Reguleringsteknikk 8200418162 [PDF]

Zitiervorschau

Karl-Erik Nordgren

Reguleringsteknikk

Bokmål

Universitetsforlaget

© Universitetsforlaget AS 1995 ISBN 82-00-41816-2

Originalens tittel: Allmån reglerteknik - faktabok Originalens copyright: © 1992 Karl-Erik Nordgren och Almqvist & Wiksell Forlag AB Det må ikke kopieres fra denne boken i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter 1995 til bruk i den videre­ gående skolen.

Oversatt til norsk av: Åsfrid Hegdal

Følgende firmaer har bidratt med illustrasjonsmateriale: ABB, Atlas Copco, Bofors Elektronik, CE-BIT Elektronik AB, Eurocontrol, Fischer & Porter, Honeywell, Tilquist, Inor AB, Instrumentfirma PEAB, Kryotherm AB, Landis & Gyr, Philips, Satt Control, Stone Elteknik AB, Svenske Siemens, Telemetric Instrument AB, Tour & Anderson AB. Valmet AB, Ostergrens Elmotor AB. Bildene 1.1 og 9.9 viser Valmets automatiseringssystem Damatic XD ved Papyrus i Nymolla.

Henvendelser om denne boken kan rettes til: Universitetsforlaget AS Boks 2959 Tøyen 0608 Oslo Tegninger: Anders Petterson Illustrasjoner: Hedvig Lindstrom Omslagsbilde: DCI-system for prosess-styring fra Fischer & Porter Omslag: Tor Berglie Sats: Brødr. Fossum AS, Oslo 1995 Trykk: GCS AS, Oslo

Forord Læreboken er en del av en læremiddelpakke (en lærebok og to tilleggshefter) innen emnet og tar for seg de mål og hovedmomenter som er beskrevet i læreplanen. Boken må sees i sammenheng med boken i styringsteknikk og industriell måleteknikk. Læremiddelpakken legger opp til selvstudium og har øvelser i et separat studiehefte som kan brukes til nettopp dette. For å stimulere elevene til å tenke mer kreativt er det også utfor­ met forslag til gruppearbeid og prosjektoppgaver. Denne formen for læring har vist seg å gi økt motivasjon og mer kritisk tenkning, samtidig som den oppmuntrer til skapende virk­ somhet. Dessuten må hver enkelt elev lære seg å ta ansvar og åutføre selvstendige arbeidsoppgaver. Boken gir innledningsvis generelle definisjoner for styring og re­ gulering og synspunkter på datasamfunnets framtidige utvikling. Boken følger prinsipper for kontroll og overvåking og gir en fram­ stilling av hvordan ulike reguleringssystemer er oppbygd. Deretter gis det en innføring i reguleringsobjektets egenskaper, i ulike reguleringsprinsipper og i reguleringstekniske funksjoner. Også de adaptive systemenes prinsipper, autotunerfunksjonen, foroverkopling o.l. blir belyst med praktiske eksempler. Videre behandles pådragsorganer med ulike typer reguleringsventiler, valg av reguleringsventiler, reguleringskoplinger og vedli­ kehold på grunn av kavitajson (slitasje) i ventiler. Det gis også ek­ sempler på justering, kalibrering og generell optimalisering av re­ gulatoren. Boken beskriver også prosessdatasystemer med ulike arbeidsopp­ gaver, DDC-styring og videobaserte systemer ved prosesstyring. Til slutt er det tatt med et avsnitt som omhandler styringstekniske servosystemer. Der beskrives den seneste tekniske utviklingen når det gjelder elektrohydrauliske systemer og AC- og DC-servosystemer, som er mye brukt i industrien. Bakerst i boken finner du et sammendrag av de viktigste styrings­ tekniske definisjonene som bygger på eksisterende standarder. I dette læremidlet inngår følgende komponenter: • Grunnbok • Studiehefte med forslag til prosjektarbeid • Øvelseshefte med forslag til maskinvare Til slutt vil jeg takke alle de firmaene som har stilt illustrasjons­ materiale til disposisjon. Jeg vil også uttrykke en varm takk til læ­ rere fra forskjellige skoler som jeg har samarbeidet med under ut­ formingen av læremidlet. Jeg er også takknemlig for konstruktive synspunkter for videre utvikling av læremidlet.

U niversitetsforlaget

Innhold 1 Reguleringsteknikk 7 Innledning 9 Utvikling og framtid 9 Kontrollutstyr 9 Styring og regulering 11 Styring 11 Manuell styring 11 Automatisk styring 12 Sentralstyring 12 Sekvensstyring 13 Regulering 14 Nivåregulering 15 Temperaturregulering 16 Hvorfor styrings- og reguleringssystemer? 16 Reguleringssystemets signalstørrelser 17 Blokkskjema 19 Funksjonsblokker 19 Signaler 19 Hva inngår i et reguleringssystem? 19 Egenskaper hos en funksjonsblokk 21 Sprangrespons 21 Ramperespons 21 Styringstekniske definisjoner 22 Oppsummering 22 2 Instrumentsymboler 23 Generelt om symboler for prosesstyring 24 Grunnleggende symboler for enkle målings- og styringsanlegg 24 Målepunkt 24 Linjer 25 Bokstavkoder for instrumentfunksjoner 26 Plassering av kodebetegnelsene 29 Alternativ plassering 29 Reguleringssløyfer med nummerbetegnelser 30 Lokalt monterte instrumenter 30 Panelmonterte instrumenter 30 Lokale kontrollpanel 31 Pådragsapparat 31 Forstillingsmekanisme 31 Automatisk forstillingsmekanisme 31 4

Flytskjema for reguleringssløyfer 32 Apparatfortegnelse 33 Panelmontert temperaturreguleringssløyfe 33 Lokalt montert srømningsregulator 34 Datastyrt instrumentfunksjon 34 Datastyrt treelementregulering (regulering med trippelmåling og tilbakekopling) 35

3 Reguleringssystemets oppbygning 37 Generelt om reguleringssløyfa 38 Generelt om reguleringssystemer 39 VVS-reguleringssystem 39 Givere 40 Reguleringssentralen 40 Plassering av målegiver 41 Givere og ventiler i fjernvarmeanlegg 41 Enkelt anlegg for fjernvarme 42 Symboler for luftbehandlingsanlegg 43 Komfortregulering med individuell regulering av rommene 44 Sekvensregulering av varierbar luftstrøm med kulde og varme 45 Regulering av romtemperatur med ventilasjonsanlegg 46 Varmepumpens prinsipp 46 Varmepumpens oppbygning og virkemåte 48 Kjølemaskinens prinsipp 49 Prosessreguleringsanlegg 50 Målegiver og måleverdiomformer 51 Regulator og skriver 52 Signaltilpasning av pådraget 53 Omforming fra strøm til trykk (7/P) 54 Oppsummering 55 4 Reguleringsobjektets egenskaper 57 Målenøyaktighet og linearitet 58 Hysterese 59 Tidskonstanten 59

Reguleringsobjektet (prosessen) 60 Kontrollkalibrering 62 Prosessens tidskonstanter (kapasitans) 64 Prosesser med én og flere tidskonstanter 65 Transportforsinkelse ved regulering av massestrøm 68 Reguleringssløyfas egenskaper 72 Oppsummering 73 5 Regulatorprinsipper 75 Innledning 76 Diskontinuerlig regulering 77 Flytende regulering 78 Kontinuerlig regulering 79 Proporsjonale regulatorer 80 Hva skjer når utstrømningen fra tanken øker? 80 Proporsjonalbåndet (P-båndet) 82 Stasjonært reguleringsavvik 83 Reguleringsavvikets størrelse 84 PI-regulatoren 85 Ulike innsvingningsforløp ved PIregulering 86 PD-regulatoren 89 PID-regulatoren 89 PID-regulatorens oppbygning 90 Integrerende krets 91 Deriverende krets 93 Ulike typer kompensasjonsledd 93 Huskeliste i reguleringsteori 95 Oppsummering 96 6 Reguleringstekniske funksjoner 97 Generelt om reguleringstekniske funksjoner 98 Elektroniske regulatorer 98 Av/på-regulatorer 98 Av/på-regulering med tilbakekopling 99 Tretrinnsregulatoren 102 Tretrinns stegregulator 103 Kontinuerlige regulatorer 103 Databasert regulator 104 Generelt om regulatorens funksjon 104 Adaptive funksjoner 105 Autotuner 106 Autotunerens arbeidsmåte 106

Ulike reguleringsfunksjoner 107 Følgeregulering 108 Foroverkopling (forstyrrelseskompensasjon) 108 Adaptiv foroverkopling 109 Prosessanlegg 110 Varmeenergi verk 110 Dampsystemer 111 Overvåking og regulering 112 Kaskaderegulering 113 Treelementregulering 115 Forholdsregulering 116 Forholdsregulering med forholdsreguleringssentral 117 Mikroprosessorstyrt prosessentral 118 Operatørkommunikasjon 118 Fleksible reguleringsstrategier (FCS Flexible Controller Strategy) 119 Oppbygning 119 Kommunikasjonsgrensesnitt 120 Easy-Tune™ 120 Applikasjonseksempel 121 Oppsummering 121 7 Pådragsorgan og forstillingsmekanismer 123 Generelt om pådragsapparatet 124 Elektriske forstillingsmekanismer 124 Hydrauliske forstillingsmekanismer 125 Pneumatiske forstillingsmekanismer 126 Luftmotorer 126 Lamellmotoren 127 Pneumatiske membranmotorer 128 Stillingsregulatoren 128 Pneumatiske stempelmotorer 129 Valg av riktig forstillingsmekanisme 130 Reguleringsventiler 131 Ventilstørrelse 131 Ventildimensjonering 132 Ventilkarakteristikker 133 Reguleringsområde 134 Valg av reguleringsventil 134 Spjeldventilen 134 Enkeltseteventilen 135 Dobbeltseteventilen 135 Treveisventiler 136 Kuleventiler (kulesektorventiler) 136

5

Ventilkoplinger 136 Vanlige koplinger i prosessindustrien 136 Koplinger i varme- og kjølebatterier 137 Koplinger i varmtvannsbatterier 137 Kavitasjon i ventiler (slitasje) 138 Oppsummering 140

DCI-systemet (Decentralized Computer Interface) 158 DCI-sentralens oppbygning 159 Datastyrt papirproduksjon 159 Innprogrammerte oppskrifter 161 Digital kvalitetskontroll 161 Kjemimekanisk framstillingsmetode 161

8 Optimalisering av regulatoren 141 Generelt om justering 142 Kalibrering 142 Trimming 142 Datamaskinbasert måleutstyr 143 Bruk av operatørenheten 144 Optimaliseringsmetoder 145 Ziegler-Nichols metode 145 Tommelfingerregelmetoden 146

10 Styringstekniske servosystemer 163 Elektrohydrauliske servosystemer 164 Målegivere 165 Elektroniske funksjoner 166 Servoventiler 167 Ventilregulering 167 Turtallsregulering 168 Posisjonering med elektrisk styrte servosystemer 170 Generelt om posisjoneringssystemer 170 Tilpasning til PLS-systemer 170 AC-servosystem 170 Posisjonering 171 Servomotoren 171 Servoforsterkeren 171 Digitalt servosystem 172 Generelt om digital styring 172 Oppbygning og virkemåte 173 Børsteløse motorer 174 Pulsgiveren 174

9 Prosessdatasystemer 149 Generelt om prosessdatasystemer 150 Prosessdatamaskinens arbeidsoppgaver 151 Styring av skal-verdier 152 DDC-styring 152 Manøvreringstablå med innlesningsenheter 152 Ut-enheter for presentasjon 152 Primær- og sekundærminne 153 Primærminnet (primærhukommelsen) 153 Sekundærminnet (sekundærhukommelsen) 154 Prosessdatamaskinens utvikling 155 Contronic-systemet ved satsvis produksjon 156 Valg og endring av oppskriften 157 Satsvis kjøring 158

6

Tillegg 175 Styringstekniske definisjoner 176 Reguleringsutstyrets funksjoner, størrelser og signaler 178 Karakteristiske egenskaper hos en funksjonsblokk 180

Stikkord 181

1 Regulerings­ teknikk

Målet med dette kapitlet er å gi en grunnleggende innføring i reguleringsteknikk med vekt på blant annet: • kunnskap om kontroll og overvåking • forskjell mellom styring og regulering • vanlige reguleringstekniske begreper • blokkskjemaer og egenskaper for funksjonsblokker

7

Prosessanlegget. Målegiver og måleverdiomformer, pådragsapparat med signaltilpasning for elektronikk/pneumatikk.

Figur 1.2 Instrumentanlegg

8

Innledning I denne læreboken skal vi til å begynne med beskrive hvordan et moderne instrumentsystem med regulatorer, prosessdatamaskin, kontroll og overvåking er bygd opp. På den øverste delen av figur 1.2 ser du hvordan et kontrollrom er koplet sammen med måleutstyr og apparatrom. I kontrollrommet finner du prosessdatamaskinen og regulatorer som virker som sekundær-/nødsystem (engelsk: back-up) hvis datamaskinen skulle falle ut. Dessuten finner du her det andre utstyret som trengs for kontroll og overvåking. Dette utstyret styres av en operatør.

I apparatrommet med måleutstyret finnes tilpasningsenheter med signalomformere og A/D- og D/A-omformere. Lengst ned på bildet ser du hvilke ulike målegivere, måleverdiomformere, pådragsapparater o.l. som kan inngå i selve prosessanlegget.

Utvikling og framtid Dagens elektroniske utvikling åpner for uante muligheter når det gjelder å utvikle målings-, styrings- og reguleringssystemene i industrien. Særlig har bruken av mikroprosessorer eller datamaskiner i målings-, styrings- og reguleringssystemer blitt en selvfølge.

Den moderne datateknikken har medført at vi allerede i dag lever i det vi kan kalle datasamfunnet, ettersom vi finner datamaskiner på de fleste arbeidsplasser innen industrien, hos myndighetene, på sykehus, i banker osv. I hjemmene våre blir komfyrer, vaskemaskiner, brann­ alarmer og tyverialarmer mer og mer styrt av datateknologi.

Kontrollutstyr Til et kontrollanlegg hører hjelpeutstyr som består av apparater og maskiner som skal styre og overvåke prosessanlegg, anlegg for dis­ tribusjon og forbruk av energi osv.

Med kontrollanlegg mener vi anlegg som brukes til styring, overvå­ king og rapportering, så vel som utstyr til fjernkontroll osv.

På figur 1.3, side 10, ser du ulike funksjoner som inngår i et kon­ trollanlegg. De fleste instumentprodusenter har omfattende programmer for prosesskontroll og kan derfor tilby ulike systemer for overvåking innenfor kraftverkindustrien og andre industrielle områder.

9

Det finnes blant annet overvåkingssystemer for kontroll av måleverdier og feilsignaler for produksjonsstyring innen industrien og for tilvirkning og kontroll i svært komplekse anlegg. Dessuten fin­ nes komfortreguleringssystemer for forretningsbygg og sykehus osv. Ventilasjonsanlegg, heiser, dører, rørsystemer og belysning er eksempler på anlegg som må overvåkes.

Figur 1.3 Kontrollanleggets ulike funksjoner. Man kan si at oppgaven til et kontrollanlegg er åovervåke og samtidig beherske

Med overvåking mener vi her den delen av prosesskontrollen hvor informasjonen fra prosessen samles inn og presenteres for operatø­ ren. Disse overvåkingssystemene kan variere i størrelse fra enkle feilsignalsystemer med flaggreleer til store databaserte systemer med flere fargeskjermer og kompleks signalbehandling.

Ut fra det som for eksempel presenteres på dataskjermene, gir ope­ ratøren systemet ordre fra kontrollpanelet.

Kontroll innebærer at alt som kontrolleres, er i orden, og at alt går som det skal. A kontrollere betyr å overvåke og samtidig beherske. 10

De viktigste driftsfunksjonene kontrolleres med et overvåkingsap­ parat (for eksempel en temperaturgiver eller et apparat som kontrol­ lerer nivå og hastighet) som avgir et elektrisk signal når avviket bhr for stort i forhold til de tillatte verdiene. Disse signalene er indika­ torens inn-størrelser.

Forstyrrelser i driften indikeres optisk ved at det blinker på kon­ trollpanelet, og akustisk gjennom høyttalere eller sirener.

Styring og regulering Styring og regulering av teknisk utstyr er ikke en ny teknikk, etter­ som kravet om automatiske funksjoner har eksistert lenge. Med dagens elektroniske utvikling tilbys stadig ny teknikk som for­ bedrer styrings- og reguleringssystemene. Innenfor styrings- og reguleringsteknikken bruker man en rekke betegnelser og faguttrykk for å beskrive ulike funksjoner, for ek­ sempel i en styringssløyfe.

Figur 1.4 Manuell styring

Definisjoner som gjelder styrings- og reguleringsteknikk, kan du studere nærmere i standardene IEC 50(351), NS 1438 og ISO 3511. I forbindelse med at vi beskriver ulike styrings- og reguleringsfunksjoner, kommer vi til å presentere gjeldende definisjoner, fagut­ trykk, betegnelser og begreper.

Styring Styringsbegrepet innebærer en hensiktsmessig påvirkning av et re­ guleringsobjekt (prosess), for eksempel romtemperaturen, moto­ rens turtall eller skipets kurs. Når styringen utføres av mennesker, snakker vi om manuell styring (se figur 1.4).

Manuell styring Du kan studere et annet eksempel på manuell styring på figur 1.5. Her gjelder det å justere den riktige dusjtemperaturen ved hjelp av kaldtvanns- og varmtvannskranene.

Figur 1.5 Manuell styring av dusjvannet

11

Figur 1.6 viser en elektrisk motor som skal ha et visst omdreiningstall per minutt. Operatøren leser av turtallet (er-verdien) ved hjelp av et instrument og justerer så inn det riktige turtallet med pådragsapparatet, slik at er-verdien stemmer overens med skal-verdien.

Figur 1.6 Operatøren justerer manuelt slik at han får det riktige turtallet. Det må ikke oppstå avvik mellom er- og skal-verdi

Automatisk styring Automatisk styring er styring som utføres uten at mennesker griper inn i styringssystemet. I den automatiske styringen inngår en funk­ sjon som vi kan kalle automatikkfunksjonen.

Denne automatikkfunksjonen inneholder faste eller fleksible pro­ grammer som er tilpasset den prosessen som skal styres. De vanligste styringsprinsippene som gjelder ved automatisk sty­ ring, er:

• sentralstyring med program • sekvensstyring eller følgestyring

Sentralstyring Denne typen styring kjennetegnes ved at automatikken styres ut fra tid. Styringen kan utføres ved hjelp av tidsur eller et sentralt plas­ sert program. Programmet er tidsstyrt, noe som innebærer at de 12

ulike funksjonene som skal påvirke pådragsapparatet. koples inn på bestemte tidspunkt.

Programmet kan ha følgende givere for å frambringe styrepulser: • kamskiver • kamkurver • kambånd

Figur 1.7 Prinsipp for sentralstyring med program

Programstyring kan også utføres i kombinasjon med en digital kontaktløs elektronisk konstruksjon. Den databehandlingen som utfø­ res ved automatisk styring, er en sentralisert automatisk måleverdibehandling som ofte er en slags programstyring, og som også ofte har regne- og hukommelsefunksjoner.

Når vi har regnefunksjoner ved automatisk styring, er deres opp­ gave å regne ut ulike posisjoner til for eksempel måling, kapping og beregning av hastigheter for verktøymaskiner og ulike fabrikkprosesser ut fra ulike prosessdata.

Figur 1.8 Eksempel på et tidsprogram ved programstyring

Sekvensstyring Ved sekvensstyring påvirkes de aktivitetene som mates inn i syste­ met, i en bestemt rekkefølge. Hver ny påvirkning må skje etter at den foregående er utført og dette er bekreftet.

13

Kommandobearbeiding Sekvensstyring av start- og stopp samt andre styrefunk­ sjoner

Figur 1.9 viser dette prinsippet. Styringsanlegget utfører bearbei­ delsen av kommandoene ved å starte og stoppe ulike delmomenter etter kvitteringssignaler fra de ulike måleapparatene.

Sekvensstyring bruker vi ofte ved transportbåndanlegg der kvitte­ ringssignaler gjelder som forrigling mellom de ulike deltransportbåndene.

Figur 1.10 viser et transportbånd, der startsekvensen alltid innledes med at det båndet som sist ble lastet, starter, altså det båndet som er lengst bort fra matetrakten. Stoppsekvensen innledes derimot med at det båndet som først ble lastet, stopper først. Figur 1.9 Sekvensstyring

Kontroll- -4 oppgave Figur 1.10 Transportanlegg der transportbåndene A, B og C styres i sekvens

Regulering Regulering betyr en lukket styringssløyfe hvor man måler den regu­ lerte størrelsens verdi, er-verdien, som deretter sammenliknes med den ønskede verdien (skal-verdien) i sammenlikneren (komparatoren). Differansen mellom de to verdiene gir grunnlag for et utgangssignal fra et forsterkerelement. Dette signalet kalles et pådrag og skal sette pådragsapparatet i riktig stilling.

14

Nivåregulering Når det gjelder regulatorer, har vi innledningsvis valgt å vise regu­ lering ved hjelp av en selvjusterende, mekanisk nivåregulator. Se figur 1.11.

Du ser at dette er en åpen beholder, der tilstrømningen gjennom sluse A og utløpet gjennom reguleringsventil C kan økes eller min­ skes. Regulatoren består av flottøren (giveren), hevarmen og regu­ leringsventilen.

Figur 1.11 Automatisk regulering ved hjelp av en selvjusterende nivåregulator

I nivåregulatoren styres reguleringsventilen av flottørens stilling via hevarmsystemet. Dette reguleringsprinsippet kaller vi kontinuerlig regulering fordi det finnes en kontinuerlig sammenheng mellom skal- og er-verdi. Økning eller minsking av vannmengden, som avhenger av hvilken innstilling sluse A har, utgjør prosessens belastning.

Det ønskede nivået stilles inn ved hjelp av skal-verdi-innstillingen B, og regulatorens følsomhet (forsterkningen/P-båndet) reguleres ved at man endrer lengden (opplagringspunktet) på hevarmen. Ved en forskyvning i retning av M minskes P-båndet, noe som gjør at regulatorens følsomhet øker. Vi snakker da om en økt forsterk­ ning ved en endring i belastningen. En endring i motsatt retning (mot 0) øker P-båndet, med en minsket forsterkning som resultat. Et økt P-bånd betyr dermed at reguleringsventilen kommer til å be­ vege seg mindre for å endre utstrømningen fra sluse A, og at vi får et såkalt reguleringsavvik.

Figur 1.12 viser et blokkskjema med ulike byggeelementer som danner en lukket sløyfe, det vil si en reguleringssløyfe. Ved styring har vi en åpen sløyfe fordi vi ikke har noen målegiver som tilbake kopler er-verdien. Sammenlikner

Figur 1.12 Blokkskjema for nivåregulering

15

Temperaturregulering Vi skal foreta en sammenlikning og vise hvordan man kan konstru­ ere en enkel temperaturregulator og erstatte den manuelle styringen av dusj vannet som du så på figur 1.5.

De manuelle bevegelsene kommer nå til å styres av elektriske sig­ naler som påvirker regulator og pådragsapparat slik at dusj vannet får en passe temperatur. Se figur 1.13. Den ønskede temperaturen, skal-verdien, stilles inn og sammenlik­ nes siden med er-verdien i sammenlikneren/komparatoren. Avviket mellom de to signalene, et differansesignal, forsterkes deretter i forsterkeren og går videre til pådragsapparatet, som øker eller min­ sker tilstrømningen av varmt eller kaldt vann. Regulatoren, som her består av sammenlikner og forsterker, trenger også en målegiver som måler er-verdien. Regulatorens oppgave blir deretter å holde vannets temperatur konstant uansett eventuelle for­ styrrelser fra for eksempel varierende vanntilførsel fra tilførselssystemet. Figur 1.13 Regulering av dusj vann

Vi kan konstatere at følgende ting skjer ved regulering:

• • • •

måling av er-verdien tilbakekopling av er-verdien sammenlikning av skal- og er-verdi forsterkning av sammenliknerens differansesignal (reguleringsavviket) • det forsterkede signalet, det vil si pådraget, påvirker pådrags­ apparatet

Figur 1.14 Blokkskjema for regulering av dusjvann

Hva er forskjellen mellom styring og regulering? Regulerer eller styrer man ni man slår lyset på og av?

Er en lukket styresløyfe det samme som en regulering?

Hvorfor styrings- og reguleringssystemer? Den vanligste årsaken til at man innfører automatisering ved hjelp av styrings- og reguleringsteknikk, er at man vil redusere kostna­ dene ved ulike typer produksjon. Andre viktige fordeler ved automatisering er at arbeidsmiljøet kan forbedres for den enkelte ansatte. Mange fysisk krevende, skitne, bråkete og miljøfarlige arbeidsplasser kan nå fjernes ved at man kan ta i bruk datateknologi.

16

Reguleringssystemets signalstørrelser Med utgangspunkt i blokkskjemaet (figur 1.15) skal vi bli kjent med de vanligste signalfunksjonene som brukes i et reguleringssys ­ tem. Begynn med å lese blokkskjemaet der skal-verdien stilles inn. . ■ • ’c

Skal-verdi

T-* /

\ /.

Referansestørrelse

størrelse Omformer

Differanse.— størrelse --------------Kompensetmg

i

Forsterker

Sammenlikner ‘Omformet ER-verdi Måleverdiomformer

Lukket styresløyfe

Pådrags- ... apparat

Måtegiver

Pådrag

Regulert størrelse

Prosess Enkelt med lukket styring Bare å stille inn Skal-verdien

Den manuelle stynngen blir ganske arbeids-

1 Innstilling av skal-verdi 2 3 4 5

(ønsket temperatur) Regulator Giver for vanntemperaturen Giver for temperaturen Pådragsapparat

Figur 1.15 Blokkskjema og prinsippskisse over et reguleringssystem for temper­ aturregulering av en villa. I dette systemet kopler man ofte sammen sammenlikner, kompensasjonsenhet (stabiliseringsledd) og forsterker til en enhet, som kalles reg­ ulator.

Skal-verdien Den ønskede verdien til en størrelse på et visst tidspunkt — om ikke noe annet påpekes, den regulerte størrelsens ønskede verdi.

Referansesignalet Den størrelsen som etter signalomforming representerer ønsket verdi. Dette er den inn-størrelsen til et system som den styrte eller regulerte størrelsen skal følge (tidligere kalt ledeverdi). Denne ver­ dien kan for eksempel være et strømsignal i området 4-20 mA.

17

Sammenlikneren Funksjonsblokk som sammenlikner to inn-størrelser ved å finne differansen mellom dem, hvor differansesignalet er ut-størrelsen fra funksjonsblokken.

Differansestørrelsen Ut-størrelsen fra sammenlikneren/komparatoren i et regulerings­ system. Denne signalstørrelsen kalles ofte reguleringsavvik, reguleringsdifferanse eller feilsignal.

Er-verdien En verdistørrelse på et visst tidspunkt — om ikke annet blir sagt: signalrepresentasjon av den regulerte størrelsens verdi. (Dette er som regel et signal fra en målegiver.)

Signalomformer Et apparat som omformer et signal fra en fysisk størrelse til en an­ nen. Dette kan for eksempel være en omformer som omformer et strømsignal til et pneumatisk trykk-signal (Z/P-omformer).

Regulert størrelse Den størrelsen i et reguleringsobjekt/en prosess som reguleres eller styres. Størrelsen kalles også prosessverdi eller prosesstilstand. (I forbindelse med et styringssystem kalles størrelsen en styrt stør­ relse.)

Kompensasjonselement (stabiliseringsledd) Funksjonsenhet som har til oppgave å gi stabilitet, eliminere for­ styrrelser, kompensere for varierende belastninger og forbedre sys­ temets ytelse.

Forsterker Apparat som får energi fra en ytre kilde, og hvor ut-størrelsen er en gitt funksjon av inn-størrelsen, men på et høyere energinivå.

Pådrag Den størrelsen som er ut-størrelsen fra reguleringsanlegget og innstørrelsen til prosessen.

Pådragsapparat Apparat som fysisk påvirker prosessen, og som inneholder enheter for energiomforming. For mekaniske organer kan man noen ganger bruke betegnelsen forstillingsmekanisme.

Forstyrrelse Størrelse som kan gi en ikke ønsket påvirkning av prosessen/reguleringsobjektet. Dette kan for eksempel være uønsket påvirkning fra utetemperatur og vind på en temperaturregulering.

18

En viktig faktor når det gjelder reguleringssløyfas funksjon, er hvilke forstyrrelser som kan påvirke reguleringen. Vi skal derfor gi noen eksempler på forstyrrelser som kan påvirke en leilighet med temperaturregulering, se figur 1.16.

Figur 1.16 Eksempel på ytre og indre forstyrrelser som kan påvirke reguleringsforløpet W = skal-verdi, X = er-verdi, Y = pådrag, V= forstyr­ relse

Her kan det oppstå både ytre og indre forstyrrelser som ut fra et reguleringsteknisk synspunkt kan påvirke reguleringsfunksjonen ne­ gativt. De ytre forstyrrelsene er først og fremst en varierende utetemperatur, vind og solstrålenes innvirkning. Indre forstyrrelser kan oppstå ved oppvarming fra personer, maskiner, belysning osv. Et menneske kan avgi varme som tilsvarer fra 100 til 1000 W, av­ hengig av aktivitet. Denne typen forstyrrelser kommer til å påvirke reguleringsforløpet når mange mennesker er samlet i et lokale, for eksempel ved forelesninger, i skoler o.l.

Blokkskjema Funksjonsblokker Når vi skal redegjøre for de tekniske sammenhengene i regulering­ steknikken, tegner vi ofte blokkskjemaer, der de ulike apparatene eller komponentene representeres ved ruter eller blokker. Hver komponent eller hvert komponentsystem som symboliseres med en slik rute, utgjør en funksjonsblokk eller et ledd.

Signaler Blokkene knyttes sammen med linjer som representerer de signa­ lene som går mellom dem. Signalene representerer de ulike størrel­ sene som finnes i reguleringssystemet. Hver blokk har én eller flere inn-størrelser og som regel én ut-størrelse. Se figur 1.17. Signalene kan bare gå i én retning i systemet, og denne retningen markeres med piler. Signalene kan ikke forandres på vei mellom blokkene, men derimot omformes de på forskjellige måter når de passerer gjennom ulike funksjonsblokker. De ulike signalfunksjonene mel­ lom blokkene kan velges gjennom omkoplingsmuligheter i måleverdiomformere, i regulatorer eller i datamaskinenes grensesnitt/ tilpasningsenheter.

Hva inngår i et reguleringssystem? I alle prosesser som skal automatiseres, er signaltilpasningen og de ulike målegiveme de viktigste forutsetningene for at regulerings­ systemet skal fungere slik vi ønsker. Dette gjelder uansett om en prosess skal kjøres automatisk eller manuelt. Vi må alltid ha en nøyaktig måleinformasjon. All måleteknisk informasjon i form av

19

analoge eller digitale signaler må tilpasses instrumenteringen og gi minst mulig treghet i systemet. Det inngår ulike typer utstyr i et tilpasningsledd. De fleste systemer har byggeelementer for signalforsterkning og signalomforming. Fra styringsanlegget til instrumentsystemet går det signaler til pådragsapparatet med tilhørende omformer for å bearbeide proses­ sens råmateriale. Vi trenger hjelpeenergi for å drive de ulike regulatorenhetene, de elektriske og pneumatiske forstillingsmekanismene og ventilene og pådragsapparatene. Se figur 1.18.

Operatøren har et komplett instrumentpanel til hjelp. Panelet utfø­ rer beregninger (datarutiner), presenterer data, tar imot ordre o.l. Dette anlegget skal også i størst mulig grad styre, regulere og over­ våke hele prosessen automatisk.

Systemets forskjellige styringsvariabler og inngangssignaler tilpas­ ses styresystemet via omformere og forsterkere ved hjelp av elek­ tronikk, pneumatikk eller hydraulikk osv. Begrepet prosessautomatikk innebærer følgende:

Prosess Et sted hvor et råmateriale omformes fysisk eller kjemisk til et fer­ dig produkt

20

Automatikk Et automatisk system som krever styring og regulering En automatiserbar prosess må oppfylle visse krav:

• Alle ønskede informasjoner må måleteknisk kunne tilpasses au­ tomatisk databehandling. • Måleverdier i form av elektriske signaler fra for eksempel resistans-, termoelement- og strømningsgivere må være kontroller­ bare og reproduserbare.

Figur 1.19 Blokkskjema over en helautomatisk pros­ ess

Et helautomatisk system kan betraktes som en lukket prosessløyfe der det automatiske anlegget arbeider uten noen innblanding ver­ ken fra operatør eller annet driftspersonale. Se figur 1.19.

Egenskaper hos en funksjonsblokk Før vi går videre og studerer reguleringssystemets byggeelementer, skal vi først se hvordan man kan tyde ulike overføringsfunksjoner og tidsresponser. Lenger fram, i avsnittet om regulatorprinsipper, kommer du til å få inngående kjennskap til hvordan disse fungerer i praksis.

Overføringsfunksjon (transferfunksjon) Tidsavhengig forhold mellom utgangs- og inngangssignaler.

Innstørrelse

Forsterkning t

r

= Tidkonstant

7"(j = Forsinkelse/dødtid

Forholdet mellom utgangssignalets amplitude og tilsvarende am­ plitude hos inngangssignalet i et lineært system med stasjonære sinusformede signaler.

Sprangrespons

Figur 1.20 Ulike sprangresponser hos en funksjons­ blokk

Innstørrelse

Figur 1.21. Ramperespons hos en funksjonsblokk

En sprangrespons er en tidsrespons for et system som påvirkes ev en sprangvis/trinnvis forandring av en av inn-størrelsene, for ek­ sempel når skal- eller er-verdi hurtig forandres i forhold til sin likevektsstilling. Figur 1.20 viser sprangresponsen hos en funksjons­ blokk, hvor tidskonstanten også utgjør et mål for tregheten.

Ramperespons En ramperespons er en tidsrespons for et system som påvirkes av en inn-størrelse som består av en rampefunksjon (en lineært stigende/ fallende størrelse). Det skjer for eksempel når skal- eller er-verdien forandres med konstant hastighet. Figur 1.21 viser et eksempel på en ramperespons.

21

I styrings- og reguleringsteknikken bruker vi mange faguttrykk for at vi helt nøyaktig skal kunne beskrive de ulike funksjonene til en reguleringssløyfe. Hvis du får problemer med å tyde ulike begrepet i de forskjellige studieavsnittene, kan du gå fram til side 175 og sammenlikne med blokkskjema og ordliste. De definisjoner som gjengis i denne læreboken, kan også stude­ res i standardene IEC 50(351) og ISO 351L (Internasjonale stan­ darder brukes fordi Norge ennå ikke har fått så mange standarder for dette fagområdet.)

Oppsummering For hvert kapittel du leser i grunnboken, følger en oppsummeringsrute som denne, hvor du får repetert det viktigste inn­ holdet.

• Styring betyr hensiktsmessig påvirkning av det objektet som styres, for eksempel styring av en bil.

• Regulering er en lukket styringssløyfe der man ved målin­ ger tilbakekopler måleverdien til regulatoren.

• I regulatoren sammenliknes er-verdien (måleverdien) med skal-verdien. Deretter brukes differansestørrelsen mellom er- og skal-verdien (avviket) til å påvirke pådragsapparatet via en forsterknings-Tkompensasjonsenhet. • Med kontrollutstyr mener vi styrings-, overvåkings- og rapporterings utstyr.

Kontrolloppgave

22

• Å kontrollere et system betyr å overvåke og samtidig beher­ ske.

2 Instrumentsymboler

Målet med dette kapitlet er å gi en oversikt over reguleringstekniske instrumentsymboler. Dette omfatter spesielt: • utseendet • plassering • merking og nummerering • koder • oppbygning av flytskjemaer • spesialsymboler for datastyrte funksjoner

23

Generelt om symboler for prosesstyring Før vi går videre og studerer ulike reguleringssystemer, skal vi gjøre oss kjent med de viktigste symbolene som gjelder for prosesstyring. Den internasjonale standarden har blitt utformet i fire deler:

Grunnleggende symboler som først og fremst gjel­ der teknisk tegning for enkle prosessmålings-, sty­ rings- og instrumenteringsanlegg (denne finnes også som norsk standard — NS 1438) ISO 351 l/II: Tillegg til grunnleggende symboler ISO 3511 /III; Detaljerte symboler for koplingsskjemaer ISO 3511/IV: Grunnleggende symboler for prosessdatafunksjoner (funksjonssymboler) ISO 3511/1:

Sammen skal disse fire standardene utfylle behovene til dem som skal benytte seg av mer avansert målings- og styringsutstyr, og som vil bruke måletekniske særegenheter. Videre skal det gis et standardisert symbolspråk for prosessfunksjoner og instrumentering. Disse symbolene er ikke ment å skulle er­ statte grafiske symboler for elektronisk utstyr. Standarder for symbolkodene er utgitt i IEC publikasjon nr. 617 (tidligere IEC 117).

Grunnleggende symboler for enkle målings- og styringsanlegg Vi begynner med å beskrive de definisjoner og symboler som gjelder ifølge ISO 3511/1. De definisjonene som gjengis fra standarden, er først og fremst ment til å lette bmken og tolkningen av symbolsystemet.

Fast definerte symboler er spesielt viktig ved service og vedlike­ holdsarbeid. Skjemaer som brukes for eksempel til feilsøking, må ha entydige symboler og kodebetegnelser for at man raskt skal kunne finne og reparere feil. Følgende definisjoner brukes utelukkende i internasjonal standard for å lette bruken og forståelsen av symbolsystemet.

Målepunkt Målepunktet er et sted i prosessen der måling utføres eller kan utføres.

Symbolet er en fin linje vinkelrett mot strømnings-/prosesslinjen eller mot konturlinjen til en anleggsdel. Om den fine linjen ikke er

24

knyttet til et instrumentsymbol, skal en bokstavbetegnelse ifølge ta­ bellen plasseres ved linjen for å angi målestørrelse.

Målepunkt for temperaturmåling som ikke er permanent tilkoplet et instrument

Symbolet skal være riktig plassert i prosessen, men behøver ikke å angi geografisk posisjon.

Linjer Anleggsdeler, det vil si prosessrørledninger, prosesslinjer og kontu­ ren av en beholder o.l. som inngår i en prosess, angis vanligvis med en hel, grov linje. Dessuten brukes følgende linjetyper: Symbolet for et instruments tilkopling til en anleggsdel er en hel linje som er finere enn linjen for anleggsdelen eller prosesslinjene.

Som symbol for en instrumentledning/signalledning brukes en hel, fin linje med gjentatte tverrstreker. Disse tverrstrekene heller på skrå ca. 60° mot linjen.

—y------ /------ /—i— Hvis vi ikke risikerer misforståelser, kan tverrstrekene utelates.

Kryssende signalledningssymboler uten forbindelse vises slik:

25

Signalledninger med forbindelse vises slik:

Forbindelsespunktets diameter skal være ca. fem ganger så tykt som de tilhørende linjene. Hvis det er nødvendig, angis signalretningen med en pil: 7-^------ /------ /■ Ved prosesstyring i mer komplekse anlegg kan det være ønskelig å tyde ulike signalledninger på en enklere måte. I standarden ISO 3511/II har man derfor innført en merking som tegnes inn på signalledningen med regelmessig avstand. Se tabell 2.1.

Tabell 2.1 Symboler for prosess- og signalledninger Symbol

Presisering Prosessrørledning

-7?----------------- &-

-A--------- A~£------- ± ------- *-

Elektrisk signal (E)

Pneumatisk signal (A)

Hydraulisk signal (L) Kapillar signalledning (X) Optisk fiber (****)

Bokstavkoder for instrumentfunksjoner Ved utarbeidelse av prosessflytskjemaer er det viktig at man bruker riktige bokstavkombinasjoner for de ulike instrumentfunksjonene. Tabell 2.2 viser en oversikt over gjeldende bokstavkoder basert på ISO 3511/1 og ISO 3511/11.

Funksjonskoden skrives inn i symbolet med store bokstaver. Der angis koden for målt eller styrt variabel. Det samme gjelder den på­ følgende bokstav for indikering eller utgangsfunksjon. Store bok­ staver foretrekkes ved presisering, men man kan bruke små boksta­ ver hvis det letter forståelsen. 26

Tabell 2.2 Koder for styringsfunksjoner

Del 1: Første bokstav for målt eller initiert størrelse

Kode

Densitet (tetthet) Alle elektriske størrelser Strømning Måling av posisjon eller lengde Manuell påvirkning Tid eller tidsprogram Nivå Fuktighet/relativ fuktighet Eget valg Eget valg Trykk eller vakuum Kvalitet (for eksempel analyse, konsentrasjon, konduktivitet) Radioaktiv stråling Hastighet eller frekvens Temperatur Multivariabel, for eksempel flere variabler Viskositet Vekt eller kraft Uklassifisert variabel Eget valg

D E F G H K L M N 0 P

Del 2: Andre bokstav for presisering

Kode

Differanse Forhold Søking eller leting (scanning) Integrering eller summering

D F J Q

Q R S T U V

w X Y

Fortsettes neste side 27

Tabell 22 fortsettelse

Del 3: Påfølgende bokstaver for indikering/ utgangsfunksjon

Alarm Vise tilstand (for eksempel motor i drift) Regulering/lukket styring (engelsk: control) Føler/sensor Indikerende visning Eget valg Prøve- eller testpunkttilkopling Integrerende eller summerende Skrivende/registrerende Kontaktfunksjon Målegiving av variabel (måleverdiomformer) Flerfunksjonsenhet Ventil/spjeld/sjalusi/manøvreringsorgan/ uspesifisert pådragsapparat/ reguleringsenhet Uklassifiserte funksjoner (for eksempel signalomformer av type I/P) Målende relé / relé Nød- eller sikkerhetsfunksjon

Kode

A B C E I N P Q R S T U V X Y Z

Den første bokstaven i tabellen angir den målte eller initierte stør­ relsen, for eksempel L for nivå, P for trykk eller vakuum. Den andre bokstaven kompletterer koden med presisering, for eksempel for­ hold ved forholdsregulering av to strømningsmengder. Når en instrumentbetegnelse skal kompletteres med ytterligere en eller flere bokstaver, skal disse alltid plasseres etter hverandre i føl­ gende bokstavrekkefølge: I, R, C, T, Q, S, Z,A.

Disse bokstavene som står i den nedre del av tabellen, angir indikerings- eller utgangsfunksjon, for eksempel om instrumentfunksjonen er indikerende, skrivende, alarmgivende o.l. Sammenstillingen nedenfor viser eksempler på hvordan ulike instrumentfunksjoner kan markeres med kodebetegnelser.

Eksempler på kodekombinasjoner: Dell: Trykk ---------------------------------------- P D A Del 2: Differanse ----------------------------------------- 1 Del 3: Alarm ----------------------------------------------------- 1 Del 1: Strømning---------------------------------- F T Del 3: Målegiving --------------------------------------- 1 28

Del 1: Strømning---------------------------------- F X Del 3: Signalomforming I/P --------------------------

Del 1: Strømning---------------------------------- F F C Del 2: Forhold --------------------------------------------- 1 Del 3: Regulering --------------------------------------------- 1 Del 1: Strømning-----------------------------------FOR Del 2: Summering --------------------------------------- Del 3: Registrering -------------------------------------------- 1 Del 1: Strømning---------------------------------- F I R Del 2: Indikering -----------------------------------------Del 3: Registrering -------------------------------------------- 1

C

Del 3: Regulering --------------------------------------------------Del 1: Nivå------------------------------------------ LIR Del 2: Indikering ----------------------------------------- ■ Del 3: Registrerende skriver ------------------------------- 1 Del 1: Nivå------------------------------------------ L I C Del 3: Indikering -----------------------------------------Del 3: Regulering --------------------------------------------- 1

A

Del 3: Alarm ---------------------------------------------------------Del 1: Temperatur-------------------------------- T T Del 3: Målegiving -------------------------------------- 1 Del 1: Temperatur--------------------------------- T I C Del 3: Indikering --------------------------------------- 1 Del 3: Regulering --------------------------------------------- 1

Plassering av kodebetegnelsene Bokstavkombinasjonen skal alltid plasseres innenfor sirkelen. For instrumenter som er panelmontert, skal den vanligvis plasseres i den øvre sirkelhalvdelen.

Indikerende og registrerende nivåregulator som gir alarm ved (H) høyt og CL) lavt nivå.

Alternativ plassering Innenfor sirkelen kan man også tillate en noe annen plassering på den betingelsen at bokstavene for den målte eller initierte variabe­ len plasseres i sirkelens øvre venstre del. 29

Ytterligere bokstaver som trengs for å bestemme funksjoner, plasseres utenfor, men inntil symbolet. For eksempel L eller H, som angir at alarm skal utløses ved for lavt eller for høyt nivå.

Reguleringssløyfer med nummerbetegnelser I industrien, hvor flere instrumentfunksjoner inngår i samme reguleringssløyfe, merker man alle symbolene med et identifikasjons­ nummer.

Disse ID-numrene skal plasseres enten i eller inntil sirkelen. I sirkelen skal nummeret vanligvis plasseres under bokstavbetegnelsen, og ved panelmonterte instrumenter skal det plasse­ res i den nedre sirkelhalvdelen.

Lokalt monterte instrumenter Instrumentsymbolene består av en sirkel som er tegnet med en fin linje. En bokstavkode inne i sirkelen angir målt egenskap og funk­ sjon, for eksempel betegnelsen F = strømning, R = registrering/ skriver og C = regulering.

Panelmonterte instrumenter Med dette mener vi instrumenter som er montert slik at det er til­ gjengelig for operatøren. Symbolet er en sirkel med ca. 10 mm i di­ ameter og en fin linje horisontalt gjennom sirkelen. Linjen kan plas­ seres i hvilken som helst høyde inne i sirkelen.

30

Lokale kontrollpanel Instrumenter på lokale kontrollpaneler kan spesifiseres ved å legge til en ekstra horisontal linje gjennom symbolet. Dette panelet kan da identifiseres med en kommentar ved siden av symbolet, for ek­ sempel en trykkindikator på kompressorpanelet.

Kompressor

Pådragsapparat Dette er en enhet som inneholder flere elementer (forstillingsmekanisme og pådragsorgan) som påvirker reguleringsobjektets/prosessens tilstand som respons på signal (pådrag) fra en regulator. Sym­ bolet er en kombinasjon av symbolene for forstillingsmekanisme og pådragsorgan og kan for eksempel se slik ut:

Forstillingsmekanisme Den delen av pådragsapparatet som påvirker pådragsorganet, for eksempel som respons på et pådragssignal fra en regulator.

Automatisk forstillingsmekanisme Grunnsymbolet for dette er en sirkel på ca. 5 mm i diameter. Fra sir­ kelen går en fin linje til symbolet for pådragsorganet. Nedenfor ser du dette symbolet:

9 Dette er symbolet for en ventil som åpnes hvis energitilførselen blir borte.

31

Flytskjema for reguleringssløyfer Flytskjemaet, eller oversiktsskjemaet som det også kalles, er nyttig å ha for hånden når vi skal undersøke hvordan en reguleringssløyfe fungerer. Hver komponent, funksjonsenhet eller funksjonsgruppe som finnes på skjemaet, skal være utformet etter standardsymboler. Skjemaets hovedhensikt er å vise det funksjonelle samarbeidet mellom de ulike elementene i et anlegg eller system. I følgende avsnitt har vi satt sammen noen enkle flytskjemaer for noen reguleringssløyfer. Vi begynner med å vise et eksempel på hvordan kodene ifølge IEC 750 skal plasseres i et flytskjema for temperaturstyring. For at ikke bokstavkodene fra ISO 3511 skal forveksles med bok­ stavkodene fra IEC 750, er de betegnelsene som baseres på ISOstandarden, satt i parentes. Se figur 2.1.

32

Apparatfortegnelse =E1 viser temperaturregulering av en væske som strømmer rett gjennom en varmeveksler -El. Varmtetilførselen kommer fra en se­ parat varmtvanns-/dampsløyfe som reguleres av ventilen -V1. Sty­ ringen av ventilen foregår med følgende funksjonsenheter:

manuell/håndbetjent innstilling av ønsket temperatur (skal-verdi) • (TIC1): temperaturindikerende regulator • (FC1): regulator for varmtvannsstrømmen • (FV1): ventil som påvirker varmtvannsstrømmen • (TT1): temperaturmåling og overføring • (FT1): strømningsmåling og overføring for varmtvannet

• (Hl):

Panelmontert temperaturreguleringssløyfe

Figur 2.2 Panelmontert temperaturregulator med registrerende instrument TR = temperaturskriver/temperaturregistrering TIC = temperaturindikerende regulator TT = temperaturmåling og overføring

33

Lokalt montert srømningsregulator

Figur 2.3 Lokalt montert strømningsregulator FE - strømningsgiver med elektrisk utgangssignal FT = strømningsmåling og overføring FRC = registrerende/skrivende strømningsregulator FV = ventil for å regulere gjennomstrømning

Datastyrt instrumentfunksjon De instrumentsymbolene for datastyring som gjelder ifølge ISO 3511/IV, består av en heksagon (et sekskantet blokksymbol), se fi­ gur 2.4. Blokksymboler for denne typen styringsfunksjoner brukes som regel bare i flytskjemaer. I apparatlisten skal det gå klart fram at symbolene for eksempel viser en datafunksjon.

Figur 2.4 Eksempel på blokksymboler med datastyrte funksjoner i henhold til ISO 3511/IV

34

Datastyrt treelementregulering (regulering med trippelmåling og tilbakekopling) Vannivået i dampkjeler er svært viktig og krever en nøyaktig og sta­ bil regulering for å holde nivået på et konstant nivå. Den viktigste årsaken er at ut-strømmen av damp ofte varierer. Hvis dampstrømmen tiltar raskt, synker trykket i kjelen, noe som fører til avkoking. En konsekvens av det er at nivået i dampkjelen stiger. Et økt nivå reduserer vanntilførselen, noe som må unngås. For å sikre nivået i kjelen må vi derfor benytte regulering med trippelmåling. Se figur 2.5.

Figur 2.5 Datastyrt treelementregulering

Vannet som ledes inn til dampkjelen, styres her av tre målegivere, nemlig av nivågiveren i dampkjelen LT02, strømningsgiveren for vanntilførselen FT01 og strømningsgiveren for damputtaket FT03. Ved variabelt damputtak adderer eller subtraherer de ulike dataen­ hetene signalene sine til styringsdatamaskinen, avhengig av om den dampen som ledes ut, øker eller minker i mengde.

Kontroll- Q oppgave O

Snakk med læreren din, som kan anbefale passende litteratur, hvis du ønsker å fordype deg i studier av symboler for prosesstyring og instrumentering.

35

3 Regulerings­ systemets oppbygning

Målet med dette kapitlet er å gi kjennskap til regulerings­ systemets oppbygning. Herunder behandles: • oppbygning • virkemåte • generelt om reguleringssystem • VVS-system • prosess-system • signalomforming

37

Generelt om reguleringssløyfa Når man skal studere hvordan et reguleringssystem er bygd opp, må man, som vi nevnte tidligere, ha tilgang til et blokkskjema. Se figur 3.1, der de ulike apparatenhetene i sløyfa symboliseres med en funksjonsblokk/ledd. Hver funksjonsblokk forbindes med linjer, som representerer de sig­ nalene som går mellom blokkene. Signallinjene representerer de ulike størrelsene som finnes i reguleringssystemet. Hvert ledd har en eller flere inn-størrelser og en ut-størrelse. (En blokk kan ha flere ut-størrelser i spesielle tilfeller, men dette vil ikke bli behandlet i denne boken.) Nå tenker vi oss at vi har å gjøre med en temperaturprosess som be­ står av en varmeveksler som skal holde en ønsket temperatur på varmtvannet som renner ut. Den regulerte størrelsen fra regule­ ringsobjektet (prosessen) må måles av en giver. Giverens signal (erverdien) må først tilpasses regulatorens signalområde via en omfor­ mer. Det omformede signalet blir til slutt en tilbakekoplet størrelse til regulatoren.

I regulatorens sammenlikner blir er-verdisignalet sammenliknet med skal-verdien (referansestørrelsen). Sammenlikneren subtrahe­ rer er-verdien fra skal-verdien. Om skal-verdien og er-verdien ikke stemmer overens, får vi en forskjell som vi kaller reguleringsavvik, reguleringsdifferanse eller feilsignal. Dette signalet går videre til et stabiliseringsledd og en forsterker.

Pådraget (det vil si utgangssignalet fra regulatoren) sendes så til pådragsapparatet, som inneholder en forstillingsmekanisme, som igjen skal manøvrere pådragsorganet.

Figur 3.1 Blokkskjema over oppbygningen av et reguleringssystem

38

Hvis de ytre forholdene er uforandret/stabile, kan et regulerings­ system være stabilt i kortere eller lengre tid. Det finnes imidlertid mange ytre faktorer som kan forstyrre reguleringen. Når det gjelder temperaturregulering, er det for eksempel ikke bare den varme­ mengden som elementet avgir, som påvirker temperaturen. Tempe­ raturen ute spiller også inn, det samme gjør lufting, åpning og luk­ king av dører til tilstøtende rom som har en annen temperatur, antallet personer som oppholder seg i rommet, osv. Disse faktorene kaller vi forstyrrelser.

Generelt om reguleringssystemer Innledningsvis skal vi studere en varmeveksler som styres av et VVS-styringsanlegg. Etterpå vil vi som en sammenlikning studere det utstyret som brukes i et tilsvarende system for prosessregulering.

VVS-reguleringssystem Ved komfortregulering med VVS-reguleringsystem bruker man ikke samme type symboler for de ulike apparatfunksjonene som man bruker ved prosesstyring. Derfor har vi valgt å vise eksempler på ulikheter mellom disse to reguleringssystemene når det gjelder symboler og apparatfunksjoner. Før vi går videre og beskriver anlegg for komfortregulering, skal vi forklare begrepet komfortreguleringsanlegg. Hovedinnholdet i or­ det komfort er menneskelig trivsel. For å oppnå et komfortabelt inneklima må man ta hensyn til følgende faktorer: temperatur, lufthastighet og luftfuktighet. Disse prosessene/objektene må være rik­ tig regulert for å få et godt inneklima. I et komfortreguleringsanlegg finnes det derfor varmevekslere, kjølevarmepumper og varme­ pumper for å oppnå komfort med minst mulig energiforbruk.

Figur 3.2 viser med et eksempel hvordan et VVS-styringsanlegg med varmeveksler kan være oppbygd for å regulere varmtvannet i kranene og for en radiatorsløyfe som skal varme opp rommene. Reguleringssentralen RC 1 styrer temperaturen på varmtvannet fra varmeveksleren VVX til de to tappeventilene TV ved hjelp av styringsventilen SV og giveren GT. Varmtvannets temperatur kan kon­ trolleres ved hjelp av måleinstrumentet MT. For at varmtvannet i sløyfa skal kunne sirkulere, finnes en pumpe P som er koplet til en tilbakeslagsventil (enveisventil). Denne ventilen åpner for gjen­ nomstrømning i én retning og sperrer i motsatt retning. Funksjonen kan på en måte sammenliknes med oppførselen til en diode som vi kjenner fra elektronikklæren. Åpningsretningen til denne enveisventilen går fra umarkert til markert felt (se figuren). 39

Figur 3.2 Eksempel på styringsanlegg som regulerer romtemperatur og varmtvann i kraner

Den andre reguleringssentralen RC2 styrer det utgående varmtvan­ net fra varmeveksleren VVX til en radiatorsløyfe som skal varme opp rommene. For å sikre varmtvannets sirkulasjon er sløyfa utstyrt med to pumper P, hvor den ene alltid er reserve (såkalt back-up).

Forklaring

Symbol/betegnelse

V i?

G G

Giver

7

G

Giver for indre målested

o

G

Giver for måling av differansestørrelse

Giver for ytre målested

Figur 3.3 Symboler for giver med ytre og indre målepunkt

Givere For å kunne styre og regulere for eksempel romtemperaturen i et hus må man foreta kontinuerlige målinger. Ved måling brukes en målegiver (transmitter). Den delen av målegiveren som tar imot tilstandsinformasjon fra en fysisk størrelse, kalles føleren/sensoren. Den størrelsen som føleren måler, angis ved kodemerking med en bokstav etter G. På figur 3.3 viser vi hvilke ulike målepunkter give­ ren kan plasseres på.

Reguleringssentralen Reguleringssentralen er en reguleringsenhet som kan bestå av en enkelt regulator eller en samlet enhet med sammenlikner, forsterker og stabiliseringsledd. Reguleringssentralen har betegnelsen RC. Figur 3.4 viser regulering av romtemperatur. Giveren måler rom­ temperaturen, som er reguleringssløyfas er-verdi (prosessverdi). Signalet fra giveren tilbakekoples så til reguleringssentralen RC, hvor den sammenliknes med den ønskede temperaturen (skal-verdien).

40

Er- og skal-verdien sammenliknes i regulatorens sammenlikner. Reguleringsavviket, det vil si differansen mellom skal- og er-ver­ dien, bestemmer utgangssignalet som sendes til pådragsapparatet (ventilen). Når avviket er positivt, er temperaturen i rommet for høy. Ventilen får da signal om å redusere tilstrømmingen av varmt vann. Ved et negativt avvik er temperaturen for lav. Ventilen får da signal om å åpnes mer. Da stiger temperaturen i rommet og nærmer seg den ønskede verdien.

Følgende forstyrrelser kan virke inn på den ønskede temperaturen: Figur 3.4 Eksempel på temperaturregulering ved hjelp av en reguleringssentral

• forandring i utetemperatur • solstråling eller sterk vind o.l.

Plassering av målegiver Målegiverens plassering er avgjørende for reguleringens kvalitet. Ved riktig plassering kan man unngå unødvendige forstyrrelser. Gi­ veren må for eksempel ikke sitte på ytterveggen, nær en varmekilde eller slik at den påvirkes av solstråler.

Figur 3.5 viser eksempler på målegivere som er plassert feil. En giver skal innendørs plasseres ca. 1,5 cm over gulvet og minst 0,5 m vekk fra et tett vindu. Se figur 3.6.

Givere og ventiler i fjernvarmeanlegg Figur 3.5 Feilplassering av målegiver

Giverne plasseres i en rørledning inntil varmeveksleren VVX (før sirkulasjonspumpen) når man skal regulere en radiatoranlegg eller et hovedanlegg for ventilasjon. Givere for treveisventil i varmt­ vannsanlegg skal plasseres så nær ventilen som mulig. Givere for vanlige toveisventiler skal plasseres ved siden av varmtvannsberederen, og helst i tilkoplingspunktet for varmtvannet.

Figur 3.6 Plassering av målegiver

41

Toveisventiler for varmeveksleren VVX og vannvarmeren skal plasseres i returrørledningen for åfå lavest mulig driftstemperatur. De vanligste ventilene og kodebetegnelsene vises på figur 3.7.

Symbol/betegnelse

Forklaring

Ventil, generelt symbol

■—1 ■'

AV

Toveis stengeventil

SV

Toveis styreventil

AV

Treveis stengeventil

SV

Treveis styreventil. Markert felt regulerer ventilåpningen

H

BV

Tilbakeslagsventil. Vannstrømmen går fra umarkert til markert felt

1___

SÅV

Sikkerhetsventil

Figur 3.7 Eksempler på ventilsymboler i VVS-installasjoner

Enkelt anlegg for fjernvarme Prinsippet for et VVS-reguleringsanlegg som regulerer varmtvann fra varmeveksler til radiator, vises på figur 3.8.

Figur 3.8 Prinsippskjema for VVS-reguleringsanlegg

42

Varmtvannet som kommer fra varmeveksleren, reguleres av giveren GT1 via reguleringssentralen RC og styreventilen SV. Ved hjelp av begrensningspotensiometret i RC velger man ønsket temperatur på det utstrømmende vannet. På skjemaet kan du se at giveren GT1 for det utgående varmtvannet er plassert i rørledningen inntil varme­ veksleren foran sirkulasjonspumpen. Legg også merke til at toveisventilen til varmeveksleren er plassert i returløpet slik at vi får la­ vest mulig driftstemperatur. For kontroll av returvannet plasseres giveren GT3 så nær varmeveksleren som mulig. Utetemperaturgiveren GT2 kompenserer innetemperaturen via RC når utetemperaturen endres.

Symboler for luftbehandlingsanlegg På figur 3.9 viser vi de vanligste symbolene som brukes på skje­ maer for luftbehandlingssystemer.

Kontroll- A oppgave Figur 3.9 Eksempler på skjemasymboler for luftbehandling

43

Komfortregulering med individuell regulering av rommene Ved hjelp av PD-er eller mikroprosessorer kan man i dag bygge opp avanserte anlegg som regulerer romtemperaturen individuelt. I dette avsnittet skal vi gjøre oss kjent med romregulatoren R7456A fra Honeywell. Dette er en DDC-regulator (Direct Digital Control).

Romtemperaturen reguleres etter regulatorens eget intemprogram, og forstillingsmekanismene (synkronmotorer) styrer pådragsorganene ved hjelp av signalene fra regulatorens pulsutgang. Opp til fire pådragsapparater kan styres parallelt. Regulatoren kan fun­ gere selvstendig eller via en bussforbindelse som koples til en over­ ordnet datamaskin.

Reguleringssystemet har flere innebygde funksjoner for god kom­ fort. Alle vinduene i leiligheten kan utstyres med en vinduskontakt som er beskyttet mot tilfrysning. Det garanterer at forstillingsmekanismen stenger ventilen helt, eller går til neste tilstand når vinduet åpnes. Tilfrysningsbeskyttelsen aktiveres så fort temperaturen i rommet synker til under +5 C. Dessuten finnes det nærhetsdetektorer som automatisk registrerer om noen oppholder seg i rommet. Hvis rommet er tomt, kopler regulatoren automatisk om fra kom­ fort- til økonomistilling, helt til noen igjen kommer inn i rommet. Figur 3.10a viser hvordan instrumenteringen inkludert vinduskontakter og motordrevne pådragsorganer (ventiler) på hver radiator skal plasseres. Figur 3.10b viser et prinsippskjema for reguleringssløyfa.

Figur 3.10a Individuell temperaturregulering av rom

44

Figur 3.10b Prinsippskjema for temperaturreguleringen

Sekvensregulering av varierbar luftstrøm med kulde og varme Det finnes mange ulike systemer som er utformet for regulering med kulde og varme. Hvilket system vi velger, er avhengig av om vi har å gjøre med sykehus, kontor, butikker eller privatboliger.

Figur 3.11 Individuell regulering av kulde og varme

Figur 3.11 viser individuell romregulering med radiatorer i de ytre sonene og samtidig sekvensregulering av kjøling med et ventila­ sjonsanlegg. I de fleste tilfeller har disse anleggene en varmeveksler som tar vare på varmen i ut-luften. Fordi alle rom har temperatur som kan stilles inn, går lite varme- eller kjøleeffekt tapt. Figur 3.12 viser prinsippskjema for reguleringssløyfa.

Fra multi-

Luftutstrømning

Lufttilførsel

Figur 3.12 Prinsippskjema for sekvensregulering av varme og kulde

45

Regulering av romtemperatur med ventilasjons­ anlegg Ventilasjonsanlegg som regulerer varme og kulde, blir ofte brukt til individuell regulering av temperaturen i enkelte rom eller soner. Disse anleggene kan bestå av vannsløyfer, elektriske varmevekslere eller enkle spjeld som regulerer luftstrømmen i ventilasjonskanaler hvor luften tilføres fra taket. Figur 3.13 viser et prinsippskjema med ulike komponenter for regulering med varmeveksler, elektrisk varmebatteri eller luftspjeld.

Varmepumpens prinsipp

Figur 3.13 Prinsippskjema for ventilasjonsanlegg a Varmeveksler b Elektrisk varmebatteri med flertrinnsvender c Luftspjeld

Ved hjelp av varmepumpen kan man ganske enkelt «flytte» varme­ energi fra et lavere til et høyere temperatumivå. Den energien som brukes til selve pumpearbeidet, får man tilbake i form av varme. Dermed kan vi si at selve prosessen fungerer som en varmeforsterker, der forsterkningen kan økes til tre ganger eller mer. En effektiv drift av varmepumpe innebærer at mange funksjonskrav må oppfyl­ les. Først og fremst må anlegget være slik konstruert at varmepum­ pen stort sett arbeider mot et lavt temperatumivå.

Figur 3.14 Varmepumpeanlegg

Figur 3.14 viser prinsippet for et varmepumpeanlegg, der giverne GT2 og GT3 via reguleringssentralen RC styrer returrørledningens temperatur. Varmepumpen VP startes og stoppes i forhold til den

46

gjeldende differansen. Ved økt belastning styres den ekstra spissvarmen, etter en innstilt treghet, i sekvens med VP. GT1 justerer reguleringskurven (forløpet) automatisk. Sirkulasjonspumpen stopper hvis utetemperaturen overstiger den verdien som er innstilt i RC. Sentralen RC beregner når prosessen skal star­ tes på nytt, og den lagrer informasjon om varmepumpens oppvarmingskapasitet. Den beregner også hvor lang tid det tar å oppnå ønsket temperatur etter at den har vært stilt lavere om natten. På denne måten unngår man unødig spissvarmedrift.

Med utgangspunkt på figur 3.15, som viser et villaanlegg med var­ mepumpe, skal vi studere varmepumpens prinsipp og oppbygning nærmere. Jordvarmen overføres fra jorden til varmepumpen ved hjelp av et plastrør som inneholder vann blandet med frostvæske. Rørlednin­ gen er ca. 500 meter lang og ligger en meter ned i bakken. Varme­ energien fra jordoverflaten overføres til og transporteres via væsken i plastrøret til varmepumpens fordamper. Et kuldemedium. for ek­ sempel freon. sirkulerer gjennom fordamperen. Dette stoffet (kuldemediet) koker ved lav temperatur hvis trykket i fordamperen er lavt. Dette skjer til og med ved så lave temperaturer som -10 C. Når fordamping skjer (ved koking), tas varme opp fra omgivelsene. På den måten blir dampen som oppstår av kuldemediet. tilført et høyere energinivå enn væsken hadde før fordampingen. Fra for­ damperen suges så dampen opp av kompressoren. Her øker damp­ ens trykk og temperatur på grunn av kompresjonen. Vi får dermed også økt energitilførsel av arbeidet som kompressoren utfører.

Den varme dampen fra kuldemediet drives videre inn i kondensato­ ren (varmtvannsberederen). Her avgis varmen, og dampen fra kul­ demediet går igjen over til væske. Når væsken (kuldemediet) går tilbake fra kondensatoren til fordamperen, passerer den en strupeventil og utsettes for et kraftig trykkfall. Kuldemediet begynner igjen å koke i fordamperen, og den dampen som dannes, tar på nytt opp den jordvarmen som er ført inn i fordamperen.

Man regner med at ca. 50-70 % av energien man trenger til oppvar­ ming av en villa, kan spares ved hjelp av en varmepumpe som ut­ nytter jordvarmen. I dag den største hindringen kostnadene ved in­ stallasjon av et slik anlegg. Installasjonskostnadene er omtrent tre ganger større enn ved installering av et rent elektrisk varmeanlegg.

47

Varmepumpens oppbygning og virkemåte Varmepumpen er bygd opp av følgende tre enheter: fordamper, kompressor og kondensator. Se figur 3.15.

Fordamperen er i prinsippet en varmeveksler som for eksempel kan ta opp jordvarme. I fordamperen sirkulerer et kuldemedium som koker ved lave temperaturer. Kuldemediet, som ofte er freon, fordamper eller går over til gassform ved selve kokingen. Videre komprimeres freongassen i kompressoren til et høyt trykk, og temperaturen øker. Dermed oppnår vi en ekstra økning av energitilførselen. I kondensatoren (varmtvannsberederen), som også er en varmeveksler, nedkjøles den komprimerte gassen av vannet fra varmtvannsberederen. Varmtvannet som renner ut, har dermed overtatt varmeenergien fra kuldemediet. Etter varmeenergiutvekslingen går freongassen igjen går over i væskeform, og varmeprosessen starter på nytt.

Varmtvannsuttak ca 40 °C

Plastrørledning i bakken ca 500 m

Figur 3.15 Varmepumpens prinsipp

48

1 2 3 4 5 6

Spjeldmotor Motorventil Viftemotor Reguleringssentral Målegiver Varmebatteri

Kjølemaskinens prinsipp I de fleste anlegg for komfortregulering inngår det en kjølemaskin. Den varmepumpen som vi beskrev ovenfor, er stort sett konstruert på samme måte som kjølemaskinen. Den eneste forskjellen er at man ved kjøling utnytter temperatursenkningen i fordamperen, mens man utnytter temperaturøkningen som skapes i kondensato­ ren når målet er å utvinne varme.

Følgende kuldemedier («kuldebærere») brukes vanligvis i kjølean­ legg:

• saltoppløsning (saltlake) med en temperatur på 0 C • isvann med en temperatur på ca. +1 °C • ammoniakk, en væske under trykk som ekspanderer til gassform. vanligvis brukt til lave temperaturer ned til -40 C • freon R12, en væske under trykk som ekspanderer til gassform, oftest brukt ved temperaturer mellom +5 og -10 C Kuldemediene/kuldebæreme i de to første gruppene brukes ved så­ kalt indirekte kjøling. Selve kjølereguleringen utføres med ventiler på liknende måte som ved regulering av varmtvann.

I forhold til de to andre mediene (som gir direkte kjøling) benytter man reguleringsprinsipper avhengig av størrelsen på anlegget og av hva slags prosess som skal reguleres. Før vi beskriver reguleringsstrukturene, skal vi studere hvordan selve kjølingsforløpet foregår.

Kondensator

I Strupeventil

I Figur 3.16 Kjølesyklusens prinsipp

Figur 3.17 Termisk ekspansjonsventil

Hovedprinsippet i dette kjølingsforløpet er at man pumper varme fra et lavere til et høyere temperatumivå. Se figur 3.16. Kjølekompressorens arbeid utføres av en elektrisk motor. Kompressoren su­ ger gass med lav temperatur fra fordamperen, der gassmengden komprimeres til et mindre volum. Ved kompresjonen stiger tempe­ raturen. Varmgassen presses videre inn i kondensatoren, hvor den avgir varme som overføres til vann eller luft, samtidig som kuldemediet kondenseres. Mediet passerer så en strupeventil, hvor det ut­ settes for et kraftig trykkfall. Avkokingen (ekspansjon/fordamping) skjer ved en temperatur som avhenger av trykket i fordamperen. Varmeenergien som trengs for kokingen, hentes fra fordamperens omgivelser. Med en ekspansjonsventil av termostattypen (se figur 3.17) styres tilførselen av kuldemediet til fordamperen etter behov. For mindre kjøleanlegg brukes ofte kapillarrør eller automatisk ekspansjon­ sventil. Ventilens åpning styres av en membran, der den ene siden på membranen påvirkes av trykket i fordamperen og innstillingsfjæren. Den andre membransiden påvirkes av temperaturen i kompressorens inntaksrør/lavtrykksrør.

49

Fordamper (kjørebatteri)

( Kondensator

cz

T = Termostat K = Kéntaktor Motorvern

Temperaturføleren består av en kolbe fylt med et kuldemedium. For at trykkfallet over fordamperen ikke skal påvirke selve regulerin­ gen, er kammeret under membranen tilsluttet kompressorens lavtrykksrør/vakuumrør på samme sted som temperaturfølerkolben. Kjølesystemet er dermed selvregulerende, men ettersom kjølebehovet kan variere sterkt, må man ha ytterligere et pådragsapparat. Det er enklest å la en av/på-termostat regulere inn- og utkopling av kompressorens motor. Reguleringsprinsippet for dette er vist på figur 3.18.

Direkte kjøling

Figur 3.18 Av/på-regulert kjølekompressor

Kontroll- C oppgave Q

Kontinuerlig regulering av kjølekompressorer forekommer ved større anlegg der man har lang gangtid. Man bruker da en automa­ tisk omløpsventi] (by-pass-ventil), som lar det gassaktige kulde­ mediet sirkulere fra kompressorens trykkside og tilbake til dens inntaksside/lavtrykkside. Ventilen tilpasser omløpet av væske strømmen kontinuerlig etter uttaket som skjer. (Omløpet eller resirkuleringen er omvendt proporsjonalt med uttaket/forbruket.) På den måten oppnår man en kontinuerlig drift. Det er viktig at alle kompressoranlegg utrustes med sikkerhetsutstyr. Vanligvis utstyrer man både høytrykks- og lavtrykkssiden med trykkvakter (pressostater).

Prosessreguleringsanlegg Nå skal vi gjøre oss kjent med et system for prosessregulering. For å vise forskjellen mellom VVS-regulering og prosessregulering vi­ ser vi symbol og betegnelse for hver enhet i reguleringssløyfa. Føl­ gende komponenter inngår vanligvis i et reguleringssystem (her vist ved en varmeveksler, se figur 3.19):

• • • •

målegiver (TE) måleverdiomformer (TT og ET) regulator med skriver (TCR) pådragsapparat (forstillingsmekanisme + pådragsorgan, TV)

For at man skal kunne kjøpe instrumenter fra ulike leverandører, har man utformet standardiserte signaler. Målesignalet (er-verdien) fra temperaturgiveren Pt 100 (TE) omformes med en P//-om former til et strømsignal på 4-20 mA og sammenliknes med skal-verdien i regulatoren. Utgangssignalet fra regulatoren (pådraget) er et strøm­ signal på 4-20 mA. Signalet må omformes i en //P-om former (ET) for å styre et pneumatisk pådragsapparat. Det pneumatiske pådragsapparatet, som består av forstillingsmekanisme og pådragsor­ gan, har i mange tilfeller vist seg å være hensiktsmessig på grunn av sin hurtighet og driftsikkerhet.

50

Figur 3.19 Eksempler på hvilke komponenter som kan inngå i et instrumenteringssystem for temperaturregulering

Målegiver og måleverdiomformer Nå skal vi se nærmere på de ulike elementene som inngår i varmevekslerens målings- og reguleringssløyfe. Se figur 3.21. For å kunne regulere temperaturen i varmeveksleren må vi foreta målin­ ger kontinuerlig. Vi begynner derfor med målegiveren som gir oss er-verdien (den styrte/regulerte størrelsens verdi). Du ser hvordan målegiver 1 er utformet, og hvordan den er koplet til måleverdiomformeren med en trelederkopling. Giverens oppgave er kontinuerlig

51

å måle temperaturen i varmeveksleren. I andre prosesser kan det være væskenivået, trykket eller gjennomstrømningen i en prosessledning som skal måles.

Figur 3.20 Forholdet mellom resistans og temperatur for platinagiveren Pt 100

Resistansgiveren av typen Pt 100 er en giver som ofte brukes ved temperaturmålinger. Grunnverdien for denne givertypen er 100 Q ved 0 C (ifølge DIN 43760). Den brukes i temperaturområdet -250 C til +850 °C. Giveren har en resistansøkning på ca. 0,38 Q/ C (ohm/grad). Dette kan du se på temperaturkarakteristik ­ ken for føleren på figur 3.20.

I omformeren omformes resistansverdien til et strømsignal i områ­ det 4-20 mA. En strøm på 4 mA tilsvarer temperaturområdets la­ veste verdi, og 20 mA tilsvarer varmevekslerens høyeste temperaturområde, for eksempel 85 °C. Ved kalibrering av reguleringssløyfa justeres måleverdiomformerens utgangssignal ved hjelp av et spesielt nullpunkts- og maksimum-potensiometer.

Regulator og skriver Hver reguleringssløyfe har som regel en regulator og en skriver for registrering av måleverdien. Regulatorens oppgave er ved hjelp av sammenlikneren å måle og kompensere for avviket (differansestørrelsen) mellom skal- og er-verdien. På figur 3.22 ser du hvordan reguleringsavviket e videreføres til kompenserings-/forstekningsleddet som tilpasser et riktig pådrag (signal til pådragsapparatet). Må­ let med regulatoren er dermed oppnå en stabil likevekt mellom skal- og er-verdien. En korrekt kalibrert regulator skal derfor være så følsom at det alltid er minst mulig avvik mellom skal- og erverdi. I dag er de fleste regulatorer elektroniske med Pl-funksjon. Med P-virkning mener vi en regulatorfunksjon som setter pådrags­ apparatet i en stilling som svarer til avviket mellom er- og skal-ver­ dien (reguleringsavviket). Ved I-virkning er signalets omstillingshastighet til pådragsapparatet proporsjonal med reguleringsavviket. For åregistrere måleverdien kan en skriver være bygd inn i regula­ toren eller være eksternt tilkoplet. Skriverens hovedoppgave er å re­ gistrere måleverdiens størrelse og utseende kontinuerlig i en viss tidsperiode.

Figur 3.21 Signaltilpasning av målegiverens signal med måleverdiomformer 1 Målegiver (kapslet industritype) 2 Resistansføler trådviklet av tynn platinatråd 3 Beskyttelsesrør for følerelement 4 Koplingshus med beskyttelseskappe og koplingsplint

52

Inntstilling av skal-verdi (ønsket verdi, f.eks. en viss temperatur)

For at du lettere skal huske de ulike termene som brukes i reguleringssløyfa, har vi innført følgende kodebetegnelser:

V - forstyrrelse (uønsket påvirkning av reguleringssløyfa/prosessen) W - skal-verdi (ønsket verdi på for eksempel temperatur) X = er-verdi (prosesstilstand/verdien på regulert størrelse) e = differansestørrelse (ut-størrelsen fra sammenlikneren) Y = pådrag (signal fra regulator til pådragsapparatet, eller en fy­ sisk størrelse som påvirkes av pådragsapparatet) I reguleringseksemplet på figur 3.22 er skal-verdien innstilt på 50 °C, noe som gir et reguleringsavvik på 20 C. Reguleringsavvik er som tidligere nevnt differansen mellom skal- og er-verdien.

Signaltilpasning av pådraget Hensikten med regulatoren er at den skal styre eller regulere pro­ sessen, som i dette tilfellet er en varmeveksler. Som vi tidligere har nevnt, tilbakekoples er-verdien fra giveren til sammenlikneren via en måleverdiomformer. Det ble gjort for at er- og skal-verdien skulle kunne sammenliknes signalmessig. Når det oppstår et avvik mellom er- og skal-verdi, påvirkes pådragsapparatet av regulatoren, slik at temperaturen nærmer seg ønsket verdi og reguleringsavviket minker. Pådraget (utgangssignalet) fra regulatoren er et strømsignal på 4-20 mA og må tilpasses pådragsapparatet som i dette tilfellet er et pneumatisk organ. Figur 3.23 viser hvordan et komplett pådrags­ apparat er sammensatt. Det består av en forstillingsmekanisme, i dette tilfellet et pneumatisk organ, som manøvrerer ett pådragsorgan (en reguleringsventil).

Figur 3.22 Blokkskjema over varmevekslerens reguleringssløyfe

De pneumatiske forstillingsmekanismene har mange fordeler sam­ menliknet med de elektriske. De er hurtige og har stor forstillingskraft. Ved å variere størrelsen på membranen i det pneumatiske or­ ganet kan vi oppnå ulik forstillingskraft ved et spesifikt driftstrykk. Det er mulig å oppnå en forstillingstrykkraft på opptil 5000 bar med pneumatiske forstillingsmekanismer.

53

Omforming fra strøm til trykk (I/P) Figur 3.24 viser en //P-omformer som omformer strømsignalet fra regulatoren (4-20 mA) til et pneumatisk pådragssignal (20100 kPa eller 3-15 psi). Når det kommer et strømsignal fra regulatoren (pådrag) til omformerens magnetspole, forårsaker denne en oppadrettet elektromag­ netisk kraft som forsøker å vri den ene siden av balansearmen med klokken rundt opplagringspunktet. På den andre siden av opplagringspunktet virker det en annen oppadrettet kraft som vil prøve å motvirke pådragskraften. Motkraften utøves av omformerens eget ut-signaltrykk (20-100 kPa eller 3-15 psi) ved hjelp av luftbelgen. Motkraften vil derfor forsøke å vri balansearmen motsatt vei, mot klokken. Når begge kreftene er like, inntrer en likevektstilstand, som gjør at balansearmen ikke har mulighet til å vri seg i noen ret­ ning.

Figur 3.23 Pådragsapparatets sammensetning og til­ pasning til reguleringssløyfa

En eventuell ubalanse registreres og elimineres på følgende måte: Fra lufttilførselen, som har et lufttrykk på 120 kPa, strømmer luft gjennom en strupning (innsnevring) og deretter gjennom en dyse med større areal enn strupningens åpning. Balansearmens ytterkant tjener som en plate/klaff som demper luftstrømmen ut av dysen. Når platen kommer nærmere dysen, minker luftstrømmen, og mottrykket i dysen øker. Hvis platen beveger seg bort fra dysen, minker mottrykket. I forsterkerdelen er den øvre membranens areal dobbelt så stort som arealet til den nedre membranen, slik at trykket på utgangssignalet alltid er dobbelt sa stort som mottrykket i dysen når omforme­ ren er i likevekt. Membranen og kuleventilene fungerer som trykkforsterkere. Kuleventilenes store luftkapasitet gjør det mulig å få raske endringer i utgangssignalets trykk.

Figur 3.24 Elektropneumatisk signalomformer

54

Figur 3.25 Måleverdiomformere for temperaturmåling plassert direkte i et prosess­ anlegg

Oppsummering

2

Vi foretar en kort oppsummering av det viktigste som omfat­ ter signaltilpasning mellom de enkelte komponentene i regulenngssløyfa.

• For måletilpasning av en regulator kreves det både måle­ giver og måleverdiomformer, slik at signaltilpasningen blir riktig. • De vanligste analoge målesignalene som forekommer i et instrumentsystem, er blant annet størrelser tor spenning som ligger i området 0-5 V eller 1-5 V. Strømsignaler ligger vanligvis i området 0-20 mA eller 4-20 mA

f

/

• Den vanligste tilpasningen i måleverdiomformeren er 4-20 mA, hvor 4 mA tilsvarer det laveste måleområdet (for eksempel 20 °C), og 20 mA tilsvarer det høyeste måleom­ rådet (for eksempel 85 °C).

• En av regulatorens viktigste oppgaver er å finne differansen mellom skal-verdien og er-verdisignalet ved hjelp av sammenlikneren.

Kontroll- O oppgave O

• Forskjellen mellom skal- og er-verdi, det vil si regulerings­ avviket, tilpasses ved kompensering og forsterkning og danner et pådrag som sendes til pådragsapparatet.

55

4 Regulerings­ objektets egenskaper

Målet med dette kapitlet er å gi grunnleggende innføring i ulike egenskaper som bestemmes av reguleringsobjektet/prosessen. Det brukes både grafiske og matematiske metoder for å finne de viktigste egenskapene. Noen egenskaper som be­ handles er blant annet: • nøyaktighet og linearitet • hysterese • tidskonstant • dødtid og transportforsinkelse • egenskapene for en hel reguleringssløyfe

57

Målenøyaktighet og linearitet En mengde faktorer påvirker nøyaktigheten i målingene ved auto­ matisk regulering. Feilene kan være av statisk (uforanderlig) eller dynamisk (foranderlig) karakter. Se figur 4.1.

Figur 4.1 Statiske og dynamiske feil ved temperaturmåling

Ulinearitet hos komponentene er en faktor som kan påvirke den sta­ tiske nøyaktigheten og forårsake en statisk feil i et regulerings­ system. Generelt kan vi si at statiske egenskaper bør være god føl­ somhet og samtidig god linearitet. En giver skal også ha gode dynamiske egenskaper. Dette betyr at utgangssignalet skal stemme overens med inngangssignalet i et tidsmessig perspektiv. Dette er imidlertid et krav som ikke alltid kan oppfylles, i hvilken grad det kan, avhenger av giverens treghet. Visse typer givere har alltid en viss treghet, da utgangssignalet ikke oppdateres hurtig nok ved endringer i inngangssignalet.

Nøyaktigheten angis i prosent av hele måleområdet og er et mål på giverens eller instrumentets statiske feil. Alle instrumenter klassifi­ seres hos instrumentprodusenten. Klasse 0,5 betyr for eksempel at instrumentets ut-signal kan inneholde feil på ±0,5 % av måleområ­ det. Hvis man for eksempel har et instrument med en nøyaktighet på ±0,3 % (klasse 0,3) og måleområdet er 0-1000 °C, betyr dette at den statiske feilen ikke under noen omstendighet overstiger 3 °C, eller 0,3 % av 1000 °C. Linearitet er et mål som også angis i prosent, men her angis prosentstørrelsen i forhold til det maksimale utgangssignalet til en giver, og ikke i forhold til måleområdet. Linearitet er et mål for giverens evne til å overføre utgangssignalet lineært med endringen i målestørrelsen.

58

Hysterese Giverens hysterese er et mål for utgangssignalets avvik/forskjell ved en og samme måleverdi. der måleverdien først økes og deretter minskes.

Figur 4.2 Positivt og negativt linearitetsawik og hysteresefeil

Ved et eksperiment med økning av måleverdien gav instrumentet et signal på 11 mA ved en gitt måleverdi. Når måleverdien økte videre, for så å bli minsket tilbake til den gitte verdien, gav imidler­ tid det samme instrumentet et signal på 16 mA. Det er denne for­ skjellen mellom 11 og 16 mA som kalles for hysteresen eller hysteresegapet. Dersom man gjentar det samme eksperimentet for alle tenkelige måleverdier, får man ti] slutt en sløyfeformet kurve som likner litt på et blomsterblad. Denne kurven kalles hysteresekurven og viser instrumentets oppførsel ved økende og minkende måle­ verdier. Hysteresen til et måleinstrument angis i prosent av måleomfanget eller skal-verdiens område. Se figur 4.2.

En sammenlikning av linearitets- og hysteresefeilen viser at de er innbyrdes forskjellige. Størrelsen på linearitets- og hysteresefeilen hos et instrument avhenger av hvilken nøyaktighetsklasse det til­ hører. Diagrammet på figur 4.2 viser at det kreves en justering av lineariteten. En tilsvarende justering av måleområdet må foretas slik instrumentdiagrammet på figur 4.3 viser.

Tidskonstanten

Figur 4.3 Justering av måleområdet A angir instrumentets ønskede verdi B viser den faktisk målte verdien

Alle givere har en viss tidskonstant som man må ta hensyn til reguleringsteknisk sett. Reguleringsteknikerens største ønske er jo å kunne utføre målinger uten tidsforsinkelser. I praksis viser det seg at et an­ legg med slike måleegenskaper er svært kostbart og vanskelig å kon­ struere. Tidskonstanten til en giver kan defineres som den tiden det tar for giveren å overføre en fysisk størrelse til en annen fysisk stør­ relse, for eksempel fra temperatur til et elektrisk utgangssignal. Med tidskonstanten viser man tregheten til en giver. Tidskonstanten angir den tiden som kreves for at 63,2 % av det maksimale utslaget Yo (sluttverdien) kan oppnås. De fleste givere har et utsignal (sprangrespons) som vist på figur 4.4.

Vi kan bestemme tidskonstanten t grafisk ved å tegne inn en tan­ gent x som følger kurvens helning fra nullpunktet, og siden bryter sluttverdilinjen To. Fra Yo tegnes så en vertikal linje som skjærer re­ sponskurven ved 63,2 %, noe som på figur 4.4 gir t — 3 sekunder.

Figur 4.4 Tidskonstanten

Ved for eksempel temperaturprosesser snakker vi også om en dødsone. Dødsonen (ufølsomhetsområdet) kan defineres som det stør­ ste området hvor måleverdien (er-verdien) kan variere innenfor, uten at regulatoren reagerer.

59

Med dødtid mener vi den tiden som går før instrumentet reagerer på en forandring som har skjedd i måleverdien. Figur 4.5 viser et ek­ sempel på stor dødtid forårsaket av målemediets lange transporttid.

Figur 4.5 Elektrisk varmluftsanlegg med lang transporttid for giveren

Giveren (termostaten) føler temperaturen i luftkanalen fra varmebatteriet. Kontaktoren (regulatoren) beregner reguleringsavviket som eventuelt finnes mellom skal-verdien og termostatens målte er-verdi.

Reguleringsobjektet (prosessen) Alle reguleringsobjekter har to viktige egenskaper man må ta hen­ syn til når man velger instrumentering.

Den ene er forstyrrelser som oppstår hos den regulerte størrelsen (er-verdien) på grunn av for eksempel en belastningsendring. I en varmeveksler kan en økt eller redusert væskestrøm eller damptilførsel utgjøre en belastningsendring. Den andre tingen vi må ta hensyn til, er den tiden det tar for er-ver­ dien å innstille seg etter den nye verdien som ble forårsaket av belastningsendringen. Denne tidsperioden kalles prosessens treghet, og den forårsakes av fysiske egenskaper som inngår i prosessen: en eller flere del-tidskonstanter (kapasitet), forsinkelse (dødtid) og transporttid.

Økt eller redusert væskeuttak ved nivåregulering er eksempler på forstyrrelser som følger av en belastningsendring. I en varmeveks­ ler kan tilsvarende forstyrrelser oppstå ved økt eller redusert væske­ strøm eller damptilførsel i varmeveksleren. 60

Ved hjelp av reguleringsmodellen på figur 4.6 kan man studere treg­ heten i en nivåprosess ved åtilføre en plutselig forandring av væske strømmen med ventil A. Deretter kan man studere hvordan den regu­ lerte størrelsen (prosessverdien) forandres som funksjon av tiden.

Figur 4.6 Prosessens sprangrespons ved pneumatisk regulering

Ifølge IEC 50(351) defineres denne funksjonen som en sprang­ respons, det vil si en tidsrespons for et anlegg som påvirkes av en sprangvis endring i en inn-størrelse. For å studere sprangresponsen kopler man vanligvis en skriver til størrelsen som skal undersøkes. Fra diagrampapiret kan man så beregne sprangresponsens tidskonstant. Formen på kurven i eksemplet viser at reguleringssystemet oppfører seg som en funksjon med én tidskonstant. På figur 4.7 skal vi se hvilke faktorer som kan forårsake forsinkelser i en reguleringssløyfe for en varmeveksler. Vi konstaterer at vi har for­ sinkelse i tilførselen, der dampen kommer inn for å varme opp forbruksvannet. Dessuten har vi forsinkelser som forårsakes av varmt­ vann sforbruket. Videre har vi tap i selve varmeoverføringen i varme­ veksleren. Varmen skal nemlig overføres i varmevekslerens koppersløyfer. På vei fra varmeveksleren til giveren oppstår en transportforsinkelse når målemediet skal transporteres fram til giveren. Dermed får vi en dødtid. Hvor lang dødtiden er, avhenger av hvor langt varmtvannet må transporteres, og hvor fort det renner. Det kan dessuten oppstå en viss treghet i selve giveren, regulatoren og signalomformeren, avhengig av hvilket reguleringsutstyr som er valgt.

Ved elektronisk regulering kan man som regel se bort fra treghet i den enkelte komponenten. Når vi derimot benytter pneumatisk regule­ ring, må vi regne med treghet både i rørledninger, slanger, koplinger og i reguleringsutstyret generelt. Selv om vi kan se bort fra forsinkel­ 61

ser i elektronisk reguleringsutstyr, må vi regne med en viss treghet i selve pådragsapparatet. Den er som regel ubetydelig hvis vi sammen­ likner med de forsinkelsene som ofte forårsakes av selve prosessen.

Figur 4.7 Eksempel på forsinkelser som kan oppstå i et reguleringssystem for en varmeveksler

Kontrollkalibrering Hvis vi har en mistanke om at feilkalibrering av giver, måleverdiomformer eller pådragsapparat kan være årsak til treghet i systemet, er det viktig at vi har tilgang til et nøyaktig kalibreringsinstrument.

62

Figur 4.8 viser et kalibreringsinstrument av Kompavi-typen fra Hartman & Braun, som er beregnet på bruk i prosessindustri. In­ strumentet har en innebygd Pt 100-simulator med digital skjermindikator (display) som viser temperaturer i °C, °F eller Q med stor nøyaktighet. Det finnes også komplette test- og kalibreringsinstrumenter av samme fabrikat for alle typer givere og for måling av signalgivere.

Figur 4.8 Kalibreringsinstrument (Hugo Tilquist AB)

Figur 4.9 viser en måleverdiomformer for temperatur som kan be­ nyttes i et reguleringssystem for en varmeveksler, slik det for ek­ sempel ble vist på figur 4.7. Det ønskede måleområdet stilles inn (kalibreres) med to potensiometre, ett for nullpunkt og ett for måle­ området. Nullpunktet og det valgte måleområdet kan som regel av­ leses på en LCD-skjerm på forsiden. I normal stilling indikeres den aktuelle temperaturen på frontpanelet. I reguleringssløyfer der vi stiller større krav til nøyaktighet, bør vi alltid ha tilkoplet en skriver som viser den aktuelle er-verdien over tid. Figur 4.10 viser en nåleskriver/matriseskriver fra Hartman & Braun. Fordelen med denne skriveren er at den kan omstilles for ulike måleområder. Dessuten kan den utstyres med en tekstskrivermodul som skriver ut tid, skala og ønsket tekst. Den kan også utsty­ res med automatisk omkopling av sommer- og vintertid. De øn­ skede dataene kan presenteres på et LCD-panel, på skriveren eller ved hjelp av en PD.

Kontroll- "7 oppgave l Figur 4.9 Måleverdiomformer for temperatur

63

Figur 4. 10 Omstillbar nåleskriver

Prosessens tidskonstanter (kapasitans) På figur 4.11 ser du en varmeveksler som har høy gjennomstrømningshastighet. Dette gjør at vannets temperatur stiger hurtig; vi sier at anlegget har liten termisk kapasitans (liten tidskonstant). I tanken på figur 4.12 tar det derimot lengre tid før vannet varmes opp; anlegget har stor termisk kapasitans (stor tidskonstant).

Figur 4.11 Varmeveksleren har liten termisk kapasitans

64

Figur 4.12 Anlegg med stor termisk kapasitans

Vi kan sammenlikne dette med en kondensators evne til å lades opp og lagre energi. Tidskonstanten angir med hvilken hastighet en pro­ sess endrer sitt energinivå med. Liten tidskonstant gir en rask end­ ring av prosessens energinivå, mens en stor tidskonstant gir lang­ sommere endring.

Prosesser med én og flere tidskonstanter Det viktigste for en regulator og dens funksjon er ikke hvordan pro­ sessen er oppbygd, men hvordan den reagerer når pådraget endres. Når pådragsstørrelsen endres, reagerer prosessen med å endre den regulerte størrelsen (prosessverdien) etter et variabelt forløp som avhenger av om prosessen har én eller flere tidskonstanter.

Vi kan studere en prosess med én tidskonstant ved hjelp av hydraulikksystemet på figur 4.13a, der det renner væske fra tank 1 til tank 2. Anta at tank 1 har en så stor utstrekning at nivået nesten ikke påvirkes ved fylling av tank 2. Vi sier at nivået i tank 1 er tilnærmet konstant. Vi skal undersøke om nivået i tank 2 forandres når væsken flyter gjennom strømningsmotstanden (strupeventilen) R fram til tank 2. Vi antar at tank 2 var tom fra begynnelsen, og at ventilen V var stengt. Figur 4.13a viser nivåforskjellen h} - h ved tidspunktet t.

I løpet av perioden At stiger nivået i tank 2 med Ah. Denne nivå­ endringen tilsvarer volumet Ah A. der A er arealet til tank 2. Væskestrømmen qv skal i løpet av tiden At gi samme væskevolum. det vil si:

qv ■ At = Ah ■ A

Dessuten er væskestrømmen