Prosesskontroll 2 : for teknisk fagskole, linje for kjemi og prosess, fordypningsområde prosess [2] 8241204388 [PDF]

Zitiervorschau

Bjørnar Larsen

Prosesskontroll 2 For teknisk fagskole, linje for kjemi og prosess, fordypningsområde prosess

Fellesspråklig utgave

Vetts Viten as

© Vett & Viten AS 2000 ISBN: 82-412-0438-8

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i juli 2000 for bruk i teknisk fagskole, linje for kjemi og prosess, fordypningsområde prosess. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av august 1998, 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:Wwww.vettviten.no e-post: [email protected]

Forord Denne boka er skrevet for bruk i teknisk fagskole, linje for kjemi og prosess, fordypningsområde prosess. Boka dekker alle mål i lære­ planen.

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

1 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 død tid (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 2.1 Hvorfor brukes flytskjemaer? 33 2.1.1 Skjema typer 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

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) 121 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

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

138

7.1 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 Ck-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 9.5.4 Regulering av pH-verdien 230 9.5.5 Verkemåte 231 9.5.6 Reguleringssløyfer som kan veljast (selektive reguleringssløyfer) 231 9.5.7 Regulering av prosessar med fleire variablar 232 9.5.8 Døme frå ein destillasjonsprosess 232 9.5.9 Massebalansen 234 9.5.10 Energibalansen 234 9.5.11 Produktkvaliteten 234 9.6 Regulatorinnstilling 235 9.6.1 Innsvingingstid 235 9.6.2 Val av regulatorparametrar 235 9.6.3 Ziegler og Nichols første innstillingsmetode 236 9.6.4 Ziegler og Nichols andre regel 237 9.7 Kontrollspørsmål 238

10 Digitale regulatorar og datautstyr for prosessindustrien 239 10.1 Regulatorar som kan programmerast 239 10.1.1 Sjølvjusterande regulator 240 10.1.2 Personleg datamaskin overordna regulatorar 242 10.1.3 Kommunikasjon mellom PC-en og regulatorar som kan programmerast 242 10.2 Fuzzykontroll 243 10.3 Prosessdatamaskinar 244 10.3.1 Datamaskin 245 10.3.2 Multipleksarar 245 10.3.3 Kommunikasjonssystem (bussystem) 246 10.3.4 Operatørstasjon 246 10.3.5 Styringsmåtar 247 10.3.6 Overordna prosessdatamaskin 247

12

INNHOLDSFORTEGNELSE

10.3.7 Systemeiningar 249 10.4 Digital informasjonsoverføring overlagra 4 -20 mA-signala (HART-protokolI) 251 10.4.1 Kva er ein protokoll? 251 10.4.2 Protokollar i instrument 251 10.4.3 Trafikkstyring 251 10.4.4 Feilfunksjonen 252 10.4.5 Synkronisering 252 10.4.6 Adressering 252 10.4.7 Dataoverføringa i smarte instrument 252 10.5 Feltbussystem 254 10.5.1 Kva er feltbuss? 254 10.5.2 Standardisering 255 10.5.3 Feltbuss kontrollsystem (Field Control System FCS) 256 10.6 Prosessautomatisering og IT-bruer 258 10.6.1 Horisontal og vertikal informasjonsflyt 259 10.7 Kontrollspørsmål 260

I I Alarm og forrigling 261 11.1 Innleiande definisjonar 261 11.1.1 Styresmakten 261 11.1.2 Maskindirektivet 261 11.1.3 Utdrag av maskindirektivet 262 11.1.4 Døme på instruks for utkopling eller endring av tryggingsinnretningar 265 11.1.5 Døme på sikring av elektrisk oppvarma varmevekslar 267 11.1.6 Generelt om logiske styringar som kan programmerast, PLS 268 11.1.7 Nødavstenging (NAS) og prosessavstenging (PAS) 268 11.2 Døme på sikring av ein reaktor 269 11.3 Feilsikre system 270 11.4 Skilde system 271 11.5 Overbruing (forbikopling) 271 11.6 Forriglingsmatriser (FM) 274 11.6.1 Symbol som blir brukte i forriglingsmatriser 275 11.6.2 Døme på bruk av forriglingsmatrise for eit destillasjonsanlegg 276 11.6.3 Døme på NAS og PAS for destillasjonsanlegget 278 11.7 Kontrollspørsmål 278

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

1.1.1 Blokken Blokken brukes for å beskrive de ulike delene i et reguleringssystem. Signal 1

Utgang Signal 2

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.

0

50 100 Er-verdi

150

Figur 1.6 Øynene som måleomformere

16

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

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-verdien og finjusterer gasspedalen (pådraget) for å holde avviket lik null.

17

KAPITTEL 1

Motor

Kraft

Figur 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.

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 q* 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 1.14 Manuell regulering av nivået i tanken

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.

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.

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.

p kan sammenliknes med U i den ekvivalente RC-kretsen. I nivå­ tanken er inngangsstrømmen q^ -M

og utgangsstrømmen qu

\m3] L s J

q4 og qu tilsvarer strømmene I; og Iu i RC-kretsen. I nivåkretsen er strømningsmotstanden

Ap bar R = —— med enheten Hu m3 s I den elektriske RC-kretsen er den elektriske strømningsmotstanden

R -

24

~ med enheten

V A

Innledning og definisjoner

1.5.2 Nivåtankens kapasitet Tankens lagrede energi eller «ladning», Q, er gitt ved

Q =