fellesbe­ tegnelse for en regulator. Regulator

Figur 1.10 Blokkskjemaet til en regulator

Vi skal tegne et blokkskjema for hastighetsreguleringen.

Hastighet

Figur 1.11 Blokkskjema for hastighetsreguleringen

Hastighetsreguleringen av bilen kalles en reguleringssløyfe.

Av blokkskjemaet ser vi at i reguleringssløyfen foregår det en • kontinuerlig måling • kontinuerlig sammenlikning • kontinuerlig korrigering Siden hastighetsreguleringen utføres av et menneske, kalles det manuell regulering.

18

Innledning og definisjoner

1.3 Et eksempel på prosessregulering 1.3.1 Regulering av nivå Prosessen som skal reguleres, består av en nivåtank der væskestrømmen, q? inn til tanken varierer. Figur 1.12 viser denne proses­ sen.

Figur 1.12 Nivåtanken Dersom q( varierer, vil det føre til variasjoner i nivået (h). For å holde nivået konstant må ventilen VI i utløpet justeres slik at qt hele tiden er lik qu. Figur 1.13 viser en grafisk framstilling av variasjoner i væskestrømmen q?

Nivået i tanken kan reguleres manuelt ved å håndstyre ventilen VI. Operatøren på figur 1.14 avleser nivået på måleinstrumentet, sam­ menlikner denne verdien med skal-verdien og styrer VI slik at det målte nivået i tanken (er-verdien) blir lik skal-verdien.

19

Kapittel 1

Figur 1.15 viser den manuelle reguleringen på figur 1.14 overført til blokkskjema.

Figur 1.15 Blokkskjema for den manuelle reguleringen Når vi sammenlikner blokkskjemaet på figur 1.15 med blokkskjemaet på figur 1.11, ser vi at reguleringssløyfene er like, selv om objekt­ ene som skal reguleres, er svært ulike.

1.4 Automatisk regulering Vi skal nå automatisere nivåreguleringen. Det innebærer å erstatte operatøren på figur 1.14 med instrumenter, slik at nivået i tanken holdes konstant uten menneskelig inngrep. Da trenger vi disse instrumentene: • måleinstrument for å måle nivået • regulator som erstatter avviksberegningen og styringen av ventilen VI, som utføres av operatøren Måleinstrumentets oppgave er å gi et utsignal som tilsvarer nivået i tanken. I automatiske reguleringssystemer blir nivået omformet til et elektrisk signal. Dette måleinstrumentet kalles en måleomformer.

20

Innledning og

definisjoner

Figur 1.16 viser en prinsipiell tegning av den automatiske nivåreguleringen.

Figur 1.17 viser den automatiske nivåreguleringen tegnet som blokkskjema. LIC

Figur 1.17 Blokkskjema for det automatiske reguleringssystemet

1.4.1 Definisjoner Vi skal oppsummere og innføre noen uttrykk og definisjoner som brukes i reguleringsteknikken:

Prosess

- systemet som skal styres, måles eller reguleres

Prosessvariabel

- størrelsen (variabelen) som skal reguleres i prosessen

Er-verdi

- prosessvariabelens målte verdi

Skal-verdi

- prosessvariabelens ønskede verdi

Forstyrrelse

- størrelse som gir uønsket påvirkning av prosessvariabelen

Pådrag

- navn på den størrelsen som brukes for å styre prosessvariabelen

21

KAPITTEL 1

1.4.2 Åpen sløyfe I en åpen sløyfe har vi ingen tilbakeføring av prosessvariabelen. Erverdien kan derfor ikke sammenliknes med skal-verdien for å påvirke pådraget. Figur 1.18 viser blokkskjema for en åpen sløyfe.

Skal verdi

Figur 1.18 Blokkskjema for en åpen sløyfe

1.4.3 Lukket sløyfe Et system der prosessvariabelen måles, tilbakekoples og sammen­ liknes med skal-verdien for å påvirke pådraget, kalles en lukket sløyfe.

Figur 1.19 Lukket sløyfe

1.4.4 Pådragsorgan Et pådragsorgan er den enheten i reguleringssløyfen som brukes for å styre effekttilførselen til prosessen. Pådragsorganet kan være en reguleringsventil, et spjeld, en pumpe eller liknende.

Figur 1.20 Eksempler på pådragsorganer

22

INNLEDNING OG DEFINISJONER

1.4.5 Forstillingsenhet Det kan være en motor som styrer pumpen. I vårt eksempel med regulering av bilens hastighet er forstillingsenheten forgasseren og motoren er pådragsorganet.

Figur 1.21 Motor brukt som forstillingsenhet

1.4.6 Manuelt system (åpen sløyfe) Et manuelt system er et system som krever menneskelig inngrep.

1.4.7 Automatisk system (lukket sløyfe) Et automatisk system er et system som ikke krever menneskelig inn­ grep.

1.4.8 Reguleringsavvik Differansen mellom skal-verdien og den målte prosessvariabelen, er-verdien, kalles reguleringsavviket.

1.4.9 Tidskonstant og dødtid (transporttid) Vi skulle tro at reguleringssløyfene må være forskjellige når pro­ sessene er forskjellige, men det er ikke tilfellet. Prosesser og system­ er med helt ulike fysiske egenskaper kan være like reguleringsteknisk og skal følgelig reguleres på samme måte.

Skal-verdi

Figur 1.22 Blokkskjema for en generell reguleringssløyfe

En nivåprosess kan ha samme reguleringstekniske egenskaper som en trykk- eller temperaturprosess.

23

Kapittel 1

1.5 Sprang/svar-test av prosesser 1.5.1 Prinsipiell sammenlikning av nivåprosess og RC-krets

Figur 1.23 Nivåtank med ekvivalentskjema

I nivåtanken skal vi holde nivået (h) konstant. Nivået h gir oss «utgangsspenningen», det vil si trykket pu = p ■ g ■ h.

pu kan sammenliknes med Uu i den ekvivalente RC-kretsen. I nivå­ tanken er inngangsstrømmen qj

F„z3]

og utgangsstrømmen qu qi °g Qu tilsvarer strømmene L og Iu i RC-kretsen. I nivåkretsen er strømningsmotstanden

R =

Hu

med enheten ~ mg_

s I den elektriske RC-kretsen er den elektriske strømningsmotstanden „ bU , , . V R = —— med enheten — A L

24

Innledning og

definisjoner

1.5.2 Nivåtankens kapasitet Tangens lagrede energi eller «ladning», Q, er gitt ved Q = Vi-i eller

der C er tankens kapasitet. Kombinerer vi disse to likningene får vi

f = c • p„

som gir m3

C = —— med enheten —— = pu bar bar Tidskonstanten for nivåsystemet blir da t = Rn

• C med enheten

m3 s

• — = s (sekund) bar

Den elektriske kondensatorens ladning er q = ii ■ t eller q = C • L/;/

Kombinerer vi disse to likningene får vi

l' * t s i i • t - C • U.. og C - —— , med måleenheten----1 11 & Utl V Tidskonstanten for den elektriske kretsen blir da t

V As = R ■ C, med målenheten---------- - = s (sekund) AV

Vi ser likhetene mellom nivåsystemet og den elektriske RC-kretsen.

25

Kapittel 1

1.6 Sprang/svar-kurve for nivåsystemet Anta at nivået i tanken er konstant. Da er = qu. Si at qj økes hurt­ ig. Nivået begynner da å stige, samtidig som qu øker når nivået h øker. Når qu igjen er lik q? er nivået igjen konstant. Vi sier at nivå­ systemet er selvregulerende, også kalt selvutjevnende. Figur 1.24 viser sprang/svar-kurve for nivåsystemet.

Figur 1.24 Sprang/svar-kurve

1.6.1 Eksempler fra hverdagen Når vi skrur opp termostaten på en panelovn i et hus, tar det en viss tid innen temperaturen i huset stiger. Energitilførselen endres i et sprang, mens prosessens svar (temperaturen i huset) endres over tid. Om vi ønsker høyere hastighet på en bil, trykker vi på gasspedalen. Pådraget kan være et sprang, men det tar en viss tid før bilen har kommet opp i ny stabil hastighet.

1.7 Dynamikk Systemer som har den egenskapen at inngangssignalet bruker en viss tid for å forplante seg til utgangen, sier vi er dynamiske. I et sys­ tem som ikke er dynamisk, vil utgangen reagere momentant på en endring i inngangsignalet.

For å verdisette dynamikken til en prosess/et instrument oppgir vi tidskonstanten.

26

Innledning og definisjoner

Figur 1.25 Sprang/svar-kurver for nivåsystemet

Dersom qj økes med et sprang, stiger nivået h, helt til qu = q? Den tiden som har gått med når nivået h har nådd 63,2 % av nivåendr­ ingen (h' - h) = Ah, kalles tidskonstanten Tt. Kurven har størst hel­ ning i starten, for så å avta til sluttnivået er nådd.

Tidskonstanten defineres som: • For et første orden system (én tidskonstant) har vi: Den tiden det tar for utgangen (verdien i målepunktet) å nå 63,2 % av den nye stabile verdien.

1.7.1 Prosesser med dødtid (transporttid) Typisk for prosesser og systemer med dødtid er at det tar en viss tid før en endring kan registreres på utgangen. Vi kan definere dødtiden slik:

• Dødtid er den tiden det tar fra vi innfører en endring i pådraget til det kan registreres noen endring i prosessverdien. Dødtiden kan illustreres med en båndvekt. Figur 1.26 under viser en prinsippskisse for en båndvekt.

27

Kapittel 1

Pådrag

Endring i pådrag

Prosessverdi

Endring i måleverdi

Dødtid (transporttid)

Figur 1.26 Båndvekt med transporttid mellom pådrag og måling

Prosessverdien måles med instrumentet i målepunktet. Den tiden det tar å forflytte massen over transportstrekningen (1) er dødtiden (transporttiden).

1.8 Forsterkning Forsterkning er definert som: r . , ■ hutgang Forsterkning - --------------Mnngang

28

Innledning og definisjoner

1.8.1 Eksempel En måleomformer for nivå tilføres et hydrostatisk trykk på inn­ gangen. På utgangen får vi ut 4-20 mA. Sammenhengen mellom inn­ gang og utgang er vist på figur 1.27.

Figur 1.27 Sammenhengen mellom måleomformerens inngang og utgang La oss si at måleområdet er 0-200 mmVs » 0-2000 Pa.

. kutvang Forsterkning =------ - —— Ainngang

(20-4) mA _

mA

kPa

2kPa

1.8.2 Ulineær forsterkning

1.9

5,7

13,3

17,1

mm

Figur 1.28 Likeprosentlig ventilkarakteristikk 29

Kapittel 1

Siden grafen ikke er lineær, er forsterkningen avhengig av arbeidspunktet til reguleringsventilen. Forsterkningen i arbeidspunkt A er _ (72-37,3) m3/h _ 34,7 mm 3/8 ”

Fstatisk ~

n^/h mm

Forsterkningen til ventilen i arbeidspunkt B blir

r

(8,8-4,1) m3/li k,7 m3/h - ____ _____ _— = _ — - 1 24mm -----3/8

F STATISK-

1.8.3 Statisk sløyfeforsterkning Figur 1.29 viser en nivåreguleringssløyfe. Signalstandarden mellom de elektroniske instrumentene er 4-20 mA. Reguleringsventilen i innløpet styres med trykkluft. Ved 0,2 bar er ventilen stengt, og ved 1 bar er den åpen.

Figur 1.29 Nivåregulering og inn- og utgangsdiagrammer

30

Innledning og definisjoner

Den statiske sløyfeforsterkningen, i arbeidspunktet, får vi ved å multiplisere alle komponentenes statiske forsterkning: • LT's

forsterkning i mA/m

• LIC's

forsterkning i mA/mA

• Strøm-til-luftomformer

forsterkning i bar/mA

• Membranmotorens

forsterkning i m/bar

• Ventilens

forsterkning i m3/meter løft av ventilpluggen

• Prosessens

forsterkning i m/m3 (meter nivåøkning per m3 væske inn)

Den statiske sløyfeforsterkningen får da denne benevningen:

n . mA mA bar m m3 m Benevning =------------- --------- ------ --------------------- — = ubenevnt m mA mA bar m nr Forsterkning = Fj ■ F? ■ F3 ■ F4 ■ F5 ■ F6

der F1-F6 er de enkelte komponentenes egenforsterkning. Vi ser at hver enkelt komponent i reguleringssløyfen bidrar med forsterkning til den totale sløyfeforsterkningen. For at regulerings­ sløyfen skal virke optimalt, må alle komponentene i sløyfen velges med optimale verdier, det gjelder både prosess- og reguleringsutstyr. Dette skal vi lære mer om i kapitlet om reguleringsteknikk.

1.8.4 Reguleringssløyfens tidskonstanter En tank for væske med ventil i utløpet kan sammenliknes med en RC-krets satt sammen av motstand og kondensator. De følger samme matematiske likning, både dynamisk og statisk sett. Dette betyr at prosesser og instrumenter kan betraktes som RC-kretser, dødtider og forsterkere. Figur 1.30 under viser dette.

Figur 1.30 Eksempel på dynamiske elementer i reguleringssløyfen 31

Kapittel 1

Prosessen består av kapasitans for å lagre energi og motstander (ventiler, friksjon i rør med mer) for strømning. På samme måte vil vi ha RC-kretser i måleelementer, måleverdiomformere, regulatorer og forstillingsmekanismer. Reguleringsventilen kan ses på som en variabel strømningsmotstand.

Således er analysen av et reguleringssystem en analyse av hvordan signaler forandres i amplitude og fase når de passerer gjennom RCkretser, dødtider og forsterkninger av forskjellige typer.

1.8.5 Kapasitet Med kapasitet menes et område hvor masse eller energi lagres. For et nivåsystem som vist på figur 1.31 kan kapasitet C gis følgende definisjon: • Det væskevolumet som skal til for å heve nivået i tanken med én høydeenhet.

Figur 1.31 En ikke-selvregulerende prosess (integrerende prosess) Tanken har en kapasitet C, en tilførsel Qj og et utløp qu. Den opptrer som en buffer mellom inngang og utgang og bestemmer hvor hurt­ ig energi eller masse kan endres.

Av figur 1.31 ser vi at dersom lineært helt til det renner over.

er større enn qu, vil nivået stige

Dersom qu er større enn q? synker nivået lineært helt til tanken er tom. Prosessen på figur 1.31 kalles ofte en integrerende prosess.

1.9 Kontrollspørsmål 1 Tegn blokkskjema for en reguleringssløyfe. 2 Forklar betydningen av definisjoner og uttrykk som er brukt i denne boken. 3 Forklar begrepene tidskonstant, dødtid og forsterkning.

32

2 Tekniske flytskjemaer Mål

Etter å ha studert kapittel 2 skal du kunne • forklare fem forskjellige skjematyper som brukes for å beskrive store produksjonsprosesser • tegne enkle prosessflytskjemaer • forklare hvordan vi nummererer apparatur, utstyr og rør • kjenne bokstavkoder for prosessmedier • forklare betydningen av instrumentkoder og symboler som brukes på tekniske flytskjemaer (TFS) • kunne lese enkle TFS-skjemaer

2.1 Hvorfor brukes flytskjemaer? Hvis vi er i ukjent terreng, er det minst sannsynlig at vi går oss bort når vi har med kart og kompass. Kartet brukes for å planlegge turen, slik at vi unngår ulendt terreng og kan legge opp alternative ruter. På samme måte gir flytskjemaene oss muligheten til å lære prosess­ en (terrenget) å kjenne før vi går ut i fabrikken. Med dagens kom­ pliserte prosesser er det svært vanskelig å lære prosessen ved å peke på en enkel rørforbindelse i en jungel av rør. Vi må sette oss inn i oppmerkingen på forhånd, slik at vi finner igjen referansepunkter som er merket, eller som vi kjenner igjen fra flytskjemaet (kartet) vårt. Utviklingen av de forskjellige skjematypene har skjedd innen­ for de ingeniørfirmaene som bygger fabrikker av forskjellige slag. Når prinsippene i prosessen er fastlagt på flytskjemaene, brukes skjemaene for å lage detaljerte arbeidstegninger for de andre fag­ gruppene, som rørleggere, instrumentører, elektrikere og kjemikere.

2.1.1 Skjematyper Det brukes fem hovedtyper av skjemaer: Blokkskjema Prosesskjema Teknisk flytskjema Hjelpeskjema Forriglingsmatriser

(BS) (PS) (TFS) (HS) (FM)

Vi skal i denne boken legge mest vekt på tekniske flytskjemaer. Dette navnet forkortes TFS. De andre skjemaene beskrives mer kort­ fattet. TFS er det mest omfattende skjemaet. Dersom du kan lese TFS, vil de andre skjemaene være enkle å forstå. I vedlegg 1 vises noen flytskjemasymboler (GTS-T-01) som brukes på TFS-skjemaer.

33

Kapittel 2

2.1.2 Blokkskjema (BS) BS skal gi informasjon om anleggsdelene i en fabrikk. Skjemaet inne­ holder bare rektangulære blokker i naturlig prosessrekkefølge hvor råstofftilførsler og produkter er angitt. Hvert rektangel inneholder bare anleggsdelens navn. Prosessretning angis med pil. Eksempel på blokkskjema for en fullgjødselprosess vises på figur 2.1.

Figur 2.1 Blokkskjema for en fullgjødselprosess

2.1.3 Prosesskjema (PS) PS gir en grunnleggende prosessinformasjon og omfatter alt maskinteknisk utstyr, alle normale driftsbetingelser og gjennomstrøm­ ning og energibalanse i anlegget. PS omfatter følgende, referert til normale driftsbetingelser:

• all apparatur og alt utstyr • alle rørledninger, men omløpsledninger (bypassledninger) tas bare med når de er spesielt viktige • normale trykk og temperaturer i ledninger og apparatur • forbruk av kjølevann, damp og så videre • reguleringsventiler med forenklet instrumentering når dette er nødvendig for å forstå prosessen

PS-skjemaer er enkle å lese for å lære prosessen. Skjemaet viser hovedtrekkene uten å gi forvirrende detaljer. For prosesser hvor vi har valgt styring fra skjerm i stedet for kontrollpaneler, velges ofte PS-skjemaets tegnestandard for de prosessbildene vi skal styre fabrikken etter. Detaljinformasjonskodene må hentes ut fra de respektive tegningene. Eksempel på PS-skjemaer vises på figur 2.2.

34

FLUOR S»RKULASJONSPUMPE A/B

/

P -4 4 0 0 3

berislingspumpe a b

P -4 < 0 0 2

Figur 2.2 Eksempel på prosesskjema (PS)

35

P - 44005 SlRKULASJONSPUMPE A/B

vasketårn

Tekniske flytskjemaer

KAPITTEL 2

2.1.4 Hjelpeskjema (HS)

KS-Streng

D

AN-Sireng

KS-Streng C

KS-Streng

B

KS-Streng

HS viser hjelpeanlegg i form av vann, damp, luft og liknende. Dette er sammenhenger som ikke kommer klart fram på PS eller TFS. HS skal i likhet med TFS gi en fullstendig informasjon om disse delsystemene med rørledninger, apparatur og instrumentering. Tilknyt­ ning til hovedprosessen vises i forenklet form. Forbruk av damp, vann, luft og så videre kan også vises på HS. Eksempel på HS vises på figur 2.3.

Figur 2.3 Hjelpeskjema (HS) 36

Tekniske flytskjemaer

2.1.5 Teknisk flytskjema (TFS) TFS er det mest omfattende skjemaet og inneholder: • all apparatur og utstyr med nummer, dimensjon på tanker, pumper og så videre • alle rørledninger med angivelse av dimensjon og nummer • alle ventiler (også sikkerhetsventiler) med nummer • isolasjon og eventuell oppvarming/kjøling på all apparatur og alle rørledninger • all instrumentering for normal prosesstyring og angivelse av om det er forrigling (detaljene rundt forriglingene ligger på FM)

For maskinteknisk utstyr angis:

Siloer og beholdere Diameter og høyde Høyde, lengde og bredde Volum

(m) eller (m) (m3)

Varmevekslere Total ytre heteflate

(m2)

Pumper Løftehøyde Kapasitet Effekt

(m) (m3/t) eller (Nm3/t) (kW)

Vifter Trykkøking Kapasitet

(millibar) (kg/t eller Nm3/t)

Kompressorer Trykkøking Kapasitet Effekt

(bar) (kg/t eller Nm3/t) (kW)

2.1.6 Tegneregler 1 Inngående ledninger skal normalt komme inn på venstre side av skjemaet, og utgående skal føres ut på høyre side. 2 Alle ledninger som finnes på mer enn ett skjema, skal være tydelig merket på høyre og venstre side av tegningen med a) hva ledningen inneholder b) hvor ledningen kommer fra, eller hvor den skal c) skjemareferanse

Denne informasjonen skal være plassert i en ramme for å lette les­ barheten, se figur 2.4.

37

Kapittel 2

Figur 2.4 Hvordan informasjon plasseres i ramme 3 Hovedprosessledninger tegnes med 1 mm linjetykkelse, hjelpestrømmer og mindre viktige prosessledninger med 0,5 mm linjetykkelse. Hovedprosessledninger tegnes så korte og direkte som mulig.

4 Horisontale ledninger skal alltid tegnes ubrutt, slik at ved krys­ ninger skal alltid de vertikale ledningene brytes, se figur 2.5.

Figur 2.5 Krysning av to ledninger

5 Pilspisser skal markere strømretningen, se figur 2.5. 6 Ledninger og apparatur arrangeres så enkelt som mulig på teg­ ningen med prosessretningen fra venstre mot høyre, selv om dette ikke stemmer med den geografiske virkelighet, se figur 2.6.

Figur 2.6 Plassering av ledninger og apparatur 7 Apparatenes innbyrdes plassering i høyderetningen angis så langt som det er mulig ved plassering på tegningen.

8 Innbyrdes størrelsesforhold på apparatur bør også framgå. En liten apparatur skal ikke oppta mesteparten av plassen på en tegning, se figur 2.7.

38

Tekniske flytskjemaer

Figur 2.7 Innbyrdes størrelsesforhold bør framgå av tegningen

9 Instrumentledninger tegnes med 0,25 mm linjetykkelse. De skal alltid brytes når de krysser prosess- og hjelpeledninger uansett om ledningen er tegnet horisontalt eller vertikalt, se figur 2.8. Instrumentledning

Figur 2.8 Instrumentledning tegnes med 0,25 mm linjetykkelse

2. 2 Symboler Det er for omfattende å vise alle symboler som kan inngå i et flytskjema, her. Vi skal bare vise noen eksempler. For å lære sym­ bolene er det viktig å se likheten mellom symbolet og det vi møter ute i en produksjonsprosess. En varmeveksler med rette rør er et eksempel hvor virkelig utførelse og symbol stemmer godt overens, se figur 2.9.

Figur 2.9 Grunnsymbolet for varmeveksler med rette rør Grunnsymbolet kan utnyttes til å gi ytterligere informasjon.

39

Kapittel 2

På figur 2.10 går prosessvæske og kjølevann motstrøms (hver sin vei) med kjølevannet på skallsiden og prosessvæsken på rørsiden (inne i rørene). Med denne tegnemåten på et skjema vil det være enkelt å orientere seg ute ved varmeveksleren.

Figur 2.10 Symbolet for en varmeveksler tilkoplet rørledninger

2. 3 Nummerering av apparatur og utstyr Navn på apparatur og utstyr brukes i stor grad i dagligspråket i den enkelte fabrikk, eksempelvis «Moderlutpumpe 1» og «Reaktor A». Det er imidlertid behov for å ha et sorteringssystem som er uav­ hengig av bruksformålet til en bestemt type apparatur eller utstyr. Til dette brukes følgende kodesystem:

• Først én (to, tre eller fire) bokstav(er)

(A) for type utstyr (funksjon)

• Bindestrek eller mellomrom • Så to tall (N) for anleggsdel (system) • Deretter tre tall (N) for løpenummer Anleggsdel og løpenummer er til sammen femsifret. • Etter nummeret kan eventuelt bokstav

(A) tilføyes for å skille likt utstyr som står i parallell

Den fullstendige utstyrskoden blir da: AAAA-NNNNNA Eksempler:

P-15001 A-NNNNN,

PC-12007 A-NNNNN,

---------- Løpenr. --------------- Anleggsnr. ------------------- Utstyrstype

Små tegn kan sløyfes om nødvendig.

40

Løpenr. Anleggsnr. Utstyrstype (Instrumentbetegnelse)

Tekniske

flytskjemaer

Tabell 2.1 Nummerering av maskinteknisk utstyr Nummerering av maskinteknisk utstyr Utstyr

Bokstavkode

Løfteutstyr

A

Røreverk

B

Kolonner

C

Dyser, ejektor

D

Elektrolysører

E

Ovner

F

Transmisjoner, gir

G

Varmevekslere, kjølere, inndampere

H

Vifter

I

Tørkere

J

Kompressorer

K

Utstyr for gassrensing og støvutskilling

L

Transportutstyr for faste stoffer

M

Oppredningsutstyr for faste stoffer, siloer

N

Pumper

P

Turbiner

Q

Utstyr for atskillelse av væske/faste stoffer, sentrifuge

R

Fakler, skorsteiner

S

Tanker, atmosfæriske

T

Utstyr for atskillelse av væske/gass

U

Trykkbeholdere

V

Vekter

w

Diverse utstyr

X

Diverse utstyr

Y

Diverse utstyr

z

De to første sifrene angir anleggsdelen (eventuelt fabrikknavn og anleggsnummer). De neste tre sifrene angir løpenummeret på utstyret. Løpenumre er fortløpende nummerert fra 001 og følger prosessgangen i serienummerering. Ved endring i anlegget brukes første ledige nummer for nytt utstyr. Vi kan da få den situasjonen at for eksempel varmeveksler H-44007 kommer foran H-44004 i pro­ sessen. Vi kan finne både C-12001 og P-12001 innenfor ett og samme prosessavsnitt, men C og P forteller oss at dette er forskjellig type utstyr. Denne måten å nummerere på kalles parallellnummerering. Vi må se på bokstaven for å vite hva slags utstyr vi snakker om.

41

KAPITTEL 2

2.3.1 Nummerering av rørledninger Det er nødvendig å nummerere og merke rørledninger på samme måte som det er nødvendig å merke det mekaniske utstyret. Ellers ville det være vanskelig å finne fram i «jungelen» av rør som vi ofte finner i et moderne anlegg. Til hjelp bruker vi farger og symboler som også vil fortelle om eventuelle faremomenter ved betjening. Noen av disse symbolene er vist på figur 2.11.

IRRITERENDE

BRANNFARLIG

Figur 2.11 Faresymboler for rørmerking Fargekoder for faresymbolene på figur 2.11 For en del av skiltene som angir medium, skal det brukes farger etter følgende kode:

GRØNN -

Vann (inkludert kondensat).

RØD-

Damp. Armatur og ledninger for brannslukking.

GUL-

Gasser (unntatt oksygen, nitrogen og luft). Også kondenserte gasser, for eksempel flytende ammoniakk, klor og propan.

MØRK BLÅ -

Oksygen (O2).

HVITT m/SVART TEKST, SKILT m/SVART KANT Nitrogen (N2) som spylegass. FIOLETT -

Syrer og baser, sure og basiske løsninger.

BRUN -

Brennbare væsker.

GRÅ-

Andre væsker og luft.

For å kunne kjenne igjen utstyret bruker vi kodingen som er angitt på TFS- og HS-skjemaene. Alle rørledninger med forgreininger skal ha et rørnummer, som i prinsippet er bygd opp i likhet med numm­ ereringen av mekanisk utstyr.

Rørnummeret er bygd opp slik:

• bokstaver (inntil tre) angir prosessmediet • bindestrek • to tall som angir anleggsnummer (prosessavsnitt, eventuelt fabrikknummer) • tre tall som angir løpenummeret på ledningen innenfor det aktuelle prosessavsnittet

42

Tekniske flytskjemaer

Eksempel

AG-52015 Løpenummer Anleggsnummer Prosessmedium (her ammoniakkgass)

2.3.2 Bokstavkoder for prosessmedier Prosessmediet angis med inntil tre bokstaver. Nedenfor står en liste som viser mediekoder. I og med at det finnes hundrevis av for­ skjellige prosessmedier, må industrien i tillegg supplere med egne betegnelser. Her vises noen eksempler:

Tabell 2.2 Bokstavkoder for prosessmedier

G

Gass

(Gas)

AG

Ammoniakkgass

(Ammonia Gas)

FG

Røykgass

(Flue Gas)

IG

Inert gass (hjelpegass som ikke reagerer med produktet)

PG

Prosessgass

(Process Gas)

TG

Restgass

(Tail Gas)

AV

Avtrekksluft

(Air Vent)

PV

Prosessavlufting

(Process Vent)

CO

Karbonmonoksid

(Carbon mono Oxide)

CDO Karbondioksid (kullsyre)

(Carbon Di Oxide)

H

Hydrogen

(Hydrogen)

N

Nitrogen

(Nitrogen)

NO

Nitrosegass

(Nitrous Oxide)

OX

Oksygen

(OXygen)

PRO

Propan

(PROpane)

C

Kondensat

(Condensate)

SC

Kondensat

(Steam Condensate)

PC

Kondensat

(Process Condensate)

A

Luft

(Air)

AA

Amoniakk / luft-blanding

(Ammonia/Air mixture)

DA

Tørr luft

(Dry Air)

IA

Instrumentluft

(Instrument Air)

PA

Prosessluft

(Process Air)

SA

Sperreluft

(Seal Air)

WA

Arbeidsluft

(Working Air)

R

(Refrigerant)

S

Damp

(Steam)

HS

Høytrykksdamp (29-44 baro)

(High pressure Steam)

LS

Lavtrykksdamp (2-7 baro)

(Low pressure Steam)

(forts, neste side) 43

Kapittel 2

W

Vann

(Water)

AW

Ammoniakk/vann-blanding

(Ammonia/Water mixture)

BW

Matevann

(Boiler feed Water)

EW

Nød vann/brannvann

(Emergency Water)

FW

Friskvann

(Fresh Water)

PW

Prosessvann

(Process Water)

sw o

Sjøvann

(Sea Water)

Olje

(Oil)

FO

Fyringsolje

(Fuel Oil)

HO

Hydraulikkolje

(Hydraulic Oil)

LO

Smøreolje

(Lube Oil)

SO

Sperreolje

(Seal Oil)

HCL Saltsyre

(HydroCloric Acid)

NA

(Nitric Acid)

NP

Salpetersyre

(Nitrogen Phosfor Liquid)

En fullstendig rørkoding omfatter også rørdimensjon (nominell dia­ meter, forkortet DN) og rørspesifikasjon (materialkvalitet og likn­ ende).

Angivelse av trykklasse (nominelt trykk, PN) kan brukes i stedet for rørspesifikasjonen. Anmerking Nominell diameter vil som oftest ikke være lik inner- eller ytterdiameteren på røret. En mye brukt syrefast kvalitet har for eksempel for DN 100 disse målene: d = 109,1 og D = 114,3 mm. Nominelt trykk er heller ikke det samme som maksimalt godkjent driftstrykk i anlegget. En PN16-ledning kan for eksempel være trykktestet og godkjent for 9 bar overtrykk. Forskjellen mellom 16 og 9 bar overtrykk er da en del av den innebygde sikkerheten i anlegg­ et. Rørspesifikasjonen angis med kode på TFS og HS. For å finne ut hva rørspesifikasjonen er, må vi ha egne lister. Materialkvalitet og tillatt trykk framgår som en del av disse opplysningene.

Kode for rørspesifikasjon Rørdiameter Løpenummer Anleggsdelnummer Prosessmedium

44

Tekniske flytskjemaer

Eksempel

MS-1101 5-100-PN16 Nominelt trykk Rørdiameter Løpenummer Anleggsdelnummer Prosessmedium Rørledninger skifter ikke nummer når diameteren endres, men ny diameter angis på skjemaet. Greinledninger gis nytt nummer, men korte stusser er unummererte, figur 2.12.

Figur 2.12 Eksempel på merking av rørledninger

2.3.3 Nummerering av rørarmatur Nummerering av rørarmatur utføres med • en eller to bokstaver som angir type armatur • bindestrek • to tall som angir anleggsdelen som armaturen tilhører • tre tall som angir løpenummeret, med 001 som den første arma­ turen med den tilhørende typekoden innenfor den aktuelle anleggsdelen

Tabell 2.3 Bokstaver for rørarmatur

Bokstaver for rørarmatur V

Ventil

(Valve)

SV

Sikkerhetsventil (prosess, termisk, trykk/vakuum)

(Safety Valve)

SB

Brilleskive

(Spectacle Blind)

OR

Strupeskive

(Orifice)

RD

Sprengeskive

(Rupture Disc)

X

Diverse armatur

Eksempel SV-07021, sikkerhetsventil nr. 021 i anleggsdel nr. 07. 45

Kapittel 2

2.4 Instrumentkoder og symboler for flytskjema Moderne fabrikker består ikke bare av rør, beholdere og transportutstyr for gasser, væsker og faste stoffer. En vesentlig del av utstyr­ et i fabrikken er reguleringsutstyr og instrumenter som skal hjelpe oss å lage produkter med best mulig kvalitet. Første betingelse for å kunne styre prosessen er å kjenne tilstanden. Derfor måler vi trykk, temperatur, gjennomstrømning, nivå og så videre. Neste betingelse er å vite hvor vi måler. Det er for eksempel vesentlig å vite om trykkmålingen er plassert før, etter, eller både før og etter en ventil. TFS og HS vil gi oss denne informasjonen. På figur 2.13 er manometeret plassert etter en ventil på enden av en rørledning med mange for­ greininger.

Figur 2.13 Plassering au manometer

Vi har som oftest behov for å vite mer om disse målingene og hvordan vi bruker dem for å styre prosessen. Som basis har vi valgt den internasjonale standarden ISO 3511-1 (tilsvarer Norsk Standard 1438). I produksjonsprosesser vil vi se flere typer standarder brukt, avhengig av anleggets alder. Vi bør spesielt være oppmerksom på forskjellene i bokstavforkortelsene for instrumentering. Prosessmålinger markeres med en sirkel på flytskjemaet. Vi kan se innvendig i sirkelen hvor målingen presenteres, figur 2.14.

Instrument montert ved montasjested

Instrument montert i sentralt panel (hovedkontrollrom)

Instrument montert i lokalt panel

Figur 2.14 Grunnsymbolerfor instrumenter En prosessmåling er av liten verdi hvis vi ikke kan gjøre endringer dersom måleverdien avviker fra ønsket verdi. Til dette bruker vi ventiler av forskjellig slag. Figur 2.15 viser generelt ventilsymbol og ventiler med forskjellige styringsorganer (aktuatorer).

Ventil med håndbetjening

Ventil med membranaktuator

Ventil med sylinderaktuator

Ventil med elektrisk motor

Figur 2.15 Symboler for ventiler påmontert styringsorganer (aktuatorer)

46

Tekniske

flytskjemaer

For sikkerheten i anlegget er det vesentlig om ventilen stenger, åpner eller blir stående ved strøm eller luftsvikt, figur 2.16. Ved luftsvikt:

Lukker

Åpner

Blir stående Blir stående, men siger mot stengt stilling

ISO 3511 -1 (Norsk Standard NS 1438)

Figur 2.16 Symboler på ventiler, med symboler for ventilens funksjon ved bortfall av styreluft Prosessmåling og styring via ventiler knyttes sammen til reguleringssløyfer. De vanligste måle- og styresignalene er elektrisk strøm (4-20 mA) eller luft (0,2-1,0 bar), figur 2.17. Pneumatisk 0,2-1 bar

---- *

Kapillar

E = Electrical

f--------------------- F

Elektrisk 4-20 mA

------ /---------------------- /--------- Generell ^z— L = Liquid

------------------------------------------ Hydraulisk

ISO 3511-1

Figur 2.17 Symboler for instrumentsignalledninger Figur 2.18 viser eksempel på bruk av instrumentsymboler i et nivåanlegg.

Figur 2.18 Bruk av instrumentsymboler

47

Kapittel 2

For å kunne fortelle hva vi måler, og hvordan vi bruker denne informasjonen, har vi standardiserte bokstavforkortelser på fra to til fire bokstaver. Første bokstav angir alltid hva som måles. Annen, tredje og eventuelt fjerde bokstav angir hvordan dette presenteres og/eller behandles med eventuelle tilleggsfunksjoner som skriver, differanse og forhold. Forkortelsene har sin basis i engelske fagut­ trykk og er vist på tabell 2.4. Tabell 2.4 Standardiserte bokstavforkortelser Etterfølgende bokstav

Første bokstav Prosessvariabel

A

Alarm

B

Flamme

Tilleggsfunksjon

Diverse

Tilstandsind. (0-1, av/på) Regulator (Controller)

C

D

Densitet, tetthet (Density)

E

Alle elektriske størrelser

F

Mengde per tidsenhet (Flow)

G

Dimensjon, posisjon

H

Handstyrt

Høy (maks, åpen, start)

I

ITV-overvåking

Indikator

Differanse Måleelement

Forhold, brøk

Avtasting (Scanning)

J K

Tid, programverk

L

Nivå (Level)

M

Fuktighet (Moisture)

N

Valgfri

O

Valgfri

P

Trykk, vakuum (Pressure)

Q

Analyse, egenskap (Quality)

R

Radioaktivitet

S

Hastighet, frekvens (Speed)

T

Temperatur

Måleomformer (Transmitter)

U

Multivariabel

Multifunksjon

V

Viskositet

Ventil, pådragsorgan

W

Vekt, kraft (Weight)

X

Vibrasjon

48

Valgfri

Valgfri

Punkt, testpunkt Integrasjon, sum (Quantity) Skriver (Recorder) Sikkerhet

Kontraktfunksjon, styring

Udefinert

Regneenhet, hjelpefunksjon

Y Z

Lav (min, lukket, stopp)

Aksialforskyvning

Sikkerhetsfunksjon, forrigling

Tekniske flytskjemaer

Engelske faguttrykk er angitt i parentes. Ofte utelates I sammen med C og R, slik at vi får FC og FR i stedet for som tidligere FIC og FIR.

Integrering eller fortløpende summering og så videre: Disse kodene plasseres utenfor en boble, der hvor det er best plass, fortrinnsvis oppe til venstre: Tabell 2.5 Symbol

Betydning

2 eller ADD

Integrering eller fortløpende summering

C=a+b

Summering av to signaler

C = a-b

Differanse mellom to signaler

C=a•b

Multiplikasjon av to signaler

C = a/b

Divisjon av to signaler

Bias

Nullpunktforskyving

Ratio 1:3

Forhold mellom inngang og utgang =1:3

O eller a =

Kvadratrotuttrekking

Xn, X1/n

Opphøyet i potens

f(x)

Funksjonsomforming

1 : 1

Effektforsterkning

>

Valg av høyeste signal


/// av magnetfeltet

Figur 7.29 02-molekylet blir tiltrekt av eit magnetfelt, medan N2 og andre diamagnetiske gassar blir utstøytte

7.5.4 Prinsipiell verkemåte To glaskuler fylte med nitrogen (N2) er monterte på ei stong. Stonga med glaskulene blir montert i eit magnetfelt, figur 7.30. Stonga kan rotere rundt sin eigen akse. Opphenget til stonga er ein metalltråd.

Vriding på grunn av diamagnetisme

\—Vriding på grunn av motkraft

Figur 7.30 Glaskulerfylte med N-, montert i eit magnetfelt

På grunn av diamagnetiseringa til nitrogen blir glaskulene pressa utover i magnetfeltet. Motkrafta til denne vridinga får vi når vi viklar ein spole rundt alle N2-kulene. Ein straum gjennom spolane set opp magnetfeltet, som pressar kulene mot magnetfeltet igjen, figur 7.31. Straum

Kraft som kjem av straum i spolane

Kraft som kjem av diamagnetisme

Figur 7.31 Kreftene balanserer mot kvarandre 160

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Den gassblandinga som skal målast, inneheld oksygen. Gassen blir ført til målecella. Det sterke magnetfeltet trekkjer til seg oksygenet. Fordi oksygenet er paramagnetisk og nitrogenet diamagnetisk, skyv oksygenet bort nitrogencella, som dermed dreiar. Ein spegel som er montert på nitrogencella, endrar no retninga til den reflekterande lysstrålen, figur 7.32.

Figur 7.32 Prinsippskisse for ein oksygenanalysator Lysstrålen treffer fotocella i andre punkt, og dermed blir spenninga endra ut frå fotocella. Den elektroniske forsterkaren reagerer på denne endringa og aukar utgangsstraumen som går gjennom straumspolane rundt N?-kulene. Auken i straumen er så stor at bly­ kulene dreiar tilbake inn i magnetfeltet, slik at den reflekterande lysstrålen treffer fotocella i det same punktet (nullpunktet). Straum­ en frå forsterkaren er no eit mål på oksygenkonsentrasjonen i gass­ blandinga.

7.6 Infraraud analysator

7.6.1 Infraraud stråling Infraraud stråling er stråling som minner om lys, men det infraraude lyset er så langbølgja at vi ikkje kan sjå det med auget. Infraraud stråling er ei varmestråling lik varmestrålinga frå ein omn. Ein del gassar absorberer infraraud stråling. Infraraude analysatorar er instrument som kan måle denne eigenskapen i ei gass-

161

Kapittel 7

blanding til å absorbere infraraud stråling. Dermed kan vi finne konsentrasjonen av ein gasskomponent i gassblandinga. Døme på gassar som absorberer infraraud stråling, er • • • •

ammoniakk, NH3 karbonoksid, CO karbondioksid, CO? metan, CH4

Figur 7.33 viser eit infraraudt absorpsjonspekter for nokre gassar.

Bølgjelengd (nm)

Figur 7.33 Infraraudt absorpsjonspekter for nokre gassar

Den infraraude analysatoren blir brukt i produksjonsverkstader for å måle gasskonsentrasjonar i produksjonen og utslepp til atmos­ færen. Analysatoren kan også brukast til å måle ureining i atmos­ færen, til dømes CO og CO2 i byar og ved sterkt trafikkerte vegar. Gassar med eitt grunnstoff absorberer ikkje infraraud stråling. Døme på slike gassar er • • • •

alle edelgassane oksygen, O2 nitrogen, N2 hydrogen, H?

7.6.2 Prinsipiell verkemåte Figur 7.34 viser ei prinsippskisse for ein analysator. Analysatoren er samansett av to filter som berre slepper gjennom lys med den bølgjelengda vi ønskjer å måle. Måleelementet er elektronisk og kopla til ein elektronisk forsterkar.

Forsterkar

Vidare signalbehandling

Figur 7.34 Prinsippskisse for ein infraraud analysator 162

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Det blir sendt to ulike bølgjelengder, og X2, vekselvis gjennom målecella. Den eine bølgjelengda er tilpassa slik at ho blir absorbert av gasskomponentane i målecella. Bølgjelengdene treffer måleelementet etter tur der intensiteten i dei to infraraude strålane blir omgjord til elektriske spenningar, U1 og U2. Forsterkaren saman­ liknar dei to spenningane, og differansen mellom desse to spenn­ ingane blir eit mål for konsentrasjonen av den gassen vi ønskjer å måle.

7.7 Varmeleiingsanalysator Vi kjenner til at metall har ulik varmeleiingsevne. Til dømes leier kopar lettare enn jern. På same måte er det med gassar. Gassen hydrogen leier varme tolv gonger lettare ein karbondioksid. Der­ som komponenten som skal målast, har ei varmeleiingsevne som er svært ulik dei andre gasskomponentane, er varmeanalysatoren eit aktuelt analyseprinsipp.

Tabell 7.4 viser varmeleiingsevna til nokre gassar. Relativ varmeleiingsevne

Gass

Gass

Relativ varmeleiingsevne

Ar

Argon

68

Metan

125

He

Helium

593

Etan

76

Ne

Neon

191

Propan

63

H2

Hydrogen

714

Butan

56

n2

Nitrogen

100

Pentan

51

O2

Oksygen

102

Heksan

50

100

Acetylen

77

Tuft

co2

Karbondioksid

59

Etylen

73

CO

Karbonmonoksid

96

Propylen

58

NO

Nitrogenmonoksid

96

Metanol

59

63

Metylklorid

39

n2o nh3

Ammoniakk

90

Metylenklorid

27

Cl2

Klor

32

Kloroform

27

so2 cs2

Svoveldioksid

35

Aceton

40

28

Etyleter

54

h2s

Hydrogensulfid

53

Benzen

37

Tabell 7.4 Varmeleiingsevna til nokre gassar

163

Kapittel 7

7.7.1 Prinsipiell verkemåte I målekammeret er det ein elektrisk motstandstråd. Motstandstråden leier ein straum, og da blir tråden oppvarma. Temperaturen på tråden er avhengig av varmeleiingsevna til gassen i målecella, figur 7.35.

Figur 7.35 Prinsippskisse for ein varmeleiingsanalysator Referansecella R er oppbygd på nøyaktig same måte som målecella, men ho er fylt med ein referansegass. Saman med fastmotstandane R, og R2 er systemet ei wheatstonebrukopling. Ein elektronisk for­ sterkar er kopla inn i brudiagonalane. Spenninga over brudiagonalane blir forsterka og omforma til 4-20 mA for fjernavlesing. Instrumentet på figur 7.35 er også utstyrt med ei digital avlesing på analyseinstrumentet. Denne målemetoden er temperaturavhengig, og difor må målinga temperaturkompenserast. Varierande fuktinnhald i gassen kan også gi feil som har mykje å seie for målinga. Fuktinnhaldet blir difor halde så konstant og lågt som råd.

7.8 Gasskromatograf

Figur 7.36 Gasskromatograf Med gasskromatografar kan vi gjere analysar som det før ikkje var mogeleg å gjere. Ein gasskromatograf kan analysere mange ulike

164

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

gasskomponentar og fleire ulike gasstraumar. Figur 7.37 viser eit prinsipielt blokkskjema for ein gasskromatograf.

Punkt 1-n er prosesstilkoplingar

Figur 7.37 Prinsipielt skjema for ein gasskromatograf

Analysatoren er plassert ute i anlegget. Ein PC som står i samband med dataeininga til gasskromatografen, kan vere plassert i kontrollrommet. Alle måledata kan koplast direkte til ein prosessdatamaskin dersom vi ønskjer å presentere målingane på skjermen for fagoperatørane. 1 motsetning til dei instrumenttypane vi har nemnt tidlegare, arbeider gasskromatografen diskontinuerleg. Det vil seie at han tek ut ei lita gassprøve og analyserer prøva. I tur og orden analyserer han alle gassane.

Det viktigaste kjenneteiknet til kromatografen er at han skil dei ulike gasskomponentane i prøva frå kvarandre. Det blir gjort i kolonnane til analysatoren. Målegassen blir driven gjennom kolonnane av ein hjelpegass, til dømes helium. Denne hjelpegassen kjem frå gassflasker som er plasserte ved analysatoren. Når dei separerte gasskomponentane kjem ut igjen, blir mengda av dei målt.

165

Kapittel 7

7.9 Eksplosimeter Dersom vi arbeider med noko som kan få gass til å brenne i eit Exområde, skal det haldast manuell og uavhengig gasstest på arbeids­ staden både før arbeidet tek til og medan arbeidet er i gang. Manu­ elle gasstestarar som er laga for slike målingar, blir kalla eksplosi­ meter. Det er eit personleg gassvarslingsinstrument. Figur 7.38 viser eit døme på eit eksplosimeter.

Figur 7.38 Eksplosimeter

7.10 Personleg gassmålingsutstyr for giftige gassar og oksygen Når vi skal arbeide i område med giftige gassar eller der det er fare for oksygenmangel, må vi gjere ein manuell gasstest både før arbeidet tek til og medan arbeidet er i gang. Instrumentet som vi kan bere med oss og som blir brukt til slike gasstestar og gasstilsyn, blir kalla personleg gassvarslingsutstyr. Figur 7.39 viser eit person­ leg gassvarslingsinstrument. Som figur 7.39 viser, er instrumentet lite og lett å bere med seg.

Alle gassar er ikkje like giftige. Det gjer at ein gasskonsentrasjon som er farleg i eit område, kan vere akseptabel i eit anna der det finst ein annan type gass. Dette instrumentet har to alarmgrenser som kan justerast ute i anlegget. Du kan endre alarmkriteria og just­ ere forvarslinga og alarmnivået til det som passar best til den spesi­ elle situasjonen. Alarmnivået er enkelt å justere på framsida av instrumentet: Trykk alarmnivå 1 eller 2 og still inn med justeringsskruen til vindauget viser den fastsette alarmgrensa. Gasskonsentrasjonar som går over dei alarmgrensene som er stilte på føre-

166

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Figur 7.39 Personleg gassvarslingsutstyr til å registrere giftige og eksplosive gassar

hand, blir varsla med både lyd og lys. Eit sakte pulserande lydsignal med lys frå ei LED-lampe indikerer liten fare, og eit raskt pulserande lydsignal med lyssignal indikerer at gasskonsentrasjonen er over høgalarmnivået. Alarmsignalet har ein styrke på rundt 85 dB på 30 cm avstand. Gasstestaren kan brukast for ei heil rekkje gassar, men berre for ein gass kvar gong. Dersom du skal bruke gasstestaren for ein annan gass, byter du gassensoren. Ein gassensor kan vere i bruk i eit år eller meir utan at han treng kalibrerast. Tabell 7.5 viser dei gassane gasstestaren passar til. Tabell 7.5 Gassar som gasstestaren passar til

Gasstype

Måleomfang

AsH3

Arsen

0-

0,50

ppm

B2H3

Diobran

0-

1,00

ppm

Br3

Bromin

0-

5,00

ppm

Cl2

Klorin

0-

5,00

ppm

CO

Karbonmonoksid

0-

COC12

Fosgen

0-

1,00

ppm

F2

Fluorin

0-

5,00

ppm

GeH4

German

0-

5,0

ppm

h2

Hydrogen

0-

h2s

Hydrogensulfid

0-

100

ppm

HBr

Hydrogenbromid

0-

30

ppm

HC1

Hydrogenklorid

0-

30

ppm

300

ppm

0,200

0/

/o

167

Kapittel 7

forts.

Måleomfang

Gasstype

HCN

Hydrogencyanid

0-

30

ppm

HF

Hydrogenfluorid

0-

10,0

ppm

NH3

Ammoniakk

0-

o2

Oksygen

0-

o3

Ozon

0-

1,00

ppm

ph3

Fostin

0-

1,00

ppm

SiH,4

Silan

0-

100

25,0

50

ppm 0/ /o

ppm

7.10.1 Eigentryggleik Somme av gassane som står i tabell 7.5, brenn lett eller er eks­ plosive, eller dei er begge delar. Eit instrument som skal brukast i eksplosjonsfarlege område, må sjølvsagt vere godkjent etter desse Exi-standardane. EEx ib I/IICT6 BVS-N- 88.1011 BVS-N-88.B. 2002 EN 50014-50020

CSA Class I Division 1 and 2, Group A, B, C and D United States Department of Labor

MSHA 2G-3850-0

MSHA Mine Safety and Health Administration

Certificate of Compliance issued by the USSR State Committee for Standards, N- 12640-91

Figur 7.40 Godkjenningsmerking etter Exi-standardane

7.1 I Måling av oksygeninnhaldet i vatn Felles for alle ureiningsstoff er at dei verkar på oksygenet som er oppløyst i vatn. Oksygeninnhaldet blir nemnt med bokstavane DO, som er ei forkorting for «dissolved oxygen». Difor har konsentra­ sjonen av DO vore den viktigaste målestorleiken for å få eit inn­ trykk av graden av ureining i vatnet (resipienten). Dersom det er nok oksygen i vatnet, kan mange viktige ureinande stoff bli oksid­ erte direkte, eller dei kan bli tekne hand om av mikroorganismar som må ha oksygen for å eksistere. Figur 7.41 viser oksygenkonsentrasjonen i ei elv nedanfor ei ureiningskjelde. Vi ser at den lågaste verdien av oksygenkonsentrasjonen ikkje finst ved sjølve utsleppet, men eit stykke nedanfor.

168

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Oksygeninnhald PPm

Figur 7.41 Oksygenkonsentrasjon som funksjon av avstanden nedstraums frå ureiningskjelda i ei elv

Kor langt vi må bort frå ureiningskjelda før konsentrasjonen av oksygen er oppe i det normale igjen, det vil seie 9 ppm, er avheng­ ig av kor djup elva er på dei ulike stadene, farten på straumen i vatnet, og kor turbulent straumdraget er. Desse faktorane avgjer kontaktflata mellom vatn og luft og dermed absorpsjonsevna. For å halde kontinuerleg tilsyn med ureininga i vatn må vi difor ha utstyr som kontinuerleg måler innehaldet av oppløyst oksygen i vatnet. Figur 7.42 viser eit oksygenmeter for kontinuerleg måling (DOmeter). Instrumentet er laga for panelmontasje. Måleelementet (målecella) er vist montert i røret.

Figur 7.42 Oksygenmeter (DO-meter) og måleelement

Når vi tek målingar, må målecella vere heilt nedsøkkt i vatn, og ho må vere der så lenge at ho held ein stabil temperatur. Dersom vi tek prøver manuelt, må målecella førast fram og tilbake, slik at vatnet strøymer forbi målecella.

169

Kapittel 7

For kontinuerleg måling blir målecella montert i eit rør saman med ei pumpe som pumpar vatnet forbi membranen på målecella. Figur 7.43 viser eit DO-meter laga for manuelle målingar.

Figur 7.43 DO-meter for manuell måling Oksygenmeteret har ein presisjon på ±2 % av fullt utslag innanfor ±10 °C av den kalibrerte temperaturen.

7.Il.l Måling av slaminnhald På grunn av ureina vatn, særleg i innlandet og i fjordane, blir det stilt krav til effektiviteten av kommunale og industrielle reinseanlegg. I ein slamprosess i eit kloakkreinseanlegg blir organiske stoff brotne ned av mikroorganismane i slammet. Store mengder luft blir førte inn i eit basseng som kloakkvatnet renn gjennom. For at denne prosessen skal vere effektiv må væska innehalde ei viss mengd slam i forhold til mengda av organisk stoff i kloakkvatnet. Difor må vi måle konsentrasjonen av slam. Slammålarar verkar vanlegvis etter to prinsipp: turbimetri og nefelometri. Felles for dei to prinsippa er at partiklar som er for­ delte i ei væske, spreier ein innfallande samanknytt lysbunt i alle retningar på grunn av refleksjonen frå partiklane i kloakkvatnet. Den reflekterte styrken på lyset er proporsjonal med partikkelkon­ sentrasjonen i kloakkvatnet. Med turbimetri måler vi den rester­ ande lysstyrken etter at lyset har passert kloakkvatnet. Med nefelo­ metri måler vi lysstyrken av det lyset som blir reflektert av klo­ akkvatnet. Figur 7.44 viser den prinsipielle verkemåten til eit instrument som måler slaminnhald.

170

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Figur 7.44 Prinsippet for eit instrument som måler slaminnhald

7.1 1.2 Måling av tungmetall og organiske sambindingar i vatn Desse miljøgiftene kjem i hovudsak frå • industri • gruveverksemd • søppelfyllingar • avløp frå hus (kloakkreinseanlegg) • bruk av plantevernmiddel

7.1 1.3 Instrument basert på strålingsabsorpsjon (kolorimeter) Grunnprinsippet for strålingsabsorpsjon er at ulike stoff absorberer visse lysbølgjelengder, medan andre bølgjelengder slepper gjenn­ om. Dersom lyset frå ei strålingskjelde blir filtrert slik at berre lys av ei særskild bølgjelengd blir igjen, kan intensiteten av dette lyset målast før og etter at det filtrerte lyset har passert målemediet. Intensitetsskilnaden er eit mål for konsentrasjonen av det stoffet som absorberer like før bølgjelengda. Strålingsintensiteten blir målt med fotoceller. Kolorimeteret blir mykje brukt til manuelle konsentrasjonsmålingar av kjemiske stoff og/eller tungmetall i vatn. Den prinsipielle verkemåten til instrumentet er vist på figur 7.45.

171

Kapittel 7

Kolorimeteret har eit avgrensa bruksområde. Det må berre vere eitt ukjent stoff i målekammeret som absorberer lys innanfor bølgjelengdområdet til filteret. Strålingskjelda er ei glødelampe som sender ut lys med eit breitt bølgjelengdområde. Lyset blir fokusert av ei linse og passerer deretter eit gelatinfilter, som berre slepper gjennom eit relativt smalt bølgjelengdområde. Etter filteret passer­ er lyset målekammeret, som vanlegvis blir kalla målekyvette, og deretter ei fotocelle. Utgangsstraumen blir forsterka og ført til dataeininga via ein A/D-omformar. Figur 7.46 viser eit kolorimeter som kan berast.

Figur 7.46 Kolorimeter som kan berast (400-700 nm)

7.12 Måling av konsentrasjon 7.12.1 Suspensjon Ein suspensjon er ei væske med fint fordelte partiklar av eit stoff. Døme på suspensjon er grumsete vatn der sandkorn og støv er for­ delte i vatnet, og mjølk der feittet er finfordelt i væska. Ein suspen­ sjon kan vi sjå på som ei mekanisk blanding. I papirindustrien har vi fibersuspensjonar i konsentrasjonar frå 15 % til 0,1 %. Mange av produksjonsprosessane er avhengige av at konsentrasjonen er heilt korrekt. For å regulere konsentrasjonen treng vi konsentrasjonsmålarar med god presisjon.

7.12.2 Konsentrasjonsmålar basert på måling av skjerekraft Måleelementet er utforma som ein haifinne montert i ein rørleidning, sjå figur 7.47. Dersom massekonsentrasjonen aukar, blir finnen dregen kraftigare med straumen og overfører eit signal via hevarmen til ein måleomformar.

172

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Måleelement

Figur 7.47 Måling av konsentrasjon etter skjerekraftprinsippet

Måleinstrumentet på figur 7.47 blir også brukt for å måle viskositet. Målinga kan påverkast av fleire faktorar, mellom anna av storleik­ en og temperaturen på partiklane eller fibrane, men også av farten på straumdraget.

7.12.3 Roterande konsentrasjonsmålar Prinsippet for målaren er at det roterande måleelement blir bremsa opp av massen, sjå figur 7.48. Er det for låg konsentrasjon, blir ele­ mentet bremsa litt. Er konsentrasjonen for høg, blir oppbremsinga kraftigare.

Figur 7.48 Roterande konsentrasjonsmålar

173

Kapittel 7

Drivakselen og måleakselen er kopla elektrisk saman. Når måleelementet roterer, blir det bremsa av skjerekreftene, det vil seie av frik­ sjonen frå massen. Momentet kan vi måle elektronisk. Målaren er ikkje ømtålig for trykk og for farten til straumen innanfor det som er normalt. Målaren reagerer ikkje på turbulens, og difor kan han monterast rett etter pumper eller rørbend. Målaren kan monterast nær reguleringsventilen i ei reguleringssløyfe. Reguleringa blir da rask. Vi skal merke oss at variasjonar i storleiken på fibrane kan verke inn på målinga.

7.13 Måling av massetettleik 7.13.1 Hydrometer Hydrometeret, figur 7.49, er den enklaste målaren for tettleik i væsker og blir mellom anna brukt til å måle syrevekta i bilbatteri. Målaren er laga av eit glasrør med ein fly tar. Posisjonen til fly taren i forhold til væskeoverflata er eit mål for den spesifikke tettleiken for væska på skalaen til flytaren.

Figur 7.49 Hydrometer

7.13.2 Måling av massetettleik med coriolismålar Figur 7.50 viser svingingane i ein coriolismålar under drift.

Figur 7.50 Svingingane i ein coriolismålar under drift

174

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

Vi har sett på verkemåten til coriolismålaren tidlegare. Når målar­ en blir brukt for å måle massetettleik, er det amplitudane (storleik­ en på utslaga) som blir målte. Storleiken på amplituden er ein funk­ sjon av tettleiken til den væska eller gassen som strøymer i målar­ en, figur 7.50.

7.13.3 Samanlikning mot ei vassøyle Prosessmedium 1 og 2 kjem inn i tanken på figur 7.51 og blir blanda. Det blanda mediet renn i overløp til neste prosesseining.

Væskenivået h i tanken er da lik vassøyla h i det utvendige røret. For å sikre oss at røret alltid er fullt, må vi stadig spyle med vatn. PH = pi)t ■ h g

p;;; = tettleiken til prosessmediet

PL = p . h • g

p_, = tettleiken til vatnet

PH-PL = Pm-h-g~Pv-h-g PH-PL = h'g (P,„ ~ Pv>

Tettleiken til prosessmediet blir da PH~PI

Pm=

h7J— + Pvel,er

175

KAPITTEL 7

PH~PI p„; = —---------- + 1000 (kg/m3) h •g

der 1000 kg/m3 er pv for vatn. Døme I tettleiksmåling er nivået i tanken og vassøyla h = 3 meter. Differansetrykket over d/p-cella blir målt til 3650 Pa. g = 9,81 m/s2. Rekn ut tettleiken til prosessvæska.

Løysing: PH~PI

p,„ = —---------- + 1000 (kg/m3) li • g

p,„ =

[ 33^5gX

+ 10001 kg/m3 = (124,02 + 1000) kg/m3

pm = 1124,02 kg/m3

7.13.4 Måling av tettleik med radioaktive isotopar Ein radioaktiv tettleiksmålar baserer seg på at radioaktiv stråling blir dempa ulikt gjennom ulikt materiale. Ei radioaktiv kjelde send­ er stråling gjennom eit rør. Ein mottakar måler intensiteten til strål­ en på den andre sida av røret. Denne intensiteten er avhengig av kor mykje væske det er i røret som dempar dei radioaktive strålane. Figur 7.52 viser eit prinsipp for tettleiksmåling. Strålingskjelda strålar også mot ein mottakar 1 gjennom fri luft. Differansen mell­ om straumane og I2 er no eit mål for tettleiken til stoffet som strøymer i røret.

Figur 7.52 Måling av tettleik med radioaktiv isotop

Strålingskjelda blir svakare med tida, og vi kan få avleiringar i røret. Difor må målaren kalibrerast med jamne mellomrom.

176

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

7.14 Måling av tjukn Vi kan måle tjukn på ulike måtar, men vi skal her halde oss til eitt prinsipp. Måleinstrumentet er samansett av to måleelement som er feste på enden av kvar sin gummibelg. Måleelementa trykkjer mot kvar si side av det vi skal måle tjukna på, til dømes papir, ved hjelp av lufttrykk i belgene, figur 7.53.

Figur 7.53 Måling av tjukn

Til kvart måleelement er det fest ei styreplate som har til oppgåve å halde måleelementa på plass. Den eine delen av målelementet er laga av ein ferittkjerne, den andre delen av ein spole som er bund­ en til ein svingekrins, figur 7.54.

Figur 7.54 Måleinstrument for å måle tjukn

Måleinstrumentet er konstruert slik at frekvensen til svingekrinsen er eit mål på kor mykje masse som er mellom kjernen og spolen.

7.15 Måling av turtal 7.15.1 Takogenerator Når ein sykkeldynamo (sykkelgenerator) blir dregen rundt av sykkelhjulet, blir det generert ei spenning i generatoren. Spenninga driv ein straum gjennom lyspæra, som dermed lyser. Når vi syklar fortare, får vi sterkare lys fordi den genererte spenninga frå dyna­ moen aukar. Dersom lyspæra blir bytt ut med eit voltmeter med ein skala gradert i omdreiingar per minutt, har vi eit instrument for å måle turtal. Takogeneratorar av denne typen blir selde både med likestraumsutgang og vekselstraumsutgang.

177

Kapittel 7

Døme Takogeneratoren på figur 7.55 gir ut 0-2 volt dersom turtalet vari­ erer frå 0 til 2000 r/min.

Figur 7.55 Takogenerator og grafisk framstilling som viser utgangsspenninga som funksjon av turtalet

7.15.2 Prinsippet for ein elektrodynamisk pulsgenerator Fart kan også målast ved at vi tel pulsar per tidseining frå eit elek­ tromagnetisk måleelement som plukkar opp ei fastsett mengd puls­ ar per omdreiing.

Figur 7.56 Elektromagnetisk måleelement kopla til ein roterande maskin

Dette måleelementet er laga av ein spole som er fylt med jern, der det blir indusert ein straum kvar gong det er stor endring i avstand­ en til det magnetiske materialet.

178

MÅLING AV PH-VERDI, FUKT OG GASSKONSENTRASJON

7.15.3 Prinsippet for digital turteljar og posisjonsgivar Figur 7.57 viser ein digital tako som er fest til ein motoraksel. Når akselen dreiar, får vi eit pulstog. Pulsane kan førast til eit teljeverk eller ein datamaskin som kan vise posisjonen.

Pulsane på linje A fortel om posisjonen. Vi ser at dei er komple­ mentære. Det reduserer faren for støy. Pulsane er dessutan faseforskyvde 90°, noko som gir informasjon om rotasjonsretninga. Puls­ ane på linje B viser med frekvensen sin turtalet på motoren.

7.16 Kontrollspørsmål 1 Kan du definere omgrepet relativ fukt? 2 Kan du forklare bruken av psykrometer og mollierdiagram for måling av relativ fukt? 3 Kan du forklare verkemåten til pH-elektroden? 4 Kan du forklare korleis ein leiingsevnemålar verkar? 5 Kan du forklare verkemåten til eit analyseanlegg med utgangspunkt i eit symbolskjema? 6 Kan du forklare den prinsipielle verkemåten til oksygenanalysatoren, ein infraraud gassanalysator og ein gassanalysator basert på varmeleiingsevne? 7 Kan du forklare kva forkortingane ppm og ppb står for? 8 Kan du forklare den prinsipielle verkemåten til ein gass­ kromatograf?

179

8 Pådragsorgan og forstillingsmekanismar Mål

Etter å ha studert kapittel 8 skal du kunne • forklare verkemåten til spjeldventilar, kuleventilar, membranventilar og sluseventilar • forklare verkemåten til ein reduksjonsventil • forklare verkemåten til ein membranmotor og ein sylinderaktuator • forklare bruken av elektriske motorar som forstillingsmekanisme • forklare kva slags krefter som verkar på ventilspindelen når han er i drift • forklare den prinsipielle verkemåten til ein straum-tilluft-omformar • forklare den prinsipielle verkemåten til ein ventilstillar • forklare kva ventilkarakteristikkane fortel om gjennom­ strøyminga i reguleringsventilen • forklare korleis ein frekvensomformar kan brukast i ei reguleringssløyfe

8.1 Innleiing 8.1.1 Prinsipiell samanlikning av elektrisk krins og væskestraumskrins Figur 8.1 under viser ein elektrisk krins og ein væskestraumskrins. Til høgre på figuren ser du ein Samson seteventil.

A p (bar)

q (rrP/s)

Elektrisk krins

Væskestraumskrins

Figur 8.1 Elektrisk krins og væskestraumskrins

180

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

I den elektriske straumkrinsen lagar den elektriske spenningskjelda ein elektrisk potensialskilnad, slik at det blir utvikla ein elektrisk straum når krinsen er slutta. I væskestraumskrinsen er det pumpa som skaper trykkskilnaden (p1 > p2), slik at vi får ein væskestraum når vi har ein slutta rørkrins.

Med Re kan vi auke eller minske den elektriske strøymingsmotstanden, slik at den elektriske straumen 1 kan minkast eller aukast. Med R . i væskekrinsen kan vi auke eller minske væskestrøymingsmotstanden og dermed minske eller auke væskestraumen. Som vi ser, er dette to «like» krinsar med ulike fysiske medium - elektronstraum og væskestraum. Den elektriske straumen er gitt av

der AU = spenningsfallet over RE.

V Re har eininga —, som har nemninga Q. yl

Vi kan også skrive / = Ge • AU der GE er den elektriske leiingsevna.

Likninga for væskestraum er noko meir komplisert, men prinsipielt kan vi skrive slik når prosessmediet er vatn: VÅv q ~ —r q = væskestraumen i m3/s Ap - trykkfallet over ventilen Rv i bar R^, = væskestrøymingsmotstanden i bar/m3/s

1 Kv-verdien til ventilen, «leiingsevna», er gitt av Kv = ——

Da har vi q = Ky VAp med eininga m/s.

Likninga til ventilen for q kjem vi tilbake til seinare i dette kapitlet. Vi kan seie at reguleringsventilen for væske og gass styrer strøymingsmengda. Difor kan vi kalle reguleringsventilen eit mekanisk potensiometer som styrer væske- og gasstraumar. Reguleringsven­ tilen kan vere manuelt eller automatisk styrt.

181

Kapittel 8

8.1.2 Døme på ventilinstallasjonar Figur 8.2 viser eit bilete av ventilinstallasjonar.

Installasjon for regulering av vasstraumen til kjølar

Installasjon for regulering av gjennomstrøyming av damp til varmevekslar i destillasjonsanlegg

Installasjon for regulering av inertgass til inndampar

Figur 8.2 Døme på ventilinstallasjonar

8.2 Seteventilar 8.2.1 Enkeltseteventil Figur 8.3 viser bilete og teikning av ein gjennomskoren seteventil. Seteventilen omfattar hovuddelane • plugg og sete • pakkboks • spindel • aktuatorfjør og membran (forstillingsmekanisme)

Figur 8.3 Gjennomskoren enkeltseteventil 182

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

Retninga for gjennomstrøyminga på ein enkeltseteventil går opp gjennom setet. Dersom vi monterer ventilen feil slik at strøyminga går ned gjennom setet, kan trykkauken over ventilen gi ei kraft på pluggen som er sterkare enn stillkrafta, slik at pluggen blir tvinga til å slå mot setet (hammarslageffekt).

Dersom det blir lekkasje i pakkboksen, kan vi stramme til pakkboksen med mutrane over pakkflensen. Pakningshylsa blir da pressa ned i pakningsringane. Dei utvidar seg og pressar hardare mot spindelen og pakkbokshuset, med den følgja at vi kan få hystereseverknad i spindelrørsla.

8.2.2 Dobbeltseteventil Figur 8.4 viser ein dobbeltseteventil.

Figur 8.4 Dobbeltseteventil

I ein dobbeltseteventil passerer straumen opp gjennom det eine setet og ned gjennom det andre. Krafta over ventilen, som kjem av trykkfallet over pluggane, blir da utjamna. Vi kallar difor ventilen ein balansert ventil. Det gjer at ventilen treng mindre innstillingskraft enn ein enkeltseteventil av tilsvarande storleik. Risikoen for lekkasje gjennom ventilen i stengd posisjon er større enn gjennom ein enkeltseteventil. Årsaka til det er at det er vanskeleg å få begge pluggane til å stengje nøyaktig samtidig. Figur 8.4 viser også pakningsringar rundt spindelen, og fjører for å klemme saman pak­ ningar og skraperingar. Skraperingen skal skrape av partiklar som kan komme opp langs spindelen og skade pakninga.

183

Kapittel 8

8.2.3 Trevegsventil For å regulere varmevekslarar bruker vi ofte trevegsventilar, også kalla shuntventilar, figur 8.5.

Varmevekslar for ventilasjons-/ varmeanlegg

Figur 8.5 Trevegsventil og varmevekslar

Det strøymer ein konstant straum av vatn i turleidningen til varmevekslaren på figur 8.6. Når behovet for varme er maksimalt, blir alt varmtvatn ført gjennom varmevekslaren og ut i returleidningen. Når behovet for varme er mindre, stengjer reguleringsventilen noko for løp A og opnar tilsvarande for løp B. Noko av det nedkjølte returvatnet frå varmevekslaren blir da ført over (bypass) til turløpet. Dersom det ikkje trengst varme, blir løp A stengt, og vatn­ et blir da pumpa ut løp C, gjennom varmevekslaren, ut i retur­ leidningen og inn i løp B på reguleringsventilen. 5 bar damp

Pumpe

Varmevekslar

Turløp

Tank med varmt vatn

Returløp

Figur 8.6 Trevegsventil kopla til varmevekslar

8.3 Ventilkarakteristikkar Med ein ventilkarakteristikk meiner vi forholdet mellom inngang­ en på ventilen, som er vandringa til spindelen (m), og utgangen på ventilen, som er gjennomstrøymingsmengda (m3/s) gjennom ven­ tilen. Gjennomstrøyminga er ofte uttrykt i prosent av maksimal opning. Det er opninga mellom setet og pluggen på figur 8.7 som er porten, det vil seie den minste gjennomstrøymingsopninga i ven­ tilen. Setet er gjenga fast i ventilhuset, og pluggen blir lyft opp og ned i forhold til setet med hjelp av ventilspindelen og forstillingsmekanismen. Det er endringa i gjennomstrøyminga når pluggen blir lyft frå eller mot setet som avgjer ventilkarakteristikken.

184

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

Plugg Sete

Ventilhus

Figur 8.7 Plugg og sete i ein ventil Figur 8.8 viser ei grafisk framstilling av tre typar ventilkarakterist­ ikkar.

Ein vanleg storleik på ventillyftet (spindelvandringa) frå stengd til heilt open ventil er 19 mm. I praktisk bruk i ein prosess endrar trykkfallet over ventilen seg også når vi endrar opninga til ventilen. Den samanhengen vi da får mellom ventilopninga og den mengda som strøymer gjennom ventilen, kallar vi installert karakteristikk. For å vurdere kor effektiv ein ventil er i bruk i ei reguleringssløyfe, er vi mest interesserte i kombinasjonen av karakteristikken til ven­ tilen og karakteristikken til prosessen, den installerte karakterist­ ikken.

Ventilar med hurtigopnande karakteristikk blir også brukte til av/på-applikasjonar. Ventilar med lineær karakteristikk bruker vi ofte når prosessen er lineær. Til nivåregulering vel vi ofte ventilar med lineær karakter­ istikk.

185

Kapittel 8

Ventilar med likeprosentleg karakteristikk bruker vi ofte der vi har store trykkvariasjonar over ventilen, til dømes i trykkreguleringskrinsar og strøymingskrinsar.

Det er utforminga av pluggen som avgjer ventilkarakteristikken.

8.3.1 Hurtigopnande karakteristikk Med den hurtigopnande karakteristikken slepper praktisk talt heile væskestraumen gjennom ved 20 % opning av ventilen. Ved dei neste 20-100 % av lyfterørsla til ventilen endrar gjennomstrøyminga seg lite. Figuren til venstre viser utforminga av ein plugg til ein ven­ til med hurtigopnande karakteristikk. I heilt open stilling gir den hurtigopnande ventilen liten strøymingsmotstand. Da blir gjenn­ omstrøyminga maksimal. På grunn av utforminga av ventilkarak­ teristikken blir den hurtigopnande ventilen sjeldan brukt som reguleringsventil, men mest der vi berre treng open og stengd funk­ sjon.

8.3.2 Likeprosentleg karakteristikk Den likeprosentlege ventilen gir for den same endringa i rørsleområdet til pluggen ei endring av gjennomstrøyminga som er propor­ sjonal med gjennomstrøyminga før endringa. Når gjennomstrøym­ inga er lita, gir ventilendringa lita endring i gjennomstrøyminga. Når gjennomstrøyminga er stor, blir endringa av gjennomstrøym­ inga også stor.

Figur 8.9 viser ei teikning av ein ventil med likeprosentleg karak­ teristikk. På høgre sida på figuren ser du tre ulike ventilpluggar, som alle gir likeprosentleg karakteristikk.

Pakningsflens Pakningshylse

Pakningsringar

Spindel Hylse

Ventilplugg Utskiftbart sete

Ventilhus

Figur 8.9 Ventil med likeprosentleg karakteristikk

186

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

8.3.3 Lineær karakteristikk Figur 8.10 viser ein ventil med lineær karakteristikk. Til høgre på figuren ser du ein ventilplugg for lineær karakteristikk.

Figur 8.10 Ventil og plugg med lineær karakteristikk

Utforminga av pluggen og setet gir eit lineært forhold mellom lyftehøgda til pluggen og straumen gjennom reguleringsventilen. Det vil seie at 40 % lyft av pluggen gir 40 % gjennomstrøyming, og 80 % lyft gir 80 % gjennomstrøyming. Gjennomstrøyminga aukar altså i same forhold som lyftehøgda.

8.3.4 Bruk av ventilkarakteristikkar Hurtigopnande, lineære og likeprosentlege ventilar er dei mest brukte ventilkarakteristikkane. Oversiktene under viser typiske bruksområde for dei tre ventilkarakteristikkane.

8.3.5 Nivåregulering Prosesstype

Ventilkarakteristikk

Konstant trykkfall

Lineær

Synkande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er større enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Lineær

Synkande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er mindre enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Likeprosentleg

Aukande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er mindre enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Lineær

Aukande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er større enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Hurtigopnande

187

Kapittel 8

8.3.6 Trykkregulering Prosesstype

Ventilkarakteristikk

Væskeprosessar

Likeprosentleg

Gassprosessar, små volum

Likeprosentleg

Gassprosessar, store volum. Synkande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er større enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Lineær

Gassprosessar, store volum. Synkande trykkfall ved stigande belastning. Trykkfallet ved maksimum belastning er mindre enn 20 % av trykkfallet ved minimum belastning.

Likeprosentleg

8.3.7 Gjennomstrøymingsregulering Signalutgang frå regulatoren

Plassering av reguleringsventilen i forhold til måleelementet

Proporsjonal med gjennomstrøyminga Proporsjonal med kvadratet av gjennomstrøyminga

Ventilkarakteristikk

Store variasjonar i gj ennomstroyminga

Små variasjonar i gj ennomstroyminga, men store trykkfallsendringar over regulerings­ ventilen ved aukande belastning

I serie

Lineær

Likeprosentleg

I forbikopling (bypass)

Lineær

Likeprosentleg

I serie

Lineær

Likeprosentleg

I forbikopling (bypass)

Likeprosentleg

Likeprosentleg

8.3.8 Burventilar Figurane 8.11og 8.12 viser ein seteventil av burtypen, kalla burventil eller cageventil. Figur 8.11 viser at det er bora hol i pluggen. Det gjer at prosesstrykket også kjem på oversida av pluggen. Prosesskreftene blir difor balanserte ut. Ventilen har god tetting ettersom det er ein enkeltseteventil.

Figur 8.11 Delt burventil

188

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

Utforminga av pluggen avgjer ventilkarakteristikken. I burventilane er det opningar i buret som avgjer karakteristikken til regul­ eringsventilen, sjå figur 8.13. Forma på gjennomstrøymingsopninga i buret avgjer ventilkarakteristikken.

Hurtigopnande

Lineær

Likeprosentleg

Figur 8.13 Gjennomstrøymingsopningar i bura

Figur 8.12 Hovuddelane i ein burventil

8.4 Ventilar med dreierørsle 8.4.1 Spjeldventil For å regulere store gassmengder med store rørdimensjonar bruker vi spjeldventilar. Det er ikkje uvanleg med dimensjonar frå 50 mm opp til 3000 mm i diameter. Spjeldventilen blir brukt i temperaturområdet frå -250 °C til 1180 °C. Sjå figur 8.14 og 8.15.

Figur 8.14 Spjeldventil Skiva (spjeldet) og ventilhuset har ofte eit lag av teflon for å sikre god tetting når ventilen er stengd.

Figur 8.15 Spjeldventil påmontert forstillingsmekanisme

189

Kapittel 8

8.4.2 Kuleventil Kuleventilen, figur 8.16, har ei kule mellom to symmetriske halv­ delar av ventilhuset. Ein tetningsring på kvar side gjer at ventilen er tett i begge retningar. Han har stor kapasitet i forhold til stor­ leiken fordi diameteren i ventilopninga er lik rørdiameteren.

190

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

8.4.3 Kulesegmentventil Denne ventilen blir brukt i kontinuerleg og diskontinuerleg regul­ ering. Ventilhuset har ofte eit belegg med teflon innvendig for å gi god tetting og jamn rørsle. På same måten som kuleventilen eignar kuleskalventilen seg svært godt for å regulere tjuktflytande væsker, til dømes cellulose. Figur 8.17 viser kuleskalventilen med påmontert forstillingsmekanisme.

Figur 8.17 Kulesegmentventil påmontert aktuator

8.4.4 Membranventilar Membranventilar er svært enkle ventilar. Dei har tre hovuddelar: ventilhus, overdel og membran, figur 8.18.

Figur 8.18 Membranventilar og ventilkarakteristikkane deira: a) membranventil med rett gjennomløp, b) membranventil med terskel 191

Kapittel 8

Ventilen blir levert i mange ulike storleikar og utgåver, alt etter bruksområdet. Det er to hovudtypar membranventilar. Den eine har terskel i gjennomløpet, og den andre har eit rett gjennomløp. Ventilen med terskel passar spesielt godt til gass fordi han tettar heilt og har svært lite trykktap når han er open. Ventilen kan brukast til dei fleste gassane og til lettflytande væsker. Ventilar med rett gjennomløp passar spesielt godt til tregtflytande og svært slamhaldige eller slitande medium som grovt avfall, sand, sement eller vatn blanda med grove slitande partiklar. Membranventilane blir ofte brukte som av/på-ventilar, men dei finst også som reguleringsventilar.

8.4.5 Sluseventilen Sluseventilen er den enklaste og billigaste ventilen. Som figur 8.19 viser, inneheld han ei plate som kan skyvast ned i røret for å sten­ gje opninga. Av opningskarakteristikken ser vi at alt ved 15 % opning går halvparten av mengda gjennom. Difor passar denne ventilen dårleg som reguleringsventil i kontinuerlege reguleringssløyfer. Til av/på-regulering er han ei billig og grei løysing.

Figur 8.19 Sluseventil og typisk ventilkarakteristikk

8.5 Kapasitetsindeksen til ventilar Kapasiteten til ein ventil blir oppgitt med ein Kv-verdi. Kv-verdien viser vasstraumen i m3/h som passerer ein fullt open ventil ved eit trykkfall over ventilen på 1 kp/cm2, når mediet er vatn og tempera­ turen på vatnet er 20 °C.

Ap

Figur 8.20 Skisse for opptak av Kv-verdien til reguleringsventilen 192

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

Målingar av kapasitetsverdien er ikkje standardiserte. I England og USA bruker fabrikantane Cv-verdien. Vi finn Cv-verdien på same måten som K^-verdien, men einingane er ulike. Cv-verdien viser det vassvolumet i gallons/min som ved 16 °C strøymer gjennom ein fullt open ventil ved eit trykkfall på 1 psi. Samanhengen mell­ om Kv og Cv er gitt av

= 0,86 • Cv Likninga for Kv er

vAp der q = væskestraumen i m3/h Ap = trykkdifferansen over ventilen i kp/cm2 p = tettleiken i kg/m3 Er prosessmediet vatn, er massetettleiken, p, lik 1. Da blir likninga forenkla til

q vAp Når vi har reknar ut Kv-verdien for reguleringsventilen, saman­ liknar vi han med ein tabell der fabrikanten gir opp ^-verdien for ulike reguleringsventilar. God styring av væskestraumen krev eit visst trykkfall over ventilen i forhold til dei andre trykkfalla i rørnettet. Vanlegvis prøver vi å få minst 50 % av det tilgjengelege trykkfallet over reguleringsventilen, men eit trykkfall ned til 30 % kan aksepterast.

8.6 Forstillingsmekanismar 8.6.1 Membranmotor Styretrykk p = 0,2-1 bar

Kraft frå membran:

Fm = Areal

(A) • p

Membran

Fjør Kraft frå fjør:

Ff = fjørkonstant (k)

• I Spindel

Figur 8.21 Pneumatisk forstillingsmekanisme (membranmotor) 193

Kapittel 8

Verkemåten til forstillingsmekanismen: Når styretrykket p aukar, aukar krafta frå membranen:

FM = P ’ A Fm verkar nedover.

Spindelen flytter seg nedover. Da aukar krafta frå fjøra: Ff = k • l

Ff verkar oppover.

/ viser kor mykje fjøra er trykt saman i meter. k viser fjørkonstanten. Rørsla til spindelen stoppar når den krafta som verkar nedover og den krafta som verkar oppover, er like store (FM = Ff). Spindelen har da stilt ventilpluggen i ny posisjon. Figur 8.22 viser membranmotoren tilkopla ein straum-til-luftomformar. Straum-tilluft-omf ormar 0,2-1 bar

—A---

Figur 8.22 Membranmotor tilkopla ein straum-til-luft-omformar

På figur 8.23 ser vi forstillingsmekanismen montert på ein trevegs reguleringsventil. Når styretrykket aukar, vandrar ventilspindelen og dermed pluggen nedover. Det gjer at ventilen stengjer meir for løpet A og opnar tilsvarande for løp B (mengda A + B er konstant). Når styretrykket er størst, vanlegvis 1 bar, er innløpet A heilt stengt og innløpet B heilt ope. Når styretrykket er minimum, vanlegvis 0,2 bar, er innløpet A heilt ope og innløpet B heilt stengt.

194

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

qA (m3/s)

Figur 8.23 Trevegs reguleringsventil påmontert pneumatisk forstillings­ mekanisme

Figur 8.24 viser ein pneumatisk styrt enkeltseteventil, gjennom­ skoren. Utan styretrykk er denne ventilen open, vi seier at han opnar ved luftsvikt (engelsk: fail open).

Inntak for styreluft

Membran

Tilbakeføringsfjør

Fjørstrammar Stillingsindikator Pakningsflens Pakningshylster

Pakningsringar Spindel Hylse

Ventilplugg — Utskiftbart sete

Inn Ventilhus

Figur 8.24 Pneumatisk forstillingsmekanisme montert på ein enkeltseteventil

195

Kapittel 8

8.6.2 Bruk av ratt på aktuator Membranmotorar kan vere utstyrte med handratt. Det blir først og fremst brukt til å starte eit anlegg med eller i nødsituasjonar. Toppmonterte handratt kan også brukast til å avgrense slaglengda til membranmotoren. Eit sidemontert handratt kan brukast til store ventilar og til ventilar som ofte blir styrte manuelt. Når handrattet er i ein mellomposi­ sjon, kan ventilspindelen gå fritt opp og ned.

Figur 8.25 Reguleringsventil med toppmontert ratt

Figur 8.26 Reguleringsventil med sidemontert ratt

8.6.3 Sylinderaktuator Sylinderaktuatoren (forstillingsmekanismen) har mykje større skyvekraft enn membranmotoren. Prinsippet er at vi får fram- og tilbakegåande rørsle ved å styre luft inn på oversida og undersida av stempelet. Lufta har ofte høgt trykk (7-10 bar) og fyller sylinder­ volumet raskt.

Stempelposisjonar

Figur 8.27 Sylinderaktuator 196

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

8.7 Straum-til-luft-omformar Ein reguleringsventil med membranmotor skal vanlegvis ha 0,2-1 bar styringssignal. I prosessindustrien er signalstandarden 4-20 mA frå regulatoren. Utgangssignalet på regulatoren, 4-20 mA, må difor formast om til eit luftsignal, 0,2-1 bar, figur 8.28.

Figur 8.28 Reguleringsventil tilkopla straum-til-luft-omformar

Ein straum-til-luft-omformar må ha ei luftforsyning på 1,4 bar. Denne lufttilførselen svarer til ei spenningsforsyning i ein elektron­ isk forsterkar. Figur 8.29 viser ei prinsippskisse av ein straum-tilluft-omformar. På fagspråket blir han kalla I/P-omformar.

1,4 bar

Figur 8.29 Blokkskjema, generell prinsippskisse for ein straum-til-luft-omformar

197

Kapittel 8

8.8 Ventilstillar Figur 8.30 viser reguleringsventil montert i anlegg påmontert ven­ tilstillar (lokal posisjonsregulator).

Membranmotor

Ventilstillar

Figur 8.30 Reguleringsventil med ventilstillar montert i eit anlegg Ei nøyaktig regulering krev at forstillingsmekanismen er svært følsam. Det er ofte vanskeleg å få til. Årsaka er at reguleringsven­ tilen blir utsett for varierande og ofte aukande krefter frå prosess­ en. Det kan bli ubalanse fordi skilnaden i trykkdifferansen over ventilen er svært stor mellom open og stengd stilling. Friksjonen i pakkboksen gir motkrefter med rørslene til spindelen, figur 8.31.

Figur 8.31 Skjematisk oppstilling av kreftene som verkar på ein reguler­ ingsventil under drift

Ei viss kraft må til for å vinne over friksjonen. Det skaper hysterese. Det legg vi merke til når prosesstrykket er høgt, fordi pakkboksen da må strammast hardare til for å tette. For å fjerne påverknaden frå desse faktorane monterer vi ofte ein posisjonsregulator, også kalla ventilstillar, på reguleringsventilen. Han har til oppgåve å stille

198

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

reguleringsventilen i ei stilling som er proporsjonal med utgangssignalet frå regulatoren. Ventilstillaren er eigenleg ein lokalregulator montert på reguleringsventilen.

Ein ventilstillar bruker vi når vi • ønskjer å få god følsemd utan hysterese • ønskjer raskare innstilling av reguleringsventilen Figur 8.32 viser ei generell prinsippskisse for verkemåten til ein ventilstillar.

Figur 8.32 Generelt prinsippskjema for ein ventilstillar; ventilstillaren er i ein lokal posisjonsregulator

8.9 Elektriske forstillingsmekanismar Figur 8.33 viser reguleringsventilar med elektriske motorar som for­ stillingsmekanismar. Det blir brukt både 15V/24V- og 230V/240Vmotorar. I ventilasjons- og klimaanlegg bruker vi motorar for 15 V eller 24 V. I prosessindustrien bruker vi ofte 230V /400V. Elektriske forstillings­ mekanismar (motorar)

Ventilar

Figur 8.33 Regulerings­ ventilar med elektriske forstil­ lingsmekanismar 199

Kapittel 8

8.9.1 Styring av elektriske forstillingsmekanismar Figur 8.34 viser ein elektronisk ventilstillar for ventilar med elek­ trisk motor. Null Område

Figur 8.34 Elektrisk ventilstillar; ventilstillaren er ei reguleringssløyfe for posisjonsregulering av spindelen til reguleringsventilen

8.9.2 Verkemåte 0-10 V (UR) kjem frå utgangen til regulatoren. Denne spenninga er ønskt verdi for ventilstillaren. Vi går no ut frå at spenninga på utgangen på regulatoren aukar. Da blir avviket målt i forhold til signalet frå regulatoren, større enn null. Avviket blir forsterka i for­ sterkaren, og motoren får tilført 24 V for anten å opne eller stengje ventilen. Motoren roterer med maksimalt moment ettersom han får tilført 24 V direkte. Tilbakekoplingspotensiometeret er kopla til girboksen.

Når den tilbakekopla spenninga UT er lik spenninga UR, er avviket null. Regulatoren slår da av 24 V spenninga til motoren, og motor­ en stoppar. Vi har no fått rett posisjonering av ventilpluggen og maksimalt moment heilt til vi når den rette posisjonen.

200

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

8.10 Reduksjonsventil Reduksjonsventilen er ein seteventil, sjå figur 8.35.

Figur 8.35 Reduksjonsventil

Pluggen, som tettar setet, blir styrt av ein membran og ei fjør i motkopling. Membranen blir påverka på undersida av lufttrykket, p2, ut av reduksjonsventilen. På oversida blir membranen påverka av fjørkrafta. Fjørkrafta regulerer vi steglaust ved å skru på eit ratt. Dersom fjørkrafta er sterkare enn trykkrafta, er det opning mellom pluggen og setet. Etter kvart stig utløpstrykket, og membrankrafta aukar. Når fjørkrafta og membrankrafta balanserer, held p2 seg konstant. Reduksjonsventilen er sjølvregulerande. Det vil seie at utgangstrykket, p?, blir haldt konstant, jamvel om forbruket varier­ er, sjå figur 8.36.

Figur 8.36 Blokkskjema for reduksjonsventilen

Når forbruket aukar, går utløpstrykket ned, og fjørkrafta opnar ventilen. Dermed aukar gjennomstrøyminga, utløpstrykket stig, og balansen mellom trykkrafta og fjørkrafta på membranen kjem til­ bake. Kva slag trykk vi har regulert til, kan vi lese av på eit mano­ meter som ofte er montert på sjølve regulatoren eller like etter utløpet.

201

KAPITTEL 8

8.11 Frekvensomformarar 8.11.1 Regulering av turtalet til trefasemotorar med frekvensomformarar Når vi bruker reguleringsventilar som på figur 8.37 til å regulere strøymingsmengda av væske og gass, går pumpa med maksimalt turtal for å kunne utnytte kapasiteten på anlegget maksimalt. Deretter styrer vi straumen ved å bremse han med ein ventil. Denne reguleringa er enkel og billig.

I dei seinare åra har vi vorte meir klar over ulempene med denne typen regulering. Mellom anna blir driftskostnadene store fordi det først blir tilført effekt, som blir fjerna ved struping. Dersom vi i staden tilpassar turtalet til den straumen vi ønskjer, får vi ei regul­ ering som blir nesten tapsfri, sjå figur 8.38.

Figur 8.38 Regulering av strøymingsmengd ved å regulere turtalet på pumpa 202

PÅDRAGSORGAN OG FORSTILLINGSMEKANISMAR

Når turtalet på pumpa blir styrt etter den væskestraumen vi ønskjer, blir den tilførte effekten tilpassa det aktuelle behovet vi har for væskestraum. Reguleringsventilen kan fjernast, slik at tapet i rørsystemet blir mindre. Dermed kan vi setje inn ei mindre pumpe, som igjen er med på å spare energi.

I dag bruker vi frekvensomformarar for å regulere turtalet på tre­ fase vekselstraumsmotorar for mellom anna pumper, vifter, trans­ portband og spindelen i CNC-maskinar.

8.1 1.2 Den prinsipielle verkemåten til frekvensomformaren

Skal-verdi

Figur 8.39 Frekvensomformar Forsyningsnettet er kopla til ein likerettar som formar vekselspenninga om til likespenning. Likespenninga blir tilført eit filter for å bli glatt. Filteret kallar vi mellomkrinsen. Likespenninga blir tilført ein vekselrettar, som formar likespenninga om til ei ny vekselspenning med variabel frekvens. Likespenning

Regulert frekvens og spenning

Nett

tr æ

T

Figur 8.40 Hovudprinsippa i frekvensomformaren Styre- og reguleringskrinsløpet styrer over dei andre kompon­ entane (effektkomponentane), slik at spenninga og den variable frekvensen passar saman. Forholdet mellom spenning og frekvens må haldast konstant for at motoren skal gi eit konstant dreiemo­ ment uavhengig av turtalet, det vil seie at spenninga og frekvensen blir endra i same forholdet.

203

Kapittel 8

8.12 Kontrollspørsmål 1 2 3 4

5 6 7 8

9 10

11 12 13 14

204

Kan du forklare verkemåten til ein kuleventil, ein spjeldventil, ein kulesegmentventil, ein membranventil og ein seteventil? Kan du forklare verkemåten til ein reduksjonsventil? Kan du forklare verkemåten til ein membranmotor og ein sylinderaktuator? Kan du forklare bruken av elektriske motorar som forstillings­ mekanismar? Kan du forklare kva slags krefter som verkar på ein ventilspindel når han er i drift? Kan du forklare kva for kriterium vi legg til grunn når vi skal rekne ut storleiken til membranmotoren? Kan du forklare verkemåten til ein straum-til-luft-omformar? Kan du forklare kva dei tre vanlegaste ventilkarakteristikkane fortel om reguleringsventilen? Kan du forklare den prinsipielle verkemåten til ein frekvensomformar? Kan du forklare bruken av og den prinsipielle verkemåten til eit eksplosimeter? Kan du forklare korleis vi måler innehaldet av tungmetall, oksygen og slam i vatn? Kan du forklare korleis vi måler tettleiken i vatn? Kan du forklare eit prinsipp for å måle tjukn? Kan du forklare eit prinsipp for å måle turtal?

9 Reguleringsprinsipp Mål

Etter å ha studert kapittel 9 skal du kunne • forklare verkemåten til ei av/på-regulering • forklare omgrepet kontinuerleg regulering • forklare den prinsipielle verkemåten til ein kontinuerleg regulator • forklare korleis ei endring av er-verdi påverkar utgangen til ein P-, ein PI- og ein PID-regulator • teikne og forklare verkemåten til ei kaskaderegulering, ei forholdsregulering og ei framoverkopling • teikne og forklare verkemåten til regulering av nivå, trykk, gjennomstrøyming og temperatur • forklare verkemåten til regulering med delt område (split range) • forklare omgrepet linearisering • forklare omgrepet reguleringssløyfer som kan veljast (selektive reguleringssløyfer)

9.1 Innleiing Når vi lagar eit reguleringssystem, er det viktig å byggje det slik at vi kan garantere at pådraget ikkje veks ukontrollert eller begynner å pendle med aukande amplitude. Dersom det skjer, kan det gi driftsforstyrringar, driftsavbrot og ulukker. Eit reguleringssystem der prosessvariabelen driv den eine eller den andre vegen frå ønskt verdi (skal-verdi), eller der prosessvariabelen (er-verdien) svingar og ikkje fell til ro, kallar vi eit ustabilt reguleringssystem, figur 9.1.

Figur 9.1 Ei ustabil regulering

205

Kapittel 9

Vi ønskjer at reguleringssystema skal vere stabile, der måleverdien er i ro og lik ønskt verdi (skal-verdi). Figur 9.2 viser korleis sprang/ svar-kurva kan sjå ut for eit tregt reguleringssystem og for eit regu­ leringssystem som er stabilt og raskt.

Figur 9.2 a) Eit tregt system med statisk reguleringsavvik. b) System med god stabilitet, fart og ikkje reguleringsavvik Figur 9.3 viser eit reguleringssystem med dårleg stabilitet. Dårleg stabilitet kan komme av at regulatoren er feil justert, slik at han gir for kraftige inngrep i pådraget. Det kjem vi nærmare tilbake til. Sys­ tem som er ustabile eller på grensa til å vere ustabile, kan vanlegvis ikkje brukast i praksis.

Figur 9.3 System med dårleg stabilitet; er-verdien stabiliserer seg først etter lang tid

Det einaste tilfellet der sjølvsving blir akseptert, er når svingingane har konstant og avgrensa amplitude og ikkje er til skade for pro­ sessen. Det er tilfellet med av/på-reguleringssystem, til dømes termostatregulering av elektriske varmeomnar, steikjeomnar, kjøle­ skap og liknande.

206

Reguleringsprinsipp

9.2 Av/på-regulering 9.2.1 Regulering av omnstemperaturen Vi skal som døme studere av/på-regulering av temperaturen i ein omn med elektrisk pådragsorgan, figur 9.4.

Figur 9.4 Av/på-regulering av ein omn med mekanisk termostat

Kolben, kapillarrøret og belgen er væskefylte. Vi kan tenkje oss at temperaturen i omnen stig. Temperaturen til væska i kolben stig, væskevolumet aukar. Da aukar trykket i kolben, kapillarrøret og belgen. Differensialskruen blir pressa oppover mot fjøra med krafta FB = p • Æ

Fb blir motvekta av den nedoverretta fjørkrafta Ff = k • 1, der k er fjørkonstanten.

Ved ein viss temperatur påverkar den nedre kanten av differensialopninga AT relétunga. Da koplar reléet og bryt effekten til varmeelementet. No går temperaturen i omnen og kolben ned, og trykket i kapillarrøret og belgen går ned. Fjøra pressar differensialskruen og belgen nedover. Ved ein viss temperatur påverkar den øvre kanten av differensialopninga relétunga. Da koplar reléet inn på nytt og legg inn effekten til varmeelementet. Vi ser at differensi­ alopninga AT gir oss skilnaden på den temperaturen reléet koplar ut ved, og den temperaturen reléet koplar inn ved. AT blir kalla dif­ ferensialen, hysterese og dødsona til termostaten. Figur 9.5 viser blokkskjemaet for reguleringssløyfa.

Figur 9.5 Blokkskjema til av/på-reguleringa

207

Kapittel 9

9.2.2 Svingingar i omnstemperaturen Sidan varmeelementet blir varmt før omnstemperaturen begynner å stige, går temperaturstigninga seinare i byrjinga fordi prosessen har fleire tidskonstantar, sjå figur 9.6.

Figur 9.6 Typiske svingingar i omnstemperaturen

Seinare stig temperaturen langs ei kurve for ein tidskonstant. I hovudsak er no kurva avhengig av den store tidskonstanten til omnen. Når temperaturen etter ei viss tid har nådd ønskt verdi, skulle termostaten bryte effekttilførselen, men det skjer ikkje. Det kjem av at måleelementet (kolben) og lomma også har ein tidskon­ stant. Væska i kolben kjenner der ein lågare temperatur enn den temperaturen omgivnadene har, omnstemperaturen. Temperaturen held fram med å stige, også etter at termostaten har brote effekttil­ førselen. Årsaka er at den ettervarmen som elementet gir frå seg, har høgare temperatur enn lufta i omnen. Temperaturen i omnen begynner å gå ned. Termostaten koplar inn effekten, men no viser det seg at temperaturen framleis går ned. Årsaka er at varmeele­ mentet må bli varma opp til ein viss temperatur som er høgare enn omnstemperaturen, før det kan gi frå seg varme.

Elektronisk digitaltermostat med teiknrute

Figur 9.7 Tre typar termostatar

208

Elektronisk termostat

REGULERINGSPR1NSIPP

9.3 Kontinuerleg regulering

Figur 9.8 Reguleringssløyfa i simulatoren som skal brukast i denne teoretiske gjennomgangen Reguleringssløyfa omfattar • nivåtanken der væskenivået skal regulerast • måleomformar • regulator • straum-til-luft-omformar • reguleringsventil

Vi skal sjå på dei mest vanlege prinsippa for kontinuerleg reguler­ ing. I denne gjennomgangen skal vi bruke klassiske regulatorlikningar, og ikkje moderne diskrete likningar som blir brukte i digitale regulatorar. Dei likningane som blir brukte, er eit hjelpemiddel for å vise korleis regulatorane verkar, på ein måte som er bra nok til praktisk bruk i dei fleste samanhengane i faget.

9.3.1 P-regulator - proporsjonal regulering Den proporsjonale regulatoren er i prinsippet konstruert for å arbeide etter likninga

y = F • e + offsett der F = forsterkinga til regulatoren e = differansen mellom skal-verdien og er-verdien offset = skjeringspunktet med aksen på utgangsaksen

209

Kapittel 9

Figur 9.9 viser likninga for yp grafisk framstilt.

Figur 9.9 Grafisk framstilling av likninga for y

T regulatorar kan forsterkinga F justerast. Typisk justeringsområde er 0,1-100 gonger.

I ein direkte regulator har vi

e = er - skal I ein reversert regulator har vi

e = skal - er der er = måleverdien, det vil seie den målte prosessvariabelen skal = skal-verdien, det vil seie ønskt nivå i tanken

Offset har vanlegvis verdien 50 %. I ein elektronisk regulator for 4-20 mA gir det 12 mA. Da har vi i/ = F ■ e + 50 % Je

eller V, = F ■ e + 12 mA Likninga kan skrivast som

i/„ -12 mA

Vi ser at avviket e kan reduserast om vi aukar regulatorforsterkinga F. Dersom F blir svært stor, resulterer jamvel svært små avvik, det vil seie små endringar i nivået, i store utslag i regulatorutgangen og gir dermed store endringar i ventilopninga. Det gjer at ventilen overkompenserer, som igjen kan gi ustabilitet i reguleringssløyfa. Dersom forsterkinga F blir lita, blir reguleringssløyfa treg, og regul-

210

Reguleringsprinsipp

eringsavviket aukar. Val av regulatorforsterking blir difor eit kom­ promiss mellom ustabil reguleringssløyfe på den eine sida og stor­ leiken til reguleringsavviket på den andre. Figur 9.10 viser typiske endringar i reguleringsavviket med ulike verdiar av F.

Pådrag

Skalverdi

Er-verdi

Figur 9.10 Typiske endringar i prosessverdien med ulike regulatorforsterkingar Av likninga for P-regulatoren ser vi at dersom regulatoren skal kunne auke pådraget yp, må avviket aukast. Det er vist på figur 9.11.

Figur 9.11 Når belastninga aukar, aukar også reguleringsavviket

211

Kapittel 9

Figur 9.12 viser ei ustabil regulering med proporsjonal regulator. Figuren viser at svingingane ikkje er symmetriske om skal-verdien.

Figur 9.12 Ustabil regulering med proporsjonal regulator

9.3.2 Integralforsterkar (l-forsterkar) I-forsterkaren blir også kalla integrator.

F •e

l-forsterkar

--v

• At

Figur 9.13 Funksjonsblokka til ein I-forsterkar

Integralforsterkaren tek mot det forsterka avvikssignalet F • e frå den proporsjonale forsterkaren.

Den generelle likninga for I-forsterkaren er F t2 y^^fedt 1tid tl

Dersom avviket e er ein sprangfunksjon, er utgangen yj på I-for­ sterkaren lik F • e y, = -i— ltid

212

Reguleringsprinsipp

På figur 9.14 ser vi ei grafisk framstilling av yi.

Figur 9.14 Grafisk framstilling av yi Vi ser at stigninga på kurvene er avhengig av I-tida og avviket e. Legg merke til at utgangen på integratoren og dermed pådraget ikkje skifter retning før avviket skifter forteikn. Det gjer at ein rein I-regulator aldri kan stabilisere ei reguleringssløyfe. Pådraget er all­ tid for seint, ettersom avviket først må skifte forteikn før pådraget kan skifte retning. Figur 9.15 viser nivåreguleringa med I-regulator. Måleverdien, er-verdien, svingar no om skal-verdien. Det kjem av at pådraget ikkje skifter retning før avviket har skift forteikn.

Figur 9.15 Ustabil sløyfe med I-regulator

På figur 9.15 er SV lik skal-verdi, PV lik er-verdi og MV lik pådrag.

213

Kapittel 9

9.3.3 Pl-regulator Figur 9.16 viser blokkskjemaet for ein generell Pl-regulator.

Skal

Figur 9.16 Blokkskjema for ein generell Pl-regulator

I praktiske regulatorar blir P- og I-forsterkarar kombinerte. Vi får ein Pl-regulator. Sett inn i eit reguleringssystem får vi ei PI-regulering.

Likninga for Pl-regulatoren er F c ypi = F • e + —------ Af + startverdi ltid

der F = den proporsjonale forsterkinga av regulatoren e = reguleringsavviket Itid = integrasjonstida

Likninga gjeld berre når avviket endrar seg i eit sprang og avviket blir halde konstant. Figur 9.17 viser korleis utgangen på PIregulatoren endrar seg når avviket endrar seg med eit sprang og blir halden konstant.

Figur 9.17 Korleis utgangen på Pl-regulatoren endrar seg når avviket endrar seg med eit sprang

214

REGULERINGSPRINSIPP

P-forsterkaren gir først respons med F • e. Verknaden frå 1-forsterkaren går over tid og veks med tida.

Den generelle likninga for PI-regulatoren er F t2 yPI = F ■ e + -— fedt + startverdi ltid

fl

Vi merkar oss: • Likninga for PI-regulatoren viser at I-påverknaden, som summerer seg til ypI, aukar i talverdi heilt til reguleringsavviket er lik null. • Det vil seie at PI-regulatoren fjernar reguleringsavviket over tid. Figur 9.18 viser døme på nivåanlegget, regulert med Pl-regulator. Vi ser at når er-verdien er lik skal-verdien, er det I-påverknaden som held er-verdien på skal-verdien.

Figur 9.18 I-påverknaden held er-verdien på skal-verdien

På figur 9.18 er SV lik skal-verdi, PV lik er-verdi og MV lik pådrag.

215

Kapittel 9

9.3.4 l-tid (resettid) Kor raskt I-påverknaden skal vekse, er avhengig av den innstilte Itida (tilbakestillingstida) på regulatoren. I-tida er definert som den tida det tek å gi regulatorutgangen ein påverknad som er like stor som den proporsjonale påverknaden F • e. På figur 9.19 er dette vist grafisk.

Figur 9.19 Omgrepet I-tid vist grafisk

1-tida blir målt i min/repetisjon. Ofte blir den inverse verdien repetisjon/min (rep/min) eller repetisjon/sek (rep/s) oppgitt.

Den innstilte I-tida må tilpassast dødtida for den opne sløyfa. Ein praktisk regel: • I-tida lik tre til fire gonger så stor som dødtida i den opne sløyfa.

Sjå Ziegler og Nichols andre regel under emnet regulatorjustering.

9.3.5 Derivatorforsterkar (D-forsterkar) Ein tredje forsterkar som finst i regulatorar, er den derivative for­ sterkaren. Likninga til den derivative forsterkaren er Vd “

Aer

Dtid

I ein moderne regulator kan vi velje om D-forsterkaren skal «føle på» endringar i er-verdien, avvik eller skal-verdien. I desse likningane har vi late regulatoren føle på endringar i er-verdien. Figur 9.20 viser ei funksjonsblokk av forsterkaren.

Er/avvik e/skal-verdi

Figur 9.20 Funksjonsblokka til ein D-forsterkar

216

REGULERINGSPRINSIPP

9.3.6 PID-regulator Den generelle likninga for PID-regulatoren er

p 12 de yp[D = p ■ e +---- fedt + Dtid — +startverdi Itid ti

Av likninga ser vi også at når er-verdien er konstant, er utgangssignalet yD = 0. Vi ser også at dersom Itjd

oo og Dtid

0, får vi

yP - F • e Regulatoren er no ein proporsjonal regulator, men har ikkje yp = 50 % når e = 0. Dette er vist på figur 9.21. I forsøket til denne utskrifta er både D-verknad og I-verknad slått av. Vi ser at avviket no er lik null for skal-verdi lik null og størst for skal-verdi lik 100 %.

Figur 9.21 Avviket varierer med skal-verdien når D- og I-verknaden er slått av På figur 9.21 er SV lik skal-verdi, PV lik er-verdi og MV lik pådrag.

Likninga for PID-regulatoren når er-verdien endrar seg i eit sprang, blir

r

F

Vpid - P ’ e + r Ltid

.,

Af +

Aer o m

Dtid

Av likninga ser vi at D-forsterkaren «oppdagar» eit begynnande avvik og «bremsar» utviklinga alt i starten. Derivasjonsforsterkaren, D-forsterkaren, blir aldri brukt åleine i ein regulator, men alltid saman med andre forsterkartypar, til dømes saman med P (PDregulator) eller PI (PID-regulator).

217

Kapittel 9

Figur 9.22 viser eit prinsipielt blokkskjema for PID-regulatoren.

Figur 9.22 Prinsipielt blokkskjema for PID-regulatoren

D-tida avgjer kor lenge D-verknaden skal vere verksam. I praksis blir D-forsterkaren ikkje brukt i sløyfer som inneheld målestøy. Dforsterkaren kan da forsterke målestøyen og gi svingingar i pådragsorganet.

Figur 9.23 viser støy som blir påført målesignalet, forsterka av Dforsterkaren og overlagra pådraget (MV). Støy fører også til

Pådraget (MV)

Figur 9.23 Målestøyen blir forsterka i PID-regulatoren, overlagra regulatorutgangen og gir svingingar i er-verdien

På figur 9.23 er SV lik skal-verdi, PV lik er-verdi og MV lik pådrag.

218

Reguleringsprinsipp

Dersom Dtid blir for lang i forhold til dødtida for den opne sløyfa, kan det gi ustabil regulering. For kort Dtid gir dårlegare demping. Figur 9.24 viser endringar i er-verdi med lang og kort Dtid i ein PDregulator. Er

Figur 9.24 Typiske endringar i er-verdien med lang og kort Dtid i ein PDregulator

9.4 Alternative reguleringssløyfer 9.4.1 Alternative prinsipp for nivåregulering Vi har no sett på ei reguleringssløyfe der regulatoren er kopla inn mellom måleelementet og pådragsorganet til regulatoren.

219

Kapittel 9

Dette er ein type reguleringssløyfe som ofte blir kalla konstantregulering eller regulatortilbakekopling, figur 9.25. Dersom det blir stilt strenge krav til nivået i tanken, må vi ofte utvide reguleringa. Vi kan da utvide reguleringssløyfa til

• kaskaderegulering • forholdsregulering • framoverkopling Eventuelt kan vi kombinere desse tre reguleringsstrukturane.

9.4.2 Kaskaderegulering Vi tenkjer oss at den turtalsregulerte pumpa på figur 9.25 skal for­ syne to forbrukarar med prosessvæske. Vi går ut frå at kravet til konstant nivå i tanken VI er strengt. Dersom forbrukar 2 endrar gjennomstrøyminga, endrar gjennomstrøyminga til nivåtank VI seg. Som ei følgje av det blir nivået endra i VI. Vi går ut frå at for­ brukar 2 ikkje har særleg store krav til stabil gjennomstrøyming. Av figur 9.25 ser vi at regulatoren LC ikkje oppdagar endringa i gjenn­ omstrøyminga før nivået endrar seg i VI. Figur 9.26 viser korleis vi kan få kontroll over forstyrringane med ei kaskaderegulering.

Forbrukar 2 q (m^h)

Figur 9.26 Kaskaderegulering

220

Reguleringsprinsipp

9.4.3 Verkemåte Utgangen til LC er skal-verdi for FC. Vi går ut frå at avviket frå skal-verdi i VI er lik null. Da går pumpa med konstant turtal. For­ brukar 2 aukar gjennomstrøyminga. Da blir gjennomstrøyminga til VI endra. FT2 måler dette. FC2 registrerer da eit avvik frå skalverdien og korrigerer pumpeturtalet, slik at gjennomstrøyminga til nivåtank VI blir halden konstant. Det skjer raskt ettersom tidskon­ stanten i mengdesløyfa er liten. Dersom belastninga i utløpet aukar eller minkar, minkar eller aukar nivået h. LC kompenserer for dette ved å fjernstyre skal-verdien til FC. Regulatoren FC blir kalla und­ erordna regulator, og regulator LC blir kalla overordna regulator (engelsk: slave og master). Regulator FC er kopla i serie med LC, av det namnet kaskadekopla regulatorar og kaskaderegulering.

9.4.4 Forholdsregulering I ei forholdsregulering skal to storleikar regulerast slik at dei har eit konstant forhold til kvarandre. Typisk er at to gjennomstrøymingar A og B i ein kjemisk prosess skal blandast i konstante forhold, figur 9.27.

Døme Ta utgangspunkt i at blandinga skal innehalde 80 % av stoff A og 20 % av stoff B, figur 9.27. Reguleringa kan da gå føre seg ved å mul­ tiplisere A med 0,25. Produktet A • 0,25 er inngang til forholdsregulatoren FC.

Stoff A

Figur 9.27 Forholdsregulering

I praksis programmerer vi FC slik at han reknar ut A • 0,25. FC blir da kalla FFC (mengde-forholdsregulator).

221

Kapittel 9

9.4.5 Framoverkopling I somme prosessar er det forholdsvis lange dødtider frå ei for­ styrring i tilførselen til prosessverdien igjen er lik skal-verdien. Der­ som vi plasserer eit måleelement som straks fører til ei endring eller belastning, kan vi kople forstyrringa framover direkte til eit pådragsorgan utan at forstyrringa har gått gjennom prosessen først. Døme Figur 9.28 viser ein nivåprosess med framoverkopling.

Stoff A

Figur 9.28 Framoverkopling

Det er viktig å tilpasse signalet frå FT2 slik at vi korrigerer ventilopninga rett for å kompensere for forstyrringa. Det gjer vi ved å kople inn ei ekstra eining, ei ratio-bias-eining. Det er ei forsterking, og nullpunkt kan justerast. Når gjennomstrøyminga A har normal verdi, er F • A - nullpunkt = 0 Dersom A endrar seg til ein verdi over eller under den nominelle, får vi eit positivt eller negativt tilskot frå ratio-bias-eininga. Dersom gjennomstrøyminga A endrar seg, blir forstyrringa kopla framover til FC2, som kompenserer for denne endringa ved å endre belast­ ninga.

222

Reguleringsprinsipp

9.4.6 Framoverkopling kombinert med tilbakekopla sløyfe Framoverkoplinga inneheld ikkje noka form for tilbakekopling av nivået. Ei framoverkopling blir difor sjeldan brukt åleine, men saman med ei tilbakekopla sløyfe. Det er vist på figur 9.29.

9.4.7 Trykkregulering Figur 9.30 viser døme på trykkregulering.

Figur 9.30 Døme på trykkregulering

223

Kapittel 9

9.4.8 Regulering av gjennomstrøyming Vi har ulike former for regulering av gjennomstrøyming, til dømes gjennomstrøyming av gass, væske, fast stoff blanda i væske, eller berre fast stoff. Dessutan er det avgjerande om pådragsorganet er ein ventil som struper ein rørleidning, ei pumpe med turtal som kan regulerast, eller om vi har eit varierande tilbakeløp, sjå figur 9.31.

Figur 9.31 Tre måtar å regulere gjennomstrøyming på: a) med struping, b) med varierande turtal, c) med varierande tilbakeløp

Figur 9.32 viser eit vanleg arrangement for korleis vi regulerer ei gjennomstrøyming. Gjennomstrøyminga blir målt med ei strupeskive og ei d/p-celle.

Figur 9.32 Regulering av væskestraum Differansetrykket over måleskiva er proporsjonalt med kvadratet av volumstraumen. 224

Reguleringsprinsipp

Dersom vi ønskjer at strøymingsregulatoren skal arbeide med verkeleg gjennomstrøyming (ikkje kvadratet av gjennomstrøym­ inga), må vi trekkje ut kvadratrota av det signalet som kjem frå differansetrykkmålaren. Det har vi vist på figur 9.33.

Figur 9.33 Regulering av gjennomstrøyming med lineariserte måleverdiar

9.4.9 Temperaturregulering Det er ofte nødvendig å regulere temperaturen for at vilkåra for prosessen skal bli slik vi ønskjer å ha dei. I ein kjemisk reaktor ønskjer vi til dømes at reaksjonen skal skje ved ein viss temperatur. Eit anna døme er temperaturen i destillasjonskolonnar. Vi skal her sjå på nokre måtar å regulere varmevekslarar på.

9.4.10 Regulering av varmevekslarar Figur 9.34 viser den enklaste forma for å regulere ein varmevekslar.

Figur 9.34 Regulering av varmevekslar med regulatortilbakekopling Dette er den enklaste måten å regulere ein varmevekslar på. Der­ som måleverdien er utan målestøy, kan vi bruke ein PID-regulator, som gir raskare regulering. Dersom det er stilt strenge krav til at

225

Kapittel 9

temperaturen frå varmevekslaren skal vere konstant, må denne reguleringa utvidast. Både tidskonstanten og dødtida er her så store at det er vanskeleg å få temperaturreguleringa frå damp til oppvarma vatn stabil med berre konstantregulering. Vi kan utvide reguleringssløyfa til kaskaderegulering med ei temperatur- og trykksløyfe, figur 9.35.

Figur 9.35 Regulering av varmevekslar med kaskaderegulering Fordelen med trykkregulering er at tidskonstanten er liten på dampsida. Trykket blir difor regulert i ei underordna reguleringssløyfe. Denne regulatoren arbeider med ein variabel fjernstyrt skalverdi frå den overordna temperaturregulatoren.

Ei endring av damptrykket fører til at temperaturen på det utgåande vatnet endrar seg. Trykkendringa i damptilførselen blir derimot raskt kompensert av PIC. Dersom belastninga blir endra slik at temperaturen endrar seg, styrer den overordna regulatoren den fjernstyrte skal-verdien til den underordna sløyfa.

9.5 Døme på samansette sløyfer 9.5.1 Regulering av ein reaktor Sjå figur 9.36.1 reaktoren skjer det ein kjemisk reaksjon mellom stoff A og stoff B. Forholdsregulatoren FFIC 72 tek seg av blandinga av stoff A og stoff B, slik at dei blir blanda i eit konstant forhold. Trykk­ et i reaktoren blir halde konstant med reguleringssløyfa PIC 71. Den kjemiske reaksjonen i reaktoren er eksoterm, det vil seie at reaksjonen utviklar varme. Difor er det installert ein produktkjølar som kjøler ned ferdigvara. For at kjølinga skal bli så effektiv som råd blir noko nedkjølt ferdigvare pumpa tilbake til reaktoren.

226

Reguleringsprinsipp

Figur 9.36 Regulering av ein reaktor

9.5.2 Regulering av ein blande- og krystalliseringsprosess På figur 9.37 ser vi ein blande- og krystalliseringsprosess. I tank VI skal ammoniakk (NH3) og vatn blandast i eit visst forhold. Forholdsregulatoren FFCA 2 regulerer denne blandinga. Blandinga av ammoniakk og vatn renn i overløp til krystallisatoren V2. Tilførselen av karbondioksid CO2 blir tilpassa, slik at blandinga alltid er metta. Samtidig kjøler vi blandinga ned, og ho krystalliser­ er seg. Krystallane søkk til botnen, der dei blir tekne ut via ei pumpe.

I krystallisatoren regulerer vi nivået med LICA 1. Utgangen i denne regulatoren styrer reguleringsventilen LCV 1. Posisjonsendringa i denne reguleringsventilen fører til endringar i vasstilførselen til tank VI. Tilførselen av ammoniakk blir da endra i det same for­ holdet via FFICA 2. Med dette er også tilførselen til krystallisatoren V2 endra.

227

Krystallisator

Kapittel 9

Pumpe

Figur 9.37 Blanding og krystallisering

228

REGULERINGSPRINSIPP

9.5.3 Delt områderegulering (split range-regulering) I ei reguleringssløyfe med delt område styrer vi to (eller fleire) reguleringsventilar frå ein felles regulator. Reguleringsventilane arbeider over heile vandringsområdet, på ulike delar av utgangssignalet til regulatoren. Vi justerer dette området med ventilstillarane. Figur 9.38 viser eit døme på delt områderegulering.

Figur 9.38 Delt områderegulering

Når forbruket tek til, skal PCV-1 arbeide åleine medan forbruket er lågt. Når forbruket kjem over kapasiteten for PCV-1, skal PCV-2 opne. På den måten får vi ei god regulering ved lita belastning. Samtidig kan vi regulere store belastningar med to ventilar. PCV-1 arbeider i signalområdet 4-12 mA frå trykkregulatoren. PCV-2 arbeider i signalområdet 12-20 mA frå trykkregulatoren. Arbeidsfordelinga mellom PCV-1 og PCV-2 kan illustrerast med ein funksjonstabell, der vi for å gjere det enkelt går ut frå at PCV-1 og PCV-2 har benkjustering 0,2-1 bar. Vi ser dessutan bort frå prosesskrefter på ventilane.

Tabell 9.1 Funksjonstabell Regulatorutgang

Ventil PCV 2

Ventil PCV 1

Signal frå ventilstillaren

Ventilposisjon

Signal frå ventilstillaren

Ventilposisjon

0,2 bar

Stengd

0,2 bar

Stengd

12

1 bar

Open

0,2 bar

Stengd

20

1 bar

Open

1 bar

Open

4

229

Kapittel 9

Figur 9.39 viser ei grafisk framstilling av funksjonstabellen:

Figur 9.39 Grafisk framstilling av verdiane i funksjonstabellen

9.7 Kontrollspørsmål 1 Kan du forklare verkemåten til ei av/på-regulering? 2 Kan du forklare den prinsipielle verkemåten til regulatoren og ei reguleringssløyfe med P-regulator? 3 Kan du forklare den prinsipielle verkemåten til Pl-regulatoren og PID-regulatoren? 4 Kan du forklare verkemåten til kaskaderegulering, forholdsregulering og framoverkopling? 5 Kan du forklare verkemåten til reguleringssløyfer for å regulere gjennomstrøyming av temperatur og nivå? 6 Kan du forklare verkemåten til ei reguleringssløyfe for å reg­ ulere pH-verdien? 7 Kan du forklare verkemåten til reguleringssløyfer som kan vel­ jast? 8 Kan du forklare verkemåten til regulering med delt område (split range)? 9 Kan du forklare prinsippet for å regulere ein destillasjonsprosess etter massebalanse og produktkvalitet?

230

10 Programmerbare regulatorar for prosessindustrien Mål Etter å ha studert kapittel 10 skal du kunne • forklare kva ein meiner med at ein regulator er programmerbar • forklare kva for fordelar ein har av programmerbare regulatorar i forhold til analoge regulatorar • forklare omgrepet sjølvjusterande regulator • forklare korleis ein datamaskin kan bli nytta saman med pro­ grammerbare regulatorar for å betre kommunikasjonen mellom operatøren og prosessen • definere omgrepet desentraliserte system (distribuerte system) • forklare kva for hovudeiningar ein prosessdatamaskin er bygd opp av • forklare kva for tryggingsmåtar ein har for operatørar av prosessmaskinar • forklare omgrepet overordna prosessdatamaskin

10.1 Ein mikroprosessorbasert prosessregulator Figur 10.1 viser ein mikroprosessorbasert prosessregulator. Regu­ latoren er utstyrt med 93 ferdige programrutinar. Døme på slike programrutinar er: • • • • • • •

PID-regulator kaskaderegulering framoverkopling linearisering, til dømes rekneblokkar logiske blokkar alarmhandtering

)

Programmeringstatus

Figur 10.1 Mikroprosessorstyrt prosessregulator

231

Kapittel 10

Programrutinane kan veljast og setjast saman til nesten kva som helst reguleringsfunksjon. Vi kan programmere med tastaturet på regulatoren, dei fem tastane til venstre på figur 10.1. Regulatoren kan også koplast til PC over serielt grensesnitt, sjå figur 10.2.

Med dataprogramvara til regulatoren kan regulatoren program­ merast frå PC.

Figur 10.2 Regulatoren kan programmerast frå ein PC

Figur 10.3 viser fronten til regulatoren og funksjonen til styringsknappane.

Figur 10.3 Funksjonen til styringsknappane

232

Programmerbare

regulatorar for prosessindustrien

Døme på bruken Regulering av nivået i ein dampkjele kompensert for endringar i belastninga, figur 10.4.

Figur 10.4 Digitale regulatorar gir enklare anlegg Som figur 10.4 viser, sparer vi mange instrument når vi bruker ein programmerbar regulator. Instrumenteringa blir enklare og vedlike­ haldet like eins. Ikkje minst sparer bedrifta unødig lagerhald. I det mikroprosessorbaserte systemet er det berre fem instrument å halde ved like, medan det er ti instrument i det analoge. Systemet med den programmerbare regulatoren kostar om lag ein seksdel av det analoge systemet. I tillegg fører det analoge systemet til større installasjonskostnader fordi ein forbruker meir kabel mell­ om instrumenta. Det gjer at ein ikkje lenger installerer analoge regulatorar som er baserte på operasjonsforsterkarteknikk, i nye prosessanlegg. Men i gamle anlegg finn vi dei i mange år framover.

10.2 Sjølvjusterande regulatorar Den sjølvjustarende regulatoren (engelsk: auto-tune) oppdaterer ikkje PID-parametrane kontinuerleg. Sjølvjusteringa skjer på kom­ mando frå operatøren, til dømes ved å trykkje på knappar.

Fordelen med den sjølvjusterande regulatoren er at vi slepp tid­ krevjande arbeid med å stille inn regulatoren manuelt. Når vi skal

233

Kapittel 10

bruke ein sjølvjusterande regulator, bør vi vere klar over at vi aldri har nokon garanti for at innstillinga er korrekt. Generelt kan vi seie at vi alltid finn betre parametrar med eigne utrekningar. Det kjem av at dei fleste sjølvjusterande regulatorane nyttar nokså grove metodar for utrekninga. Vi bør leggje til at tilnærminga er bra nok for dei fleste reguleringssløyfene.

10.3 Personleg datamaskin overordna i høve til regulator Med prosessdatamaskin meiner vi ofte ein datamaskin av den typen som blir brukt i kontrollrom i prosessindustrien. Men i det siste har ein meir og meir teke PC i bruk saman med programmerbare regulatorar.

Den personlege datamaskinen har til oppgåve å overvake. Data­ maskinen kommuniserer med underordna regulatorar og skal gjere det mogleg for operatøren å få oversikt over tilstanden i prosessen. Det får vi i form av alarmar, måleverdiar, skal-verdiar og grafiske framstillingar av måleverdiar. Frå datamaskinen kan vi endre skal-verdiane til regulatoren, alarmgrenser og regulatorparametrar. Reguleringa skjer med dei under­ ordna PID-regulatorane.

Figur 10.5 viser eit skjermbilete som kan lagast med eit moderne prosessdataprogram for PC-en.

Figur 10.5 Prosessbilete laga med eit prosessdataprogram

234

Programmerbare regulatorar for prosessindustrien

10.4 Kommunikasjon mellom pro­ grammerbare regulatorar og PC-en

Figur 10.6 Programmerbare regulatorar kopla til den same toleiaren

10.5 Prosessdatamaskinar

Figur 10.7 Prosessdatamaskin

I moderne større industri er prosessdatamaskinar mykje nytta. Ofte kallar vi prosessdatamaskinane distribuerte system, desentraliserte automatiseringssystem eller skjermbaserte automatiseringssystem. Med desentraliserte meiner vi datamaskinar som er spesialkonstru­ erte for styring og regulering. I desse systema har datamaskinane heilt teke over for regulatoren. Derfor nyttar ein ikkje underordna regulator.

235

Kapittel 10

Som figur 10.8 viser, er desentraliserte system ei fordeling av opp­ gåvene på mange små datamaskinar. Operatørstasjonar i kontrollrom

Kommunikasjonssystem (bussystem)

Multipleksar

Figur 10.8 Eit desentralisert system

10.5.1 Datamaskin Datamaskinane inneheld regulatorfunksjonar med analoge inn­ gangar og utgangar. Ofte kan ein datamaskin styre åtte reguleringssløyfer. Figur 10.9 viser ein datamaskin tilkopla ei reguleringssløyfe.

Data­ maskin

Figur 10.9 Datamaskin tilkopla ei reguleringssløyfe

236

Programmerbare regulatorar

for prosessindustrien

10.5.2 Multipleksar Ein multipleksar både vel og les inn ei stor mengd måleinngangar. Etter gjennomarbeiding i datamaskinen blir måleverdiane rapport­ erte på ein skjerm og ein skrivar. —► Til datamaskinen Multi­ pleksar

( ;C^C:O' Måleomformar

12 3 4

Figur 10.H0 Multipleksar

10.5.3 Kommunikasjonssystem (bussystem) Ein buss er ein kommunikasjonskanal som fleire einingar bruker felles. I eit automatiseringssystem blir kommunikasjonen mellom einingane overført over ein koaksialkabel på seriell form med stor fart.

Det er to prinsipielt ulike metodar for tildeling av bussen: • Sentralt styrt buss, der ei felles styringseining gir bussen dei ulike einingane. • Buss med desentralisert styring, der éin av dei desentraliserte datamaskinane sjølv kan overta bussen dersom han er ledig.

237

Kapittel 10

10.5. 4 Operatørstasjon

Figur 10.12 Operatørstasjon

Operatørstasjonen er verktøyet som operatøren nyttar til å styre og overvake prosessen. Prosessdata blir presenterte på fargeskjermar. Det er også mogleg å få utskrift på ein skrivar og ein plottar.

Dei fleste systema har desse bileta: • grafiske bilete av prosessavsnitt • oversiktsbilete av større delar av prosessen • gruppebilete av reguleringssløyfer, ofte åtte reguleringssløyfer i ei gruppe • detaljbilete av enkeltsløyfer • sanningstrend • historisk trend • alarmar

10.5. 5 Styringsmåtar Figur 10.13 viser dei ulike styringsmåtane som er tilgjengelege for skjermbaserte system.

Tastatur Lyspenn

Peikeskjerm

Styreball/rulleball

Figur 10.13 Styringsmåtar

Operatørane kan styre systemet ved hjelp av tastaturet. Tastane blir i hovudsak brukte til faste funksjonar. Desse tastane blir ofte kalla operatørtastatur.

Nokre desentraliserte system har lyspenn. Det er ein penn som rea­ gerer på lys og som ein peikar på detaljen på skjermen med når noko skal utførast.

238

Programmerbare regulatorar for

prosessindustrien

Styreballen blir brukt for få flytte ein markør på skjermen. Styrespaken verkar på same måten som ein styreball. Med peikeskjerm kan operatøren peike på skjermen for å aktivere ein funksjon.

10.5. 6 Overordna prosessdatamaskin Ein overordna datamaskin styrer ikkje prosessen, men samlar inn data for produksjonsplanlegging, produksjonskontroll og økonom­ iske analysar. Dei blir og brukte for å kontrollere tilstanden til roter­ ande maskineri og for å analysere historiske data. Ein overordna prosessdatamaskin er som oftast ein stor datamaskin som blir kopla til bussen.

Buss til ◄prosessdatamaskin

Overordna prosess­ datamaskin

Figur 10.14 Overordna prosessdatamaskin Figur 10.15 viser ein typisk operatørstasjon for ein prosessdatamas­ kin for tyngre prosessindustri.

Figur 10.15 Prosessdatamaskin (intelligente automatiseringssystem) (Foxboro I/A-system) Han kan vere kopla til opp til tusen reguleringssløyfer og er saman­ sett av ei sentraleining med éin eller fleire biletskjermar og eitt eller fleire spesiallaga tangentbord.

239

Kapittel 10

Figur 10.16 viser eit kontrollrom på ei oljeplattform i Nordsjøen der ein nyttar prosessdatamaskin.

Figur 10.16 Kontrollrommet på ei oljeplattform

10.5. 7 Systemeiningar Systemeiningane er viste på figur 10.17. Kontrollrom

Skjerm Tastatur

Rulleball Prosessor for langtidslager

Tastatur

for skjerm

Buss Kontroll

Prosessor for skrivarar

for inn- og utgangar

Feltbuss mot fabrikk

|

Feltbussmodular for 4-20 mA, digitale pulsar og kontaktfunksjonar

Rapport

Alarm Blekkskrivar

Figur 10.17 Systemeiningar kopla saman over ein databuss (Foxboro I/Asystem) Kvar skjerm er kopla til ein datamaskin (prosessor). Datamaskinen arbeider med skjerm, tastatur og rulleball. Vi ser at systemet har datamaskin for reguleringssløyfer og digitale inngangar og utgangar. Ein datamaskin styrer opp til åtte reguleringssløyfer. I ein stor fabrikk er da eit prosessdatasystem oppbygd av mange slike datamaskinar. Det gir eit tryggare system. Dersom éin datamaskin fell ut, får det konsekvensar berre for dei reguleringssløyfene som høyrer til denne datamaskinen.

240

Programmerbare

regulatorar for prosessindustrien

Datamaskinen utfører også sekvensstyringar og tek hand om kom­ munikasjonen med I/O-modulane. Dessutan innheld han blokkar som kommuniserer med den PLS-funksjonen som går føre seg lok­ alt i digitale I/O-modular. Vi kan gjere datamaskinen feiltolerant. Det vil seie at dersom éin maskin skulle falle ut, tek ein annan automatisk over alle oppgåvene utan at prosessen blir forstyrra. Vi vel feiltolerant funksjon dersom reguleringssljøyfene er svært viktige for drifta av prosessen (fabrikk­ en).

10.6 Bruk av datamaskinar (PLS) for styring og regulering av kommunale reinseanlegg Anlegga er automatiserte og blir styrte av lokale programmerbare logiske einingar (PLS). Dei kommuniserer med ein sentral minidata­ maskin. Regulatorane for reguleringsfunksjonane er ofte innebygde i PLS-systemet.

Figur 10.18 viser eit PLS-anlegg frå eit kloakkreinseanlegg.

Operatørstasjon

Lokal PLS

Figur 10.18 PLS nytta på eit kloakkrei nsean legg

Relé

Alle måleparametrane, som nivå, gjennomstrøyming, pH-verdi og anna og dessutan drifts- og feilsignal frå alle maskinelle kompon­ entar, blir overførte til ein sentral datamaskin der dei blir registrerte og lagra. Alarmar blir skrivne ut på ein skrivar. Prioriterte alarmar blir overførte til heimevakt over telefonnettet.

241

Kapittel 10

I anlegget er det ofte fleire operatørstasjonar der prosessbileta kjem opp på ein skjerm. Her kan driftsoperatøren ta ut informasjon og sjå bilete med augneblinksverdiar eller historikk (trendkurver). Endr­ ingar i styringsparametrane kan leggjast inn frå operatørstasjonen, og dei blir da overførte via sentralmaskinen til ein lokal PLS. Der­ som den sentrale maskinen fell ut eller det oppstår kommunikasjonsfeil, styrer dei lokale PLS-ane framleis prosessen etter dei styr­ ingsparametrane som sist vart lagde inn.

10.7 Kontrollspørsmål 1 Kan du forklare kva ein meiner med at ein regulator er program­ merbar? 2 Kan du forklare kva ein meiner med ein sjølvjusterande regula­ tor? 3 Kan du forklare nokre fordelar bruk av sjølvjusterande regula­ torar har samanlikna med analoge regulatorar? 4 Kan du forklare korleis ein personleg datamaskin (PC) kan bli nytta saman med programmerbare regulatorar for å betre kom­ munikasjonen mellom operatøren og prosessen? 5 Kan du forklare omgrepet desentraliserte system (distribuert system)? 6 Kan du forklare kva for hovudeiningar eit desentralisert system er bygd opp av? 7 Kan du forklare omgrepet overordna prosessdatamaskin?

242

11 Alarm og forrigling Mål Etter å ha studert kapittel 11 skal du kunne • forklare kven som godkjenner prosessanlegg i Noreg • definere omgrepet forrigling • gjere greie for bruken av PLS i eit forriglingsanlegg • forklare verkemåten til feilsikre system • forklare dei filosofiane som ligg til grunn når vi planlegg eit alarm- og forriglingssystem • forklare dei prinsipielle funksjonane til NAS-system og PAS-

system • forklare omgrepet overbruing • bruke forriglingsmatriser

I I. I Innleiande definisjonar I I. I. I Styresmaktene Prosessanlegg i Noreg skal godkjennast av offentlege organ når det gjeld sikring av produksjonsanlegget. Det gjeld sikring mot: • eksplosjon • brann • utslepp av gassar og væsker som kan skade menneske og miljø Kjelekontrollen skal godkjenne alle prosessystem for dampproduksjon. For anlegg som behandlar eksplosjonsfarlege gassar og væsk­ er, skal Direktoratet for brann- og eksplosjonsvern (DBE) godkjenne prosessanlegget.

Anlegg som kjem inn under elektriske forskrifter, skal godkjennast av elektrisitetstilsynet.

I 1.1.2 Maskindirektivet Etter at Noreg kom med i EØS-samarbeidet, har vi måtta tilpasse oss lover, reglar og forskrifter som gjeld i EU. Eitt av desse direktiva er maskindirektivet. Dette direktivet heiter eigenleg Forskrift til arbeidsmiljølova, produktlova og lov om tekniske kontrollorgan fastsett i kongeleg resolusjon 19. august 1994. Direktivet fortel om dei tryggingskrava vi skal stille til utstyr som blir brukt til styring av prosessen. I kapittel 4 i forskrifta finst det fleire paragrafar som tek for seg tryggleiken til styreinnretningar. Det gjeld paragrafane 19-26. Alle

243

Kapittel 11

leverandørar som ønskjer det nye godkjenningsstemplet CE-merking på produkta sine, må kunne vise til at dei fyller krava i mas­ kindirektivet. Det er skrive mange og lange kommentarar til dette direktivet. Vi går ikkje nærmare inn på dette her, men viser til litt­ eraturen i vedlegget bak i boka. Eitt av resultata dette direktivet har ført til, er at dei verksemdene som bruker slikt utstyr, må kunne vise til korleis dei har valt å løyse tryggingskrava i det utstyret dei bruker. Det skal dokumenterast og brukast i internkontrollsystem i bedriftene (IKS).

I 1.1.3 Utdrag av maskindirektivet (Publisert del av EØS-avtalen som særskilt vedlegg nr. 2 til stor­ tingsproposisjon 100, 1991-92, bind 6, side 550.) Paragrafane 19-26 frå maskindirektivet.

§ 19 Styringssystemet skal vere trygt og påliteleg Styringssystem skal vere konstruerte og bygde slik at dei er sikre og pålitelege, og slik at det ikkje utviklar seg farlege situasjonar. Fram­ for alt må dei vere konstruerte og bygde slik at

• dei kan tole påkjenningar frå normal bruk og ytre påverknad • feil i styringssystemet ikkje fører til farlege situasjonar § 20 Styreinnretningar 1. Styreinnretningar skal vere • godt synlege, lette å kjenne att og om nødvendig formålsten­ leg merkte • slik plasserte at dei kan styrast sikkert og presist utan tidstap og utan fare for feilgrep • slik utforma at bruk av styreinnretninga samsvarer med den verknaden som blir utløyst • plasserte utanfor faresona, med unntak for visse nødvendige styreinnretningar, som nødstopp og programmeringseining for robotar • plasserte slik at det ikkje er farleg å bruke dei • utforma eller skjerma slik at det ikkje er fare for utilsikta påverknad • slik at dei toler den belastninga dei venteleg er utsette for. Det gjeld særleg nødstoppinnretningar som kan bli utsette for store belastningar 2. Dersom eit styrepanel, tastatur og liknande er konstruert og bygd for å løyse ut fleire funksjonar, det vil seie at verknaden ikkje er eintydig, skal den funksjonen som blir utløyst ved påverknad, vere tydeleg varsla og om nødvendig bli stadfest.

3. Maskinar skal vere utstyrte med nødvendige overvakingsinstrument, slik at dei kan brukast sikkert. Operatøren skal sjå dei frå styreplassen.

244

Alarm og

forrigling

4. Styreinnretningar skal vere utforma slik at plassering, rørsle og motstand ved påverknad samsvarer med den verknaden som skal framkallast, samtidig som det blir teke omsyn til ergonomiske prinsipp. Det skal vere teke omsyn til avgrensin­ gar i rørslefridommen til operatøren som kjem av nødvendig eller pårekneleg bruk av personleg verneutstyr, til dømes vernefottøy, vernehanskar og liknande.

5. Frå hovudstyreplassen må operatøren kunne forvisse seg om at ingen utsette personar er i faresona. Dersom det ikkje er prak­ tisk mogeleg, skal styringssystemet vere konstruert og bygt slik at det blir gitt eit lyd- og/eller lyssignal når maskinen skal set­ jast i gang. §21 Igangsetjing Maskinar skal kunne startast med ein tilsikta påverknad av ei styreinnretning som er bygd for det. Det gjeld også • når maskinar skal startast på nytt etter stans, utan omsyn til årsak • når driftsforholda skal endrast vesentleg, til dømes fart, trykk og liknande,

med mindre ei ny igangsetjing kan skje utan fare for utsette per­ sonar. Kravet i første ledd gjeld ikkje for gjenstart av maskinar eller endr­ ing av driftsforhold som høyrer til ein automatisk syklus.

Når maskinar har fleire startinnretningar og operatørane difor kan utsetje kvarandre for fare, skal det monterast utstyr for å fjerne desse farane, til dømes styreinnretningar eller veljarar som gjer det mogeleg å påverke berre éi av startinnretningane om gongen. Når eit anlegg i automatisk drift stoppar, skal det lett kunne startast att når vilkåra for sikker drift er oppfylte. § 22 Stoppinnretningar 1 Normal stopp Maskinar skal utstyrast med ei styreinnretning som gjer det mogeleg å stanse dei på ein sikker måte. Alt etter den faren som ligg føre, skal det på kvar styreplass vere ei styreinnretning til å stanse nokre eller alle rørlege delar, slik at maskinane blir sikra. Stoppfunksjonen skal overstyre igangsetjingsfunksjonen. Straks maskinar eller dei farlege delane er stoppa, skal energitil­ førselen til drivarinnretningane brytast.

2 Nødstopp Maskinar skal utstyrast med ei eller fleire nødstoppinnretningar slik at det er mogeleg å avverje trugande situasjonar eller avgrense verknaden av farlege situasjonar som alt har utvikla seg. 245

Kapittel 11

Det gjeld ikkje for • maskinar der ei nødstoppinnretning ikkje reduserer risikoen, anten fordi innretninga ikkje reduserer stopptida, eller fordi ho ikkje gjer det mogeleg å setje i verk dei spesielle tiltaka som er nødvendige for å avverje faren • handhaldne maskinar som kan berast, og handstyrte maskinar

Nødstoppinnretninga skal • vere lett gjenkjenneleg og ha godt synlege og lett tilgjen­ gelege styreinnretningar • stanse den farlege prosessen så raskt som råd utan å skape nye faremoment • om nødvendig løyse ut eller gjere det mogeleg å løyse ut visse vernande rørsler Så snart nødstoppinnretninga ikkje lenger blir aktivert etter at stoppfunksjonen er utløyst, skal stoppfunksjonen haldast oppe ved at nødstoppinnretninga blir ståande i sperra stilling inntil ho blir frigjord. Det skal ikkje vere mogeleg å sperre nødstop­ pinnretninga utan at stoppfunksjonen blir utløyst. Innretninga skal berre kunne frigjerast med ei tilsikta handling. Ein frigjord nødstoppfunksjon skal ikkje føre til at maskinen begynner å gå igjen, men gjere det mogeleg å starte maskinen på nytt.

3 Samankopla anlegg Maskinar eller delar av maskinar som er utforma for å verke saman, skal konstruerast og byggjast slik at stoppinnretningane, også nødstoppinnretninga, kan stanse både maskinane og det utstyret som ligg før eller etter i arbeidsprosessen, dersom vidare drift kan vere farleg. § 23 Val av styremåte Den styremåten som er vald, skal sperre alle andre styremåtar så nær som nødstoppinnretninga. Dersom maskinar er konstruerte og bygde for å kunne brukast med å velje fleire styremåtar med ulike tryggingsnivå, til dømes innstill­ ing, vedlikehald, ettersyn og liknande, skal dei utstyrast med styre­ innretningar for val som kan låsast i alle stillingar. Kvar stilling skal svare til ein enkelt verke- eller styremåte. Styreinnretningar for val kan erstattast av andre metodar, til dømes tilgangskodar til visse numeriske styrefunksjonar og liknande.

Dersom maskinar under visse arbeidsoperasjonar må kunne verke med fråkopla verneinnretningar, skal innretninga til val av styremåte samtidig • setje automatiske styringssystem ut av drift • berre kunne gi rørsle ved hjelp av styreinnretningar som krev vedvarande påverknad

246

Alarm og forrigling

• berre kunne operere farlege rørlege delar når det er sett i verk strenge vernetiltak, til dømes redusert fart, redusert krafttil­ førsel, steg-for-steg-rørsle eller andre sikre tiltak - samtidig med tiltak som sikrar mot fare frå samankopla arbeidsoperasjonar • hindre alle rørsler som kan vere ein risiko i samband med tilsik­ ta eller utilsikta påverknad av innvendige følarar i maskinen

Frå innstillingsstaden skal operatøren kunne styre dei maskin­ delane det blir arbeidd med. § 24 Svikt i energitilførselen Brot i energitilførselen og alle moglege svingingar i tilførselen av energi til maskinar skal ikkje føre til farlege situasjonar. Særleg skal • utilsikta gjenstart av maskinar ikkje vere mogeleg • maskinar ikkje kunne hindrast i å stanse når stoppfunksjonen er utløyst • ingen av dei rørlege delane i maskinar eller arbeidsstykke som sit i maskinar, kunne falle ned eller slyngjast ut • automatisk eller manuell stansing av kva som helst rørleg del av maskinar ikkje hindrast • tryggingsfunksjonen i verneinnretningane fungere fullt ut

§ 25 Svikt i styringskrinsen Feil i logikken i styringssystemet eller svikt i eller øydelegging av styringskrinsen skal ikkje føre til farlege situasjonar. Særleg skal • utilsikta start av maskinar ikkje vere mogeleg • maskinar ikkje kunne hindrast i å stanse når stoppfunksjonen er utløyst • ingen av dei rørlege delane i maskinar eller arbeidsstykke som sit i maskinar, kunne falle ned eller slyngjast ut • automatisk eller manuell stansing av kva som helst rørleg del av maskinar ikkje hindrast • tryggingsfunksjonen i verneinnretningane fungere fullt ut

§ 26 Programvare Programvare for dialog mellom operatøren og styrings- eller styr­ ingssystemet på maskinar skal vere lett å bruke.

I 1.1.4 Døme på instruks for utkopling eller endring av tryggingsinnretningar Formål Maskinar, utstyr og prosessar i bedrifta er sikra med ulike typar tryggingsinnretningar som skal gi arbeidstakaren eit trygt arbeids­ miljø og vern mot skadar på liv og helse. Prosessane skal vere sikra mot skadar, havari og utslepp. Etter § 25 i maskindirektivet skal

247

Kapittel 11

tryggingsfunksjonen i verneinnretningane fungere fullt ut. Dei elektriske tryggingsinnretningane kan delast i to kategoriar:

1 nødstoppsystem 2 forriglingssystem Feil i logikken i styringssystemet eller svikt i eller øydelegging av styringskrinsen skal ikkje føre til farlege situasjonar. Nødstopp av maskinar eller utstyr skal gi utkopling dersom dei blir brukte, anten manuelt eller automatisk. Den elektriske utkoplinga høyrer direkte til styrekrinsen for maskinen. Forriglingar kan anten stoppe heile prosessen eller delar av ein prosess, eller hin­ dre ein prosess i å starte. Dette er tryggingstiltak av høgaste nivå som det er ulovleg å kople frå eller overbrue (laske) utan at forhold som gjeld persontryggleik, driftstryggleik og stabilitet er nøye vurderte. Det skal alltid liggje føre skriftleg arbeidsordre. Omtale I samband med driftsproblem der feilen er lokalisert til feil i tryggingsinnretninga, skal feilen anten reparerast eller delen skiftast før prosessen eller maskinen kan startast att. Dersom det er heilt nød­ vendig å kople ut tryggingsinnretningar, skal det vere gitt skriftleg dispensasjon frå skiftleiaren for fabrikken eller området og frå verneombodet.

Dersom det på grunn av prosessen må gjerast inngrep eller endr­ ingar i forriglingar mot maskinar, utstyr eller prosess, skal det lig­ gje føre skriftleg arbeidsordre med omtale av årsak til endringane, og det skal vere påført fristar. Denne arbeidsordren skal alltid god­ kjennast av driftssjefen eller av den han gir fullmakt til det. For somme anlegg krevst godkjenning av offentlege styresmakter dersom prosessforriglingar i anlegget skal endrast. Døme er for­ skrift om kjeleanlegg.

Ansvar Skiftleiaren er ansvarleg for at det ligg føre skriftleg godkjenning (arbeidsordre) før det blir sendt melding om utkopling, overbruing eller endring av tryggingsinnretningar til den ansvarlege områdeingeniøren for elektro/automatisering for området for vidare behandling. Utanfor ordinær arbeidstid skal arbeidsordren vere gitt til det skiftgåande mannskapet i den utførande avdelinga. Verkstadleigaren i den utførande avdelinga er ansvarleg for at det som er notert i skiftrapporten, blir sendt til områdeingeniøren for vidare behandling. Tilvising IKH 4.10 (internkontroll hovudbok) Maskindirektivet generelt § 25 i maskindirektivet om svikt i styringskrinsen

248

Alarm og

forrigling

I 1.1.5 Døme på sikring av elektrisk oppvarma varmevekslar Figur 11.1 viser ein varmevekslar med elektrisk oppvarming. Varmevekslaren skal sikrast mot overoppheting slik at det ikkje blir

Figur 11.1 Forrigling av elektrisk varmevekslar Lufta som blir sogen gjennom varmevekslaren, skal varmast i varmevekslaren.

Overopphetingstermostaten (TAZHH) er ein mekanisk, sjølvopererande termostat. Overopphetingstermostaten bryt effekten til varmevekslaren dersom temperaturen i varmevekslaren kjem over den grensa termostaten er innstilt på. Vifta må vere i kontinuerleg drift, elles stig temperaturen i varmevekslaren til ein temperatur som kan føre til brann. Dersom vifta stoppar eller luftstraumen blir hindra på grunn av mekanisk tetting i kanalen (til dømes stengt spjeld), sjaltar PAZHH inn eller ut ettersom differansetrykket over vifta går ned til null. PAZHH har kontakt i styrekrinsen til varme­ vekslaren. Varmevekslaren mister no spenninga. Dersom TAZHH eller PAZHH løyser ut, blir varmevekslaranlegget nødavstengt. I trykksystem skal vi sikre rør, tankar, reaktorar og maskinar mot overtrykk. Denne sikringa byggjer på bruk av mekanisk sjølvopererande tryggingsventilar og pressostatar.

249

Kapittel 11

11.1.6 Generelt om logiske styringar som kan programmerast, PLS I moderne anlegg er forriglingssystemet eit program i ein PLS. PLSsystemet kan igjen vere kopla saman med eit datasystem som handterer reguleringar og alarmar.

Figur 11.2 Logisk styring som kan programmerast

PLS-systemet er ein mikroprosessorbasert reléerstattar, der den elektriske koplinga blir erstatta av eit dataprogram. Alle typar for­ riglingar og sekvensstyringar kan programmerast. Moderne PLSsystem handterer også reguleringssløyfer i den same eininga.

I 1.1.7 Nødavstenging (NAS) og prosessavstenging (PAS) I eit prosessanlegg er somme forriglingar meir kritiske enn andre når det gjeld tryggleiken for menneske, miljø og utstyr. Somme for­ riglingar fører kanskje til at ei pumpe og eit prosessavsnitt blir avstengde lokalt, gass blir send til ein fakkel eller liknande. Det fører med andre ord ikkje til at fabrikken eller prosessen stansar. Når vi så har kontroll over nødsituasjonen, blir forriglingane stilte tilbake, og produksjonsavsnittet er i normal drift.

Dersom forriglinga har ei gradering som tilseier at fabrikken må stansast, blir prosessavstengingssystemet (PAS) sett i funksjon, og fabrikken blir automatisk køyrd ned på ein sikker måte. Når PAS blir sett i funksjon, er det ingen veg tilbake. Det er som om nokon trykkjer på nødstoppen. Det er stopp.

250

Alarm og forrigling

11.2 Døme på sikring av ein reaktor Figur 11.3 viser sikring av ein kjemisk reaktor. Reaktoren er utstyrt med tryggingsventil, pressostatar og strøymingsvakter. Regulator­ ane har alarmfunksjonar.

Figur 11.3 Alarm og forrigling for ein reaktor Dersom trykket i reaktoren kjem over ei innstilt grense på den mekaniske pressostaten PAZHH, stengjer tryggingsventilane for stoff A og stoff B. Reguleringsventilen PCV opnar og slepper trykk­ et ut av reaktoren. Om forriglingssystemet sviktar, opnar den mekaniske overtrykksventilen og spenner av reaktortrykket. Som dette dømet viser, blir reaktoren sikra på fleire måtar:

• Bruk av mekanisk styrt tryggingsventil. • Bruk av stengjeventilar (engelsk: shut down) som er forrigla over eit forriglingsanlegg. Forriglingsanlegget kan vere oppbygd av pressostat og strøymingsvakter. Desse digitale givarane sender signala til ein PLS. Dersom forriglingsgrensene blir brotne, stengjer PLS-en reaktoren for å sikre menneske, miljø og anlegg mot fare.

Forriglingsanlegget blir ofte kalla anlegg for driftsvilkår. 251

Kapittel 11

• Alarmsystemet skal gjere driftspersonalet merksam på at prosessverdien er utanfor akseptable grenser. Det skjer med lydsig­ nal og blinkande lamper. Driftspersonalet blir merksam på faren og kan hindre farlege situasjonar.

Moderne datasystem for prosesstyring inneheld reguleringsfunksjonar og PLS-funksjonar. For å auke tryggleiken vel vi ofte å installere ein særskild PLS som berre tek seg av forriglingsfunksjonane. Denne PLS-en kan vere eit ekstra krinskort i eit stort PLSsystem. PLS-systemet er kopla til skjermar som presenterer alarmar i same rekkefølgje som dei blir utløyste. Når ei forrigling blir utløyst, fører det ofte til at også fleire forriglingar løyser ut. Dette kallar vi dominoeffekt.

11.3 Feilsikre system Forriglingssystemet skal hindre tilstandar i prosessen som kan vere farlege for personar, miljø og utstyr. Dersom forriglingsutstyret hadde vore slik konstruert at det kunne komme feil i forriglings­ systemet som vi ikkje oppdagar, ville det setje systemet ut av funk­ sjon. Difor blir forriglingssystema konstruerte slik at feil i forrigl­ ingssystemet koplar ut. Før anlegget eller anleggsdelen kan setjast i drift att, må feilen fjernast. Forriglingssystem som er konstruerte på denne måten, kallar vi feilsikre system (engelsk: fail safe). Du ser eit døme på ei feilsikker kopling på figur 11.4.

Dersom forriglingsbrytaren PAZHH er stengd og heile straumvegen 1 er stengd, får reléet Kl spenning frå ei 24 V spenningskjelde, og reléet Kl trekkjer da til. Relékontakten stengjer, og det same gjer

252

Alarm og forrigling

magnetventilen PZV. PZV har spenning under normal drift. Sys­ temet er feilsikkert, fordi brot, same kvar i straumveg 1 eller 2, fører til utkopling. Dersom det hadde vore brukt open kontakt i PAZHH, ville Kl ha trekt til når trykkbrytaren sjalta. Brot i straumvegen hadde ikkje vorte oppdaga ettersom det normalt ikkje flyt straum i krinsen. Forriglinga ville ikkje ha verka.

I 1.4 Skilde system I prosessindustrien er alarm- og forriglingssystema ofte skilde sys­ tem. Grunnen er at vi er interesserte i å arbeide med vedlikehald i alarmsystemet utan å forstyrre forriglingsfunksjonane. Difor er alarmsystema og forriglingssystema skilde. Dei sambanda som er nødvendige, skjer via galvanisk skilde krinsar. Figur 11.5 viser i grove trekk korleis dei er kopla saman. Lampefunksjonen og kvitteringsknappar er kopla til alarmanlegget.

Figur 11.5 Samankopling av alarm- og forriglingsanlegg

I 1.5 Overbruing (forbikopling) Når eit prosessanlegg skal startast, kan det vere nokre prosessvilkår som ikkje er oppfylte i startaugneblinken. Vi kan difor ikkje starte utan å overbrue (forbikople) desse forriglingane (vilkåra). Overbruingane kan ofte gjerast i kontrollpanelet.

253

Kapittel 11

Når ei forrigling er overbrua, mister vi prosessikringa. Det er difor viktig at overbruinga blir fjerna etter at oppstarten er ferdig, og prosessvilkåra på nytt er til stades. Det er vanleg å ha ei blinkande lampe i panelet eller eit punkt på skjermen som viser at over­ bruinga er aktiv. Den blinkande lampa skal hindre at overbruinga blir gløymd.

Figur 11.6 viser ei forenkla teikning av eit forriglingssystem der overbruingar og vidarekoplingar til alarmsystemet kjem fram.

Figur 11.6 Forrigling med overbruing og vidarekopling til eit alarmsystem

254

Alarm og

forrigling

Figur 11.7 viser eit alarm- og forriglingsanlegg teikna slik det er oppbygt. PLS = programmerbar styring

Figur 11.7 Reguleringssløyfe med alarm og forrigling

255

Kapittel 11

11.6 Forriglingsmatriser (FM) Store fabrikkar har eit omfattande tryggingsanlegg. Det sikrar auto­ matisk stopp i farlege situasjonar. Det er ofte uråd å presentere dette tryggingsopplegget på eit teknisk flytskjema TFS på grunn av omfanget. I slike tilfelle bruker vi hjelpeteikningar i form av for­ riglingsmatriser, sjå figur 11.8.

Plass for indekserte forklaringar

Figur 11.8 Grunnteikning for ei forriglingmatrise

Forriglingspunktet blir lagt på eit lågare nivå enn det prosessen eller prosessutstyret toler. Ein trykkbehaldar kan til dømes ha ein tryggingsventil som opnar ved 16 bar overtrykk, medan prosessen kan stoppast ved forrigling når overtrykket berre er 10 bar.

Inngangane er signal som kjem inn i forriglingssystemet frå måleomformarar i anlegget. Døme på signal er signal om temperatur, trykk, nivå og liknande.

Utgangane er signal som går ut frå forriglingssystemet til anlegget og startar ein eller annan aksjon (stoppar ei pumpe, stengjer ein ventil og liknande). Desse signala har alltid høgaste prioritet og overstyrer alle andre styringssignal.

Ei forriglingsmatrise viser oss med ei enkel teikning samanhengen mellom det som er gått gale (inngangar) i prosessen, og det som automatisk har vorte gjort for å sikre anlegget (utgangar).

256

Alarm og forrigling

I 1.6.1 Symbol som blir brukte i forriglingsmatriser Symbol

Tyding

X

Direkte verknad. Forrigling kjem av ein unormal tilstand på inngangen.

1______ 1

Overbruing (forbikopling).

T

Tidspåverka, til dømes forseinking.

O

Dominoeffekt brukt for å markere ein effekt som har forplanta seg, og som ligg utanfor sjølve forriglingssystemet.

L

Verknaden er resultatet av ei logisk kopling av årsaker.

Symbol brukte i kolonnane for «Posisjon ved luft/straum-svikt»: A

Ventilen blir opna.

V

Ventilen blir stengd.

=

Ventilen blir ståande.

Symbol som berre blir brukte i rubrikken for inngang eller utgang for frigjering:

0

Symbolet viser ein frigjeringsfunksjon (tilbakestillingsfunksjon). Når ein utgang er forrigla og årsaka til forriglinga er borte, ligg inngangen eller utgangen normalt i forriglinga heilt til inngangen eller utgangane er frigjorde. Å frigjere inngangen eller utgangen blir kalla tilbakestilling (engelsk: reset).

257

Kapittel 11

I 1.6.2 Døme på bruk av forriglingsmatrise for eit destillasjonsanlegg Forriglingsmatrisa er ein destillasjonskolonne. Figur 11.9 viser eit teknisk flytskjema (TFS) for destillasjonskolonnen. I destillasjonskolonnen skal vi koke ut sprit frå ei vass/sprit-blanding. Anlegget er instrumentert med moderne regulatorar som kan pro­ grammerast. Regulatorane overvaker alarmgrenser, medan ein PLS sikrar alle forriglingar. Somme forriglingar gir nødavstenging (NAS), andre forriglingar gir prosessavstenging (PAS). Figur 11.10 viser forriglingsmatrisa (FM) for destillasjonsanlegget.

Figur 11.9 Teknisk flytskjema for destillasjonsanlegget 258

Alarm og forrigling

OVERBRUING

TAG NR. INNGANGAR TEKST VERDI

q e-

o S- -O cn

X X

X X

X X

X XX

X X X X X X X X X X

§

1

10 7.

PZH 22021 DAMP

3.50 BAR0

PZH 22026 KJØLEVATN

3.50 BAR0

PZL 22008 C-22001 /T-2201

0.80 SARA

HZ 22005

X

90 %

LZL 22024 SUMP KOLONNE C-22001

NØDSTOPP

QZH 22006 ALKOHOLINNHALD I LUFT 30

7.

1

X

X X X

FZL 22002 VASSMENGD H-22004

200 l/h

FZL 22019 VASSMENGD H-22005

200 l/h

OVERBRUING