Reguleringsteknikk for automatikerfaget 8241202180 [PDF]

Zitiervorschau

Bjørnar Larsen

Reguleringsteknikk for automatikerfaget BOKMÅL

Vett&Viten

© Vett & Viten AS 1996

ISBN 82-412-0218-0 BM Omslag: Nica Grafisk Produksjon

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i mars 1996 for bruk i videregående skole på Studieretning for elektrofag videregående kurs 1 i faget Automatisering, modul 2. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av november 1994, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering som er inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndrag­ ning, og kan straffes med bøter eller fengsel. JHS Printed in Norway 1996

Utgiver: Vett & Viten AS Postboks 4, 1321 Stabekk

5

Forord

Deler av denne boka har vært utgitt som foreløpig utgave. Den er nå forbedret på flere områ­ der. Den er utvidet med prosessteknikk, HMS - helse, miljø og sikkerhet, tekniske flytskjemaer, måling av miljøforurensning og kalibrering. Den nye boka er skrevet spesielt for VK1 automatiker (Reform 94), men som den tidligere utgaven, kan den også brukes i teknisk fagskole. Boka er også tilrettelagt for selvstudium og bedriftsintern opplæring.

Stoffets praktiske framstilling og mange illustrasjoner gjør at boka vil være et nyttig supple­ ment i tilknytning til mer teoretiske studier i reguleringsteknikk. Den krever ikke spesielle matematiske kunnskaper hos leseren. Alle teorier er praktisk forklart. Boka inneholder også mange eksempler på anvendt 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 reguleringssløyfen.

Moderne regulatorer og prosessdatasystemer 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 har derfor fått et eget kapittel i boka. Det utarbeides et eget laboratorie- og oppgavehefte til boka. Parallelt er det også utgitt en bok i industriell måleteknikk for samme målgruppe i automatikerfaget. En takk til alle som har bidratt med fagstoff og bilder. Spesielt vil jeg nevne Hydro Support Opplæringssenter og Instrutek As.

Porsgrunn i februar 1996

Bjørnar Larsen

7

Innhold

Kapittel 1 Innføring i reguleringsteknikk 9 Innledning 9 Blokkskjema 12 Definisjoner 14 Ventilasjonsanlegg - Reguleringsteknikk anvendt i bygningsindustrien 16 Reguleringsteknikk anvendt i verkstedsindustrien 17 Regulering av skip - automatisk styring 18 Prosesskarakteristikker 20 Definisjon av tidskonstant 21 Forsterkning 26 Frekvensavhengig forsterkning (dynamisk forsterkning) 27 Kapittel 2 Prosessteknikk 30 Strømninger i rømett 30 Nominell rørdiameter, DN, og nominelt trykk, PN 31 Trykktap i rømett 31 Karakteristikk til rømett 33 Varmeovergang i varmevekslere 37 Transport av væsker med pumper 40 Kompresjonsprosesser 46 Ekspansjonsprosesser 50 Enhetsprosesser 52 Inndamping 58 Krystallisering 59 Tørking 60 Gassvasking 61 Adsorpsjon 64 Reaktorer 64 Kjemisk rensing 65 Renseprosess for kommunalt avløpsvann 66 Slambehandling i kommunale renseanlegg 67 Helse, miljø og sikkerhet 69 Administrative normer for forurensning av arbeidsatmosfære (ref. Arbeidstilsynet nr. 361) 71 Arbeidstillatelser 78 Alternative reguleringsprinsipper 162 Trykkregulering 166

Kapittel 3 Tekniske flytskjemaer 80 Hva er et flytskjema? 80 Nummerering av mekanisk apparatur og utstyr 87 Instrumentkoder og symboler for flytskje­ maer 91

Kapittel 4 Pådragsorganer 98 Innledning 98 Automatisk reguleringssystem 100 Ulike reguleringsventiler 100 Ulike arbeidsforhold 100 Seteventiler 101 Ventilens kapasitetsindeks 104 Ventilkarakteristikker 105 Ventiler med dreiebevegelser 109 Forstillingsmekanismer for reguleringsven­ tiler 112 Membranmotor 112 Sylinderforstillingsmekanisme 114 Elektriske forstillingsmekanismer 115 Styring av elektriske forstillingsmekanismer 115 Omformere 116 Ventilstiller 119 Vedlikehold av reguleringsventiler 121 Installasjon 123 Reduksjonsventiler 124 Elektriske pådragsorganer 125 Frekvensomformer 126 Kapittel 5 Reguleringsprinsipper 130 Innledning 130 Tilbakekopling 131 Ikke-kontinuerlig regulering 136 Kontinuerlig regulering 139 Proporsjonale og integrerende regulatorer (Pl-regulatorer) 148 PI-regulatoren 152 PID-regulatoren 157 Hva skjer i en ustabil reguleringssløyfe? 160

8 Regulering av gjennomstrømning 167 Temperaturregulering 169 Regulering av kjemiske reaktorer 171 Regulering av blande- og krystalliseringasprosesser 172 Delt område-regulering («split range») 173 Regulatorinnstilling 175 Regulatorinnstilling og prosessundersøkelse 178

Kapittel 6 Regulatorer og datamaskiner 182 Pneumatiske regulatorer 182 Digitale regulatorer 186 Bruk av prosessdatamaskiner og personlig datamaskin 189

Tilkopling av regulatorer til måleomformere 191 Prosessdatamaskiner 192 Systemenheter 197 Bruk av datamaskiner (PLS) for styring og regulering av kommunale renseanlegg 198 Kapittel 7 Alarm og forrigling 200 Myndighetenes rolle 200 Overbroing 203 Forriglingsmatriser (FM) 204 Krysskopling og jording 208

Appendiks 212 GTS-T-01 Flytskjemasymboler 212 Stikkordregister 219

9 KAPITTEL 1

Innføring i reguleringsteknikk

Mål Etter å ha studert dette kapittelet skal du kunne • forklare sammenhengen mellom måleelement, regulator og pådragsorgan • tegne blokkskjema for en reguleringssløyfe • forklare ulike reguleringstekniske betydninger til ulike reguleringstekniske definisjoner • forklare hvilke parametrer som innvirker på prosesskarakteristikken

Innledning Hva er reguleringsteknikk? Kortfattet kan vi si at reguleringsteknikk er «læren om automa­ tiske systemer». Vi skal forklare det nærmere med et eksempel.

Eksempel på regulering av temperatur Prosessen som skal reguleres, går ut på å varme opp væske i en tank slik at den kan tappes ut med konstant temperatur. Det går en væskestrøm inn i tanken og en like stor væskestrøm ut av tanken. Temperaturen i væsken som strømmer inn, varierer mellom 15 og 25 °C.

Figur 1.1 Temperaturvariasjoner i den innstrømmende væsken For at vi skal få varmet opp væsken, er tanken utstyrt med en elektrisk varmekolbe. I tanken fins det også et røreverk som sørger for at den innstrømmende væsken blander seg med resten av væsken. På figur 1.2 er prosessen vist uten reguleringssystem. Vår oppgave er nå å lage et system som regulerer temperaturen slik ai den holdes så kon­ stant som mulig i den utgående væsken. Den ønskete temperaturen er 40 °C. Siden temperatu­ ren i væsken som strømmer inn, Tj, varierer, må vi justere varmekolbens effekt for å oppnå konstant temperatur i den væsken som strømmer ut, Tu. Den ønskete temperaturen kaller vi skal-verdien. Reguleringsteknikk dreier seg altså om å finne et system som automatisk kon­ trollerer én eller flere deler i prosessen (her effekten fra varmekolben) slik at produktet (her Tu) blir så nær en ønsket verdi som mulig.

10 Styreinngang q, = væskestrømmen inn qu = væskestrømmen ut Kald væske q, (m3/s)

Røreverk

Elektrisk varmekolbe-

qu (m3/s) Oppvarmet væske

Figur 1.2 Oppvarming av væske i en tank med varmekolbe og røreverk

Vi har to typer reguleringssystemer: 1 Manuelle systemer 2 Automatiske systemer Manuelt system På figur 1.3 må operatøren selv passe på at temperaturen Tu holder seg lik skal-verdien. Fordi hun foretar justeringen selv, kaller vi det håndstyring eller manuell justering. Hele regulerings­ systemet kalles da et manuelt system.

Styresignal (Up (V))

Skal-verdienhet

Temperaturindikator (°C)

\ Tu Figur 1.3 Manuelt system for temperaturregulering

Automatisk system For å bygge opp et automatisk system trenger vi disse komponentene: • Måleomformer • Skal-verdienhet • Sammenlikner • Pådragsorgan Måleomformer Måleomformerens oppgave er å gi et målesignal som representerer temperaturen i den utgående væsken. I et elektrisk reguleringssystem er måleomformeren av elektrisk type. Den

11 omformer måleverdien til et elektrisk signal, det vil si spenning eller en strøm. I vårt eksempel antar vi at måleomformeren gir ut et strømsignal. Jo høyere temperatur, desto sterkere strøm. Det er vist grafisk på figur 1.4. Måleomformerens utgang

Figur 1.4 Grafisk framstilling av strøm som funksjon av temperaturen Skal-verdienhet Denne enheten benytter vi for å stille inn den ønskete temperaturen, skal-verdien. Vi stiller inn skal-verdien ved å vri på potensiometeret, se figur 1.5. Forholdet mellom temperatur og strøm må være den samme for måleomformeren og potensiometeret, slik at spenningene kan sam­ menliknes med hverandre.

Sammenlikner Med sammenlikner mener vi en enhet som kan bestemme forskjellen mellom to fysiske stør­ relser, for eksempel mellom to strømmer eller to spenninger. I vårt eksempel med vanntanken trenger vi en elektronisk enhet som kan finne forskjellen mellom signalet fra potensiometeret i skal-verdienheten og signalet fra måleomformeren. En slik elektronisk enhet kan bygges opp av en operasjonsforsterker og en motstand.

Figur 7.5 Sammenlikner koplet opp ved hjelp av en operasjonsforsterker og motstander

12 Operasjonsforsterkere arbeider med spenning, og derfor må vi omforme strømmen fra måleomformeren til spenning. Det gjør vi ved å måle spenningsfallet over en motstand i strømkretsen. Vanligvis benytter vi en motstand med resistans 250 Q Regulator og pådragsorgan Regulatoren består av en sammenlikner og en forsterker. I vårt eksempel er det regulatorens oppgave å beregne hvor stor effekt som må tilføres varmeelementet. Varmeelementet er pådragsorgan. Ved behov skal regulatoren automatisk øke eller minske effekten til varme­ elementet slik at temperaturen Tu blir liggende så nær 40 °C som mulig. Figur 1.6 viser den automatiske temperaturreguleringen.

Figur 1.6 Automatisk system for temperaturregulering

Nå har vi gått gjennom hvordan et reguleringssystem for temperaturregulering i prinsippet kan lages. De fleste reguleringssystemer er bygd opp etter dette prinsippet. De består av • • • •

prosessen der en eller flere fysiske størrelser skal reguleres måleomformer for å måle og omforme prosessverdien regulator (sammenlikner og forsterker) pådragsorgan for å styre energien til eller fra prosessen

Blokkskjema I dette avsnittet skal vi lære oss en metode for å beskrive funksjonen til et reguleringssystem skjematisk. Det gjør vi ved å tegne et blokkskjema. Hensikten med blokkskjema er å vise hvordan ulike størrelser er knyttet til hverandre, uten at vi trenger å tegne hver del av systemet i detalj. I et blokkskjema bruker vi bare tre slags symboler: blokker, linjer (piler) og sirkler. Blokkene symboliserer deler i et reguleringssys­ tem, linjene symboliserer signalveiene og sirklene symboliserer summeringspunkter og sammenliknere, figur 1.7. Sirkel Blokk

Figur 7.7

Signal

13 Blokker og signaler Blokker brukes for å beskrive de ulike delene i et reguleringssystem. En blokk kan for eksem­ pel være en måleomformer, et måleelement, en ventil eller en forsterker. Blokker tegnes som rektangler. Til og fra blokken tegnes ett eller flere innsignaler og utsignaler. Sirkler brukes for å beskrive summeringspunkter og sammenliknere. Signalveiene tegnes som linjer, forsynt med piler for å angi signalretningen. Signalene tilsvarer ulike variabler i et reguleringssystem, for eksempel temperatur eller elektrisk spenningsnivå eller strømnivå. Innsignalet eller innsignalene til en blokk er variabler som på en eller annen måte påvirker utsignalene fra blokken. I tanken på figur 1.3 påvirkes temperaturen Tu av to variabler, dels av inngangstemperaturen Tj, dels av effekten P fra varmekolben. Det kan skjematisk beskrives slik det er gjort på figur 1.8. Inngangstemperatur

qu

Vanntank

Temperatur Tu

Varmeeffekt P-------

Figur 1.8 Blokk som symboliserer tanken på figur 1.6

Summeringspunkter og sammenliknere Både summeringspunkter og sammenliknere blir som nevnt symbolisert med en sirkel. Til sirklene tegnes det to innsignaler og bare ett utsignal. I et summeringspunkt er utgangssignalet lik summen av de innkomne signalene, i en sammenlikner er utgangssignalet lik differansen mellom de to innkomne signalene. Inngangssignalene skal forsynes med tegn, + eller -, som viser om det aktuelle symbolet står for et summeringspunkt (+) eller en sammenlikner (-).

Figur 1.9 Summeringspunkt

Figur 1.10 Sammenlikner

Figur 1.11 viser et blokkskjema for det manuelle temperaturreguleringssystemet på figur 1.3.

Figur 1.11 Det manuelle reguleringssystemet på figur 1.3 tegnet som blokkskjema

14 Det er operatørens hjerne som her utgjør regulatorfunksjonen. Hun sammenlikner den lagrete skal-verdien med den målte verdien hun ser på indikatoren. Figur 1.12 viser et blokkskjema for det automatiske temperaturreguleringssystemet vist på figur 1.6.

Figur 1.12 Blokkskjema for det automatiske temperaturreguleringssystemet på figur 1.6 Alle reguleringssystemer kan beskrives med blokkskjemaer. Figur 1.13 viser et generelt blokkskjema.

Utgang

Regulert størrelse

Figur 1.13 Generelt blokkskjema for et reguleringssystem

Definisjoner Vi skal nå bli kjent med noen uttrykk som brukes ofte i reguleringsteknikken, og hvordan de defineres. For å forklare de ulike uttrykkene bruker vi reguleringssystemet i foregående avsnitt som eksempel. • Prosess - et forløp som skal styres, måles eller reguleres • Regulert størrelse - den størrelsen som forandrer seg (variabelen), og som reguleres i et reguleringssystem, ofte kalt prosessvariabelen • Er-verdi - den målte verdien av den regulerte størrelsen (prosessvariabelen) • Skal-verdi - den ønskete verdien av den regulerte størrelsen • Forstyrrelse - en faktor som påvirker den regulerte størrelsen

15 For vårt reguleringssystem gjelder: • Prosess - tanken med væskestrømmen inn, qp og væskestrømmen ut, qu • Regulert størrelse - temperaturen i tanken • Er-verdi - målt temperatur på væsken som kommer ut av tanken • Skal-verdi - den ønskete temperaturen på væsken som kommer ut av tanken • Forstyrrelse - temperatursvingninger i væsken som blir tilført tanken, varmetap til omgiv­ elsene og svingninger i strømningsmengden inn og ut av tanken • Pådrag - effekten P fra varmekolben

Vi skal også gjennomgå noen flere uttrykk som brukes innenfor reguleringsteknikken: o

Apen sløyfe Apen sløyfe kalles et system der vi ikke har tilbakeføring av prosessvariabelen (regulert stør­ relse). Skal-verdien kan derfor ikke sammenliknes med er-verdien, og et eventuelt avvik mel­ lom de to får ingen innvirkning på pådraget. Forstyrrelse Styre_ signal

Styrt størrelse

Figur 1.14 Blokkskjema for en åpen sløyfe Lukket sløyfe Lukket sløyfe er et system der er-verdien tilbakeføres og sammenliknes med skal-verdien slik at det aktuelle pådraget påvirkes. I en lukket sløyfe har vi kontinuerlig måling, sammenlikning og korrigering. Figur 1.12 og figur 1.13 viser eksempler på lukkete sløyfer.

Pådragsorgan Et pådragsorgan er en komponent eller enhet som brukes for å styre effekttilførselen fra en eller annen størrelse til prosessen. I vårt eksempel med temperaturregulering er pådragsorganet varmekolben. I andre tilfeller kan pådragsorganet være en reguleringsventil, et spjeld eller en motor, se figur 1.15.

Spjeld

Motor

Forstillingsmekanisme En motor som styrer en ventil eller et spjeld, kan være en type forstillingsmekanisme. I vårt eksempel med temperaturregulering er forstillingsmekanismen effektforsterkeren på figur 1.6. Avvik (reguleringsavvik) Forskjellen (differansen) mellom skal-verdien og den målte prosessvariabelen, er-verdien, kalles avvik.

Manuelt system (manuell regulering) System som styres ved hjelp av direkte menneskelige inngrep.

16 Automatisk system System som ikke krever menneskelige inngrep.

Konstantreguiering En regulering der skal-verdien er konstant, kalles konstant regulering. I vårt eksempel med temperaturregulering er skal-verdien fast innstilt på 40 °C, og vi har en konstantreguiering. Følgeregulering Følgeregulering er regulering med variabel skal-verdi. Skal-verdien kan da komme fra en annen regulator eller fra en overordnet datamaskin. For at et prosessanlegg skal virke etter hensikten, må temperatur, trykk, gjennomstrømning, konsentrasjon o.a. hele tiden holdes innenfor på forhånd bestemte grenser. Dersom prosessva­ riabelen kommer utenfor de fastsatte grensene, kan det føre til at produktkvaliteten blir dårli­ gere, at energiforbruket blir unødig stort, eller at det oppstår avbrudd i driften slik at farlige situasjoner for mennesker, miljø og utstyr oppstår. Reguleringsteknikk benyttes derfor mest innenfor industrien. Eksempler på slik industri er kjemisk industri, papirindustri, elektrokjemisk industri (produksjon av kunstgjødsel), medi­ sinsk industri, bygningsindustri, verkstedindustri og næringsmiddelindustri. Konkurranseutsatt industri er ofte tvunget til å utbedre og fornye automatiseringssystemene for å være konkurransedyktige. Krav om reduserte utslipp av miljøgifter til luft og vann er også årsaken til at industrien automatiserer.

Ventilasjonsanlegg - reguleringsteknikk anvendt i bygningsindustrien Reguleringsanlegg av denne typen er ofte utsatt for større forstyrrelser enn dem vi finner i pro­ sessindustrien. Det gjør at man tar i bruk spesielle løsninger på reguleringen for å få et tilfreds­ stillende resultat. De vanlige fysiske variablene for regulering i slike anlegg er temperatur, posisjon, turtall, gjennomstrømning, trykk og fuktighet. I nye bygg brukes reguleringsteknikken særlig til å kontrollere ventilasjonsanlegg, og dette er også den mest sammensatte prosessen i moderne bygningsindustri.

Datamaskinene som brukes, utfører også andre automatiske tjenester i bygget slik som over­ våkning, brannalarmsystemer, adgangskontroll, forvaltning, drift og vedlikehold. Over tele­ fonnettet kan fjerntliggende bygg styres og overvåkes.

17 Regulering av heis Heiser skal forflyttes med konstant hastighet. Da må motoren holde konstant turtall, uavhen­ gig av antall personer i heisen. For å holde konstant turtall må man benytte en regulator som kan øke eller redusere effekten til motoren etter behov. Figur 1.20 viser et blokkskjema for turtallsregulering av et heishus.

Turtallet måles med et måleelement og en måleomformer for turtall, her kalt takometer. Utgangssignalet sammenliknes med skal-verdien. Med utgangspunkt i det avviket som måles, kan regulatoren utføre nødvendige justeringer av spenningen til motoren.

Reguleringsteknikk anvendt i verksteduindustrien Industriroboter Industriroboten er en maskin som er utrustet med en arm og et griperedskap, eventuelt et verk­ tøy. Ved hjelp av en datamaskin kan griperedskapet eller verktøyet styres etter et fastlagt pro­ gram til fritt valgbare punkter i rommet. Industriroboten på figur 1.18 har seks akser. Hver akse skal posisjons- og hastighetsreguleres, se figur 1.19.

Typisk for reguleringssløyfene er at de er meget raske. Forstyrrelsene er små og skal-verdiene endres ofte raskt. Industriroboter brukes i dag til sveising, lakkering, sliping og montering.

18 Datastyrte verktøymaskiner Figur 1.20 beskriver et servosystem for posisjonering av et maskinbord i en verktøymaskin. Det er en posisjonsservostyring som styres ved hjelp av potensiometrene, der skal-verdien er variabel og blir sammenliknet med den målte størrelsen, er-verdien. up Posisjon

Elektrisk spenning U (V)

Sammenlikner

Figur 1.20 Servosystem for posisjonering av et maskinbord i en verktøymaskin a Posisjonsservo, b Blokkskjema av posisjonsservo

Avviket brukes for å styre servomotoren i ønsket retning. Forsterkeren gir bare styrespenning til servomotoren når skal- og er-verdiene avviker. I tillegg til posisjonsregulering reguleres også motorens turtall.

Regulering i skip - automatisk styring For en båt vil kursen påvirkes av rorutslaget og ytre forstyrrelser som vind, bølger og vannstrømmer, figur 1.21

Figur 1.21 Krefter som virker på kursen til en båt

For å holde båten på stø kurs må rorposisjonen hele tiden korrigeres. Disse korreksjonene kan naturligvis gjøres manuelt. Større skip har gjeme reguleringssystemer som utfører denne opp­ gaven. Systemets oppgave er å etterlikne de rorbevegelsene som måtte vært gjort manuelt. Blokkskjemaet på figur 1.22 viser et system for regulering av rorposisjonen og dermed båtens kurs.

19

Grader, minutter og sekunder

Figur 1.22 Blokkskjema for regulering av rorposisjonen til båten Legg merke til at prosessen i blokkskjemaet utgjøres av hele båten.

Kraftverk og energiproduksjon Innenfor kraftverksteknikk og energiproduksjon må det installeres reguleringssystemer for at driften skal virke tilfredsstillende. I det norske kraftnettet fins reguleringssystemer av både lokal og overordnet karakter. Det viktigste eksempelet på et system av overordnet karakter er reguleringen av nettets totale produserende effekt slik at den hele tiden er lik forbruket. For å oppnå det må vi hele tiden måle forbruket og kunne øke eller minske mengden av produsert energi. På lokalt nivå er det nødvendig å kunne regulere for eksempel turtall og effekten på genera­ torer i vann- og vindkraftverk.

20

Prosesskarakteristikker Vi skal studere ulike typer prosesser og vise hvordan de kan deles inn i grupper. Følgende pro­ sesser skal behandles: • Prosess med én tidskonstant • Integrasjon (kapasitet) • Dødtid • Prosess med dødtid og én tidskonstant • Prosess med flere tidskonstanter

Man skulle tro at reguleringssløyfene må bli forskjellige når prosessene er forskjellige, men det er ikke tilfellet. Typisk for reguleringsteknikken er at prosesser og systemer med helt ulik anvendelse kan ha samme reguleringstekniske egenskaper og reguleres på samme måte. En elektrisk motor kan ha samme reguleringstekniske egenskaper som en varmeteknisk pro­ sess. En prosess for nivåregulering kan ha samme egenskaper som en prosess for konsentrasjonsregulering. En prosess for trykkregulering kan ha samme egenskaper som en termisk prosess. Siden ulike prosesser kan oppføre seg likt, reguleringsteknisk sett, skal vi dele dem inn i grupper med tanke på dette. Sprang-svar-diagram Vi skal vise en måte å karakterisere prosesser på, nemlig etter deres svar på en sprangfunksjon i energitilførselen eller i belastningen. Det kalles sprang-svar. Figur 1.23 viser en sprangfunksjon som tilføres en prosess og det tilhørende svaret på pro­ sessens utgang. Disse to diagrammene kalles for prosessens sprang-svar-diagram.

Figur 1.23 Eksempel på sprang-svar-diagram for en prosess Eksempler Når vi øker energitilførselen til en panelovn, tar det en viss tid innen temperaturen i rommet stiger. Energitilførselen endres i et sprang, mens prosessens svar (temperaturen i rommet) endres over tid. Om vi ønsker høyere hastighet på bilen, trykkes gasspedalen inn, men det tar en viss tid før bilen kommer opp i ny, ønsket hastighet. Prosesser som har den egenskapen at det tar en viss tid før inngangssignalet forplanter seg til utgangen, kalles dynamiske systemer. I et system som ikke er dynamisk, vil utgangen reagere momentant på en endring i inngangssignalet.

Prosesser med én tidskonstant Prosesser og systemer med én tidskonstant har et sprang-svar som vist på figur 1.24, der vi har antatt at endringen skjer fra null. Kurven har størst helning i starten, for så å avta til sluttnivået er nådd. For å ha et mål på hvor rask prosessen er, oppgis prosessens tidskonstant.

21

Definisjon av tidskonstant

Figur 1.24 Sprang-svar-diagram for en prosess med én tidskonstant

Tidskonstanten defineres som: Den tid det tar for utgangen (verdien i målepunktet) å nå 63,2 % av den nye, stabile verdien.

Eksempel på en krets som har én tidskonstant, er den elektriske RC-kretsen, figur 1.25. R ■O +

1 MQ

C-L 1 |1F ”

Ui

)

—■

-......................... < i--------------- c

Figur 1.25 Elektrisk RC-krets

Tidskonstanten for RC-kretsen på figur 1.25 er T = R C = 1 ■ 106- 106= 15

Eksempel på nivåprosess med én tidskonstant Nivåprosessen på figur 1.26 har én tidskonstant.

qi = massestrøm inn qu = massestrøm ut

Figur 1.26 Prosess med én tidskonstant

u2

22 Den manuelle ventilen R er væskens strømningsmotstand. Kapasitansen C er lik det væskevolum som skal til for å heve nivået i tanken en høydeenhet. Tankens kapasitet bestemmes altså av tankens størrelse. Trykket p, det hydrostatiske trykket, er spenningen sett fra utgangen. Figur 1.27 viser fire ulike prosesser og deres sprang-svar-diagram. Elektrisk kapasitet

U2

Væske inn

Nivåkapasitet (Volum)

► Last

Trykkapasitet P (bar)

Last Væske

Varmekapasitet

“C

R (varmestrømningsmotstana >------ Gass

Figur 1.27 Ulike prosesser og deres sprang-svar-diagram

Variabel

Elektrisk system

Hydraulisk system

Pneumatisk system

Termisk system

Potensial

emf E (volt)

Trykk p (bar)

Trykk p (bar)

Temperatur T (celsius)

Strømningsvariabel

Strøm I (Ampere)

Gjennomstrømning qH (m3/s)

Gjennomstrømning qP (m3/s)

Varmestrøm qy J/s

Resistans

R (ohm)

rh

RP

bar (m /s)

bar (m3/s)

Ry (grader Watt)

Kapasitans

C (Farad)

M (m3)

m (m3)

CT Joule

Tid

s

s

s

s

Tabell 1.1 Sammenhengen mellom elektriske, hydrauliske, pneumatiske og termiske systemer

Integrasjon (kapasitet) Med kapasitet menes et avgrenset område hvor masse eller energi lagres. For et nivåsystem som vist på figur 1.28 kan kapasitet C gis følgende definisjon:

Det vceskevolum som skal til for å heve nivået i tanken en høydeenhet.

Figur 1.28 viser en integrerende nivåprosess.

q, = massestrøm inn (m3/s) qu = massestrøm ut (m3/s)

Figur 1.28 Sprang-svar-diagram for en integrerende prosess Tanken har en kapasitans C, en tilførsel qj og et utløp qu. Den opptrer som en buffer mellom inngang og utgang og bestemmer hvor hurtig energi eller masse kan endres.

Prosesser med dødtid Typisk for prosesser med dødtid er at det tar en viss tid før en endring kan registreres på utgangen. Vi kan definere dødtiden slik: Dødtid er den tid det tar fra vi innfører en endring i pådraget til det kan registreres en endring i prosessvariabelen.

Dødtid kan illustreres med en båndvekt, se figur 1.29a. Båndvekten er en prosess. Pådrag

* Endring i pådrag -►Tid

Prosess[verdi

Endring i prosessverdi ♦.Tid

Figur 1.29a Båndvekt har en dødtid

Figur 1.29b Sprang-svar-diagram for en prosess med dødtid

Prosessvariabelen måles med vekten. Den tiden det tar å forflytte prosessmediet over strek­ ningen (1 m) til vekten for registrering, blir dødtiden i systemet.

24 Dødtid kalles ofte transporttid og forekommer også i rørledninger og temperaturprosesser. Dødtid betraktes som det vanskeligste dynamiske elementet i en reguleringssløyfe. I dødtidsperioden er prosessen ute av regulering. Grafisk kan dødtid presenteres som figur 1.29b viser. Om pådraget er et sprang, vil dødtiden gi en faseforskyvning mellom inngangssignalet og utgangssignalet.

Prosess med dødtid og én tidskonstant En prosess med dødtid og én tidskonstant har sprang-svar-diagram som illustrert på figur 1.30.

Figur 1.30 Prosess med dødtid og en tidskonstant Prosess med flere tidskonstanter I praksis inneholder de fleste prosesser flere kapasitanser og resistanser som igjen danner flere tidskonstanter. På figur 1.31 vises en prosess der vann skal vannes opp av en elektrisk varmekolbe. Anta at pådraget økes med et sprang, og at omrøringen er ideell. Da øker effekten i varmekolben, og temperaturen øker jevnt i hele tanken.

Figur 1.31 Temperaturprosess med elektrisk varmekolbe

Før måleinstrumentet kan registrere en økning i vanntemperaturen, må varmespiralen varme opp luften inne i kolben. Varmen må bre seg fra luften til kolben og fra kolben til vannet. Illustrert med RC-krets blir det som på figur 1.32. RS

Elektrisk effekt (kW)

1 Rv ।

q

-

'

o------------------------------

Varmespira!

Vannets temperatur Tu

ov-

CK-

Kolbe

—o

Vannet i tanken

Figur 1.32 Ekvivalentskjema for en elektrisk varmekolbe, illustrert med RC-krets

Et måleelement har alltid en eller flere tidskonstanter, men de er ofte små i forhold til proses­ sen. Figur 1.33 viser en typisk sprang-svar-kurve for temperaturprosessen på figur 1.31. Kurven er typisk for en prosess med flere små tidskonstanter og en stor, dominerende tidskonstant.

Figur 1.33 Sprang-svar-kurve for en prosess med flere små én stor tidskonstant I praksis kan slike prosesser, uten at det gjøres store feil, betraktes som en prosess med én dødtid og én stor tidskonstant.

Prosessverdien til tank 1 = h-j

Tank 2

Figur 1.34 Nivåprosess med to tidskonstanter og elektrisk ekvivalentskjema

Prosessverdien til tank 2 = h2 Trykk p2 f

26

Forsterkning Når inngangen og utgangen til en prosess eller et instrument er konstant (statisk), er blokkens forsterkning definert slik:

F = ^Utgang AInngang

Likning 1.1

F = forsterkning

Lineær forsterkning En transformator tilføres vekselspenning på primærsiden. På sekundærsiden tas det ut en høy­ ere spenning. Sammenhengen mellom inngang og utgang er vist på figur 1.35.

Figur 1.35 Sekundærspenningen i en transformator som funksjon av primærspenningen

U2 Forsterkning - —- = konstant over hele området

Forsterkning =

400 - 4 ganger 100

Forsterkningen er pr. definisjon lik stigningen i kurven. På figur 1.35 stiger kurven jevnt over hele området. Da er forsterkningen også den samme over hele området. Når forsterkningen er den samme over hele området, sier vi at den er lineær.

Ulineær forsterkning Figur 1.36 viser karakteristikken til en reguleringsventil. Reguleringsventilen har ulineær karakteristikk. Den lineærkarakteristikken viser at forsterk­ ningen er den samme over hele området, mens forsterkningen varierer for den ulineære. Forsterkningen til ventilen i området A blir 3

3

p = (72-37, 3)m A = 34, 3m /h 3, %mm 3, %mm 9, 13

rn / s mm

27

Figur 1.36 Grafen til en ulineær ventil Forsterkningen til ventilen i området B blir 3

3

F = 8, 8-4, \m /h = 4,7(m /h) 3, Smm 3, Smm ni~ / h = 1,24—— mm

Frekvensavhengig forsterkning (dynamisk forsterkning) Praktisk eksempel for temperaturmålesystemer Anta at et temperaturelement måler temperaturen i et rør med strømmende væske. Prosess­ variabelen måles til å være lik skal-verdien. Figur 1.37 viser arrangementet til temperaturmå­ lingen.

Figur 1.37 Eksempel på temperaturmåling

28 Figur 1.38 viser det elektriske ekvivalentskjemaet for figur 1.37. ■o

CL —

CM __ _

O

Lomme Varmeavledning Måleelement Ra = varmeavledning Tv = væskens temperatur TM = måleelementets temperatur

Figur 1.38 Elektrisk ekvivalentskjema Anta at væskens temperatur, Tv, endrer seg noen grader i løpet av forholdsvis kort tid. Måleverdien Tm vil da være forsinket fordi 1 det tar tid før måleelementet er kommet i temperatur likevekt med prosessmediet 2 det tar tid før målesignalet har nådd fram til instrumentet som gir signalet om forandring I en temperaturmåling med elektroniske instrumenter kan vi se bort fra punkt 2. Punkt 1 spiller derimot en avgjørende rolle i alle temperaturmålinger. Dersom et temperaturelement uten lomme utsettes for plutselige temperaturforandringer, fra Tj til T2, vil oppvarmingen av måleelementet følge en kurve, slik kurve 1 på figur 1.39 viser. Plasseres temperaturelementet i en lomme, forsinkes målesignalet ytterligere. Kurve 2 på figur 1.39 viser dette. Tv(’C)

Figur 1.39 Sprang-svar-diagram for temperaturmålingen på figur 1.37 Dødtiden tD, som kurve 2 viser, skyldes dels den tiden det tar å frakte varme gjennom lom­ mens vegg, dels luften mellom lommen og måleelementets beskyttelsesrør. Tilsvarende ser vi at CL må lades noe før ladning kan overføres via RM til CM.

29 Kurve 2 viser også at den målte temperaturen er lavere enn prosessmediets faktiske tempera­ tur. Det skyldes at målesystemet avgir varme til rørkonstruksjonen (varmeavledning). Viktig Det er viktig å planlegge montasjen av måleelementene nøye, slik at tidskonstanter, dødtider og varmeavledning blir minst mulig.

Kontrollspørsmål 1

2 3

4 5

6 7

Kan du forklare hva som menes med manuelt og automatisk reguleringssystem? Kan du tegne blokkskjema for en reguleringssløyfe? Kan du forklare betydningen til disse reguleringstekniske begrepene: prosess, er-verdi, skal-verdi, forstyrrelse, pådrag, pådragsorganer, åpen sløyfe, lukket sløyfe og avvik. Kan du forklare begrepene tidskonstant og dødtid? Kan du forklare hva som menes med at en prosess har 1 en tidskonstant 2 to tidskonstanter 3 dødtid Kan du forklare begrepet dynamisk forsterkning og hvilke dynamiske elementer som påvirker måleresultatet til temperaturmålingen på figur 1.37? Kan du forklare hva som menes med et sprang-svar-diagram for en prosess?

30 KAPITTEL 2

Prosessteknikk Mål Etter å ha studert dette kapittelet skal du kunne • utføre enkle beregninger av trykktap i rør, varmeovergang i varmevekslere og pumpers kapa­ sitet • gjøre rede for virkemåten til følgende enhetsprosesser for • kompresjon • ekspansjon • destillasjon • separasjon • krystallisering • absorbsjon • adsorbsjon • beskrive helse-, miljø- og sikkerhetskrav i prosessindustrien • gjøre rede for ulykkes-, eksplosjons-, helse- og miljøfarer ved bruk av aktuelle kjemiske stof­ fer og tiltak for å hindre skader på helse og miljø • gjøre rede for bruk av arbeidstillatelser

Strømninger i rørnett Strømningshastighet Når et medium strømmer gjennom et rør, kan strømningshastigheten beregnes ved hjelp av væskevolumet og rørets tverrsnitt.

Strømningshastighet =

strømningsvolum pr. sekund rørets tverrsnitt

Likning 2.1

v er hastigheten angitt i m/s q er strømningsvolum angitt i m3/s A er rørets tverrsnitt angitt i m2 Gjennomstrømningsmasse (massestrøm) Den massen m som flyter gjennom røret, kan beregnes med likningen

m = A•v• p•t der massen m angis i kg p er tettheten til mediet angitt i kg/m3 t er tiden angitt i sekund (s) v er mediets hastighet angitt i m/s

Likning 2.2

31 Hvis tverrsnitt A endres, strømmer den samme væskemengden gjennom røret, men med en annen hastighet.

Figur 2.1 Den samme mengden strømmer gjennom arealene Aj og A2

Av figur 2.1 kan vi sette opp likningen p • A1 • Vj • t = p • Å2 • v2 • t

Likning 2.3

' V1 _ ^2 ' V2

Likning 2.3 viser at når rørets areal reduseres fra A! til A2, øker hastigheten fra v, til v2.

Eksempel Gjennom et rør med en diameter 80 mm strømmer det 26 m vann i timen. Hvor stor fart har vannet? Løsning Arealet A er gitt ved 2

22

A = Kr = ti • (0, 04) = 0, 0050m

26 3600 0, 005

1,44m/5

Nominell rørdiameter, DN, og nominelt trykk, PN Nominell diameter er ikke nøyaktig lik inner- eller ytterdiameteren på røret. En mye brukt syrefast kvalitet, DN 100, har for eksempel følgende mål: d = 109,1 og D = 114,3 mm. Nominelt trykk er heller ikke det samme som maksimalt godkjent driftstrykk i anlegget. En PN16-ledning kan for eksempel være trykktestet og godkjent for 9 bar overtrykk. Forskjellen mellom 16 og 19 bar overtrykk er da en del av den innebygde sikkerheten i anlegget.

Trykktap i rørnett Når et medium strømmer gjennom en rett rørledning, får vi et friksjonstap. Det skyldes den friksjonen som rørveggen gir mot det strømmende mediet. Rør som har rust på innerflatene, gir større friksjon mot det strømmende mediet enn glatte plastrør. Når mediet strømmer gjennom rørbend, ventiler, flenser og innsnevringer, mister mediet trykkenergi. Det viser seg som trykktap.

32 Hvor stort trykktapet blir i rørledningen, er avhengig av flere faktorer, for eksempel ruheten på innerveggen, rørlengden 1, nominell diameter DN, strømningshastigheten v og tettheten p til væsken. Se figur 2.2.

Figur 2.2 Trykktap i rørledning

Trykktap i rørledninger er gitt ved

Likning 2.4

Symbolet X (lambda) står for friksjonsfaktoren og er et mål for rørveggens ruhet. Trykktap i rørarmaturer som ventiler, bend og flenser blir betegnet som enkeltmotstander Z. Se figur 2.3.

Figur 2.3 Trykktap i armaturer Størrelsen på trykktapet er avhengig av tre faktorer: armaturtypen, mediets tetthet og mediets hastighet. Motstanden i armaturen betegnes med formelen

z=&

2 Likning 2.5

Friksjonsfaktoren C, (zeta) i likning 2.5, er avhengig av konstruksjonen til armturen. Zeta (Q finner vi i leverandørens datablader, som beskriver rørarmaturen. Det totale trykktapet i rømettet uttrykkes ApTOT og blir summen av de rette rørledningenes trykktap og enkeltmotstandene, se figur 2.4. △Pl

Figur 2.4 Trykktap i rømett Totalt trykktap i rømett beregnes med

&Ptot =

+ ZZ

33 Eksempel På figur 2.4 er &pT0T gitt ved

^Ptot ~ ^P\ + ^Pz + &P3 + Ap4 +

+ Z2 + Z3

Eksempel Hvor stort er trykktapet i en ventil med friksjonsfaktor på 0,83 når hastigheten til mediet er 1,2 m/s? Mediet er vann med p = 1000 kg/m3.

Løsning 2

7 . p 2 n 2,1000- 1,2 Z = • v =0,83------ - ------ = 597, ora

Karakteristikk til rør Trykktapene i rørene og i enkeltmotstandene (armaturene) øker med strømningshastigheten. Økningen i det samlete trykktapet kan illustreres med et diagram. Det totale trykktapet fram­ stilles som en funksjon av gjennomstrømningsmengden q. Kurven for det samlete trykktapet som funksjon av gjennomstrømningen blir kalt karakteris­ tikken til rømettet. Se figur 2.5. Trykktap

Figur 2.5 Karakteristikken til tre rørnett Rørkarakteristikkene på figur 2.5 er parabler fordi trykktapene i rørene og enkeltmotstandene øker kvadratisk med strømningshastigheten. Dermed øker de også kvadratisk med gjennom­ strømningsmengden. Tilnærmet riktig kan vi si at

^Ptot ~

v

Karakteristikken til et rørnett viser det trykktapet som alle gjennomstrømningsmengder får i dette rømettet. Et rørnett med stort trykktap har en steil karakteristikk i motsetning til et rørnett med et lite trykktap. Jo større gjennomstrømning i rømettet, desto større blir trykktapet i rømettet. Derfor må vi ha stor nok pumpekapasitet til å overvinne motstanden. Eksempel I et rørnett blir rørtverrsnittet innsnevret ved hjelp av et reduksjonsstykke fra DN 80 til DN 50. I rømettet blir det transportert 12 liter vann pr. sekund. Hvor stor er hastigheten i hvert av rørene?

34 Løsning Nominell rørdiameter 80:

3

0, 012m /s -3

~

5, 024 • 10 m Vj = 2, 39m/s

2

Nominell rørdiameter 50: a} - v, = A2-v2

-Uut 2 Uut = A-e

Av dette får vi

L-' =

skal-$Uul

/i

Uut = A(Skal-$Uut) Uut = A ■ Skal

■ A ■ Uut

Ullt ■ (1 + $ A) = A ■ Skal

U t a Det gir F = -2- = -—— 6 Skal 1 + pA

Likning 5.1

A = forsterkning uten tilbakekopling, og F = forsterkning med tilbakekopling. Vi ser at forsterkningen F er mindre enn forsterkningen A uten tilbakekopling, siden 1 + BA er større enn 1. Vi sier at F er den lukkete sløyfens forsterkning.

Eksempel fra analog elektronikk Figur 5.5 viser en invertert forsterkerkopling med operasjonsforsterker.

Figur 5.5 A = operasjonsforsterker uten tilbakekopling Uj - inngangsspenning U2 = utgangsspenning

133 Siden A vanligvis er svært høy for operasjonsforsterkere, ofte større enn 50 000 ganger, kan vi gjøre denne forenklingen: F _

A 1 +M

A = 1 p•A P

Forsterkningen til den inverterte forsterkerkoplingen på figur 5.6 er F = - —-,der — er forsterkningen.

Minustegnet viser at det er fasedreining. Vi stryker minustegnet og får

£2 = 1 P

B = £1 ^2

— er tilbakekoplingsfaktoren for den inverterte forsterkeren.

R2

Figur 5.6 viser et blokkskjema for den inverterte forsterkerkoplingen på figur 5.5.

Figur 5.6 Blokkskjema for den inverterte forsterkerkoplingen Spenningen e er spenningen målt mellom invertert inngang (-) og ikke-invertert inngang (+). Eksempel fra prosessregulering Figur 5.7 viser en reguleringssløyfe i en nivåprosess.

*■ qu Belastning

Figur 5.7

134 Prosess

14 bar tilførsel

Figur 5.8 Reguleringssløyfens blokkskjema

Figur 5.8 viser nivåreguleringssløyfen tegnet med blokkskjema. Den negative tilbakekoplingen er merket minus (-) i regulatorens sammenlikner. At det må være slik, framgår av føl­ gende resonnement. Dersom nivået øker over skal-verdien, må reguleringsventilen stenge mer for å redusere til­ førselen, altså motsatt av er-verdiens bevegelsesretning. Tilsvarende har vi om nivået reduse­ res under skal-verdien, da må reguleringsventilen åpne mer. Regulatorutgangen må da øke motsatt av er-verdiens bevegelsesretning. Grafisk framstilling av forsterkningen Figur 5.9 viser en invertert operasjonsforsterkerkopling.

Figur 5.9 Invertert operasjonsforsterkerkopling

Forsterkningen til den inverterte forsterkeren er c _ ^2 _

Da er

6^2 =

«2

F ■ Ux

Figur 5.10 viser U2 som en funksjon av U, med forsterkning lik 0,5, 1, 2 og 10. Figur 5.10 viser at når forsterkningen øker, blir kurvene steilere. Med stor forsterkning vil U2 avta til -10 V, selv når Uj har små verdier. For eksempel ser vi at når F = 10 ganger, vil en endring av U, fra 0-1 V føre til at U2 endres fra 0 til -10 V. Dersom forsterkningen F = 100, vil en endring av U, fra 0 til 0,1 V føre til at U2 endrer seg fra 0 til -10 V.

Vi ser at forsterkerens følsomhet for endringer i U, øker når forsterkningen øker.

135

Figur 5.10 Grafisk framstilling av U2 som funksjon av U7

Forklaring til positiv tilbakekopling Negativ tilbakekopling fikk vi fordi forsterkeren A fasedreide -180° og leddet B ikke gav noen fasedreining. La oss nå si at forsterkeren A fasedreier -360°. Det betyr at B • Uut får samme fortegn som Uinn.

Figur 5.11 Positiv tilbakekopling Av figur 5.11 kan vi sette opp

1

e = Skal + $-Uut

1 Uu, = A-e

uu,

=>~r = Skal + P U,„ A

=> Uut(fi - pA) = Skal- A

ut _ A Skal ~ 1-p-A

Likning 5.2

Her ser vi at nevneren blir mindre enn 1. Det betyr at F > A. Dersom BA = 1, vil likningen gi F I praksis kan ikke dette skje. Vi vil i stedet få ustabil sløyfe.

136 Eksempel Anta at nivåreguleringssløyfen på figur 5.7 har positiv tilbakekopling, og at væskenivået stiger over skal-verdien. Et økende nivå vil da gjøre at reguleringsventilen åpner enda mer. Nivået stiger da ytterligere, men det økende nivået fører bare til enda større åpning på reguleringsven­ tilen. Tanken fylles helt, og væsken renner over. Tilsvarende har vi om nivået er under skal-verdien. Tanken vil tappes helt fordi regulerings­ ventilen stenger. I andre tilfeller kan ustabiliteten resultere i at måleverdien pendler rundt, over eller under skal-verdien. Positiv tilbakekopling gir ingen regulering, men ustabilitet.

Ikke-kontinuerlig regulering Av/på-regulering Ved av/på-regulering kan pådragsorganet innta bare to stillinger - av eller på. Dersom pådragsorganet er en ventil, kan den bare være helt åpen eller helt lukket. Fordelen med av/på-regulering er at utrustningen er enkel og ukomplisert. Det eneste som trengs, er en enhet som kan kople utgangen av eller på avhengig av om er-verdien er større eller mindre enn skal-verdien. Noen eksempler på apparater som benytter av/på-regulering, er: • kjøleskap og frysebokser • komfyrer og stykejem • panelovner • vaskemaskiner

Figur 5.12 Vaskemaskiner benytter avlpå-regulering

En ulempe med disse reguleringssiøyfene er at de er lite nøyaktige. Vi får alltid svingninger i prosessverdien. Pådraget varierer mellom to verdier, og det gjør at er-verdien også vil variere mellom to verdier. Amplituden og frekvensen på svingningene avhenger av egenskapene til den prosessen som skal reguleres. Dersom amplituden blir større enn det som kan aksepteres, må vi benytte mer avanserte former for regulering. Eksempel Av/på-regulering av temperaturen i en ovn Vi skal som eksempel studere av/på-regulering av temperaturen i en ovn med elektrisk pådragsorgan, se figur 5.13.

137

AT = forskjellen mellom den temperaturen som kopler effekten inn, og den temperaturen som kopler effekten ut (°C). Denne forskjellen kalles for termostatens differensial. I = sammentrykningen av fjæren (m) A = belgens areal (m2) p = trykket i kapillarrøret (bar)

Figur 5.13 Av/på-regulering av en ovn med mekanisk termostat

Kolben, kapillarrøret og belgen er væskefylt. Anta at temperaturen i ovnen øker. Temperaturen på væsken i kolben øker, og væsken utvider seg. Da øker trykket i kolben, kapillarrøret og bel­ gen. Differensial skruen presses oppover mot fjæren, med kraften FB = p • A. Fb motvirkes av den nedadrettete fjærkraften Ff = k • 1, der k er fjærkonstanten. Ved en gitt temperatur vil nedre kant av differensialåpningen AT påvirke relétungen. Da kopler releet og bryter effekten til varmeelementet. Nå synker temperaturen i ovnen og kolben, og trykket i kapillarrøret og belgen synker også. Fjæren presser differensialskruen og belgen nedover. Ved en gitt temperatur vil øvre kant av differensialåpningen påvirke relétungen. Da kopler igjen releet og legger inn effekten til varmeelementet. Vi ser at differensialåpningen AT gir oss forskjellen mellom den temperaturen releet kopler ut ved, og den temperaturen releet kopler inn ved. AT kalles både termostatens differensial, hysterese og dødsone. Vi skal bruke begrepet «differensial». Blokkskjema Figur 5.14 viser reguleringssløyfens blokkskjema.

Figur 5.14 Blokkskjema for av/på-reguleringen

138 Svingninger i ovnstemperaturen Siden varmeelementet må bli varmt før ovnstemperaturen begynner å stige, foregår tempera­ turstigningen til å begynne med langsomt, fordi prosessen har flere tidskonstanter, se figur 5.15.

Dødtid

Figur 5.15 Grafisk framstilling av oppvarmingen og svingninger i temperaturen med termostatreguleringen

Kurven er nå hovedsakelig bestemt av ovnens store tidskonstant. Når temperaturen etter en tid har nådd skal-verdien, skulle termostaten bryte effekttilførselen, men det skjer ikke. Det kom­ mer av at måleelementet (kolben) og lommen også har en tidskonstant. Væsken i kolben regis­ trerer derfor lavere temperatur enn omgivelsestemperaturen - ovnstemperaturen. Temperaturen fortsetter å stige, også etter at termostaten har brutt effekttilførselen. Det skyldes at den ettervarmen som varmeelementet avgir, har høyere temperatur enn ovnsluften. Ovnstemperaturen begynner å synke. Termostaten kopler inn effekten, men nå viser det seg at temperaturen fortsetter å synke litt. Det skyldes at varmeelementet må varmes opp til en temperatur som er høyere enn ovnstemperaturen, før det kan avgi varme. Dersom termostatreguleringen (av/på-reguleringen) skal fungere godt, er disse tre punktene avgjørende:

1 Prosessens tidskonstant og dødtid 2 Måleelementets tidskonstant 3 Tilført effekt Prosessen bør ha stor tidskonstant og liten dødtid. Er tidskonstanten liten, blir svingningsfrekvensen høy, og det kan skade releet og termostaten. Prosessens dødtid , det vil si den tiden det tar å transportere varme mellom varmeelementet og måleelementet, må være kort, ellers blir ettervarmingen for stor. Det fører igjen til at svingningenes amplitude blir for stor. Varmeelementets effekt må tilpasses prosessen. For stor effekt gjør at oversvinget blir for stort. For liten effekt fører i verste fall til at prosessverdien ikke kan nå opp til skal-verdien. Figur 5.16 viser tre typer av/på-regulatorer: to elektroniske termostater og en mekanisk ter­ mostat.

139

Kontinuerlig regulering Kontinuerlige regulatorer Figur 5.17 viser en typisk reguleringssløyfe for kontinuerlig regulering. Denne reguleringssløyfen består av • prosessen som skal reguleres • måleomformer • regulator • reguleringsventil med ventilstiller

——Ut (prosessbelastning)

Figur 5.17 Reguleringssløyfe for kontinuerlig regulering

140 Vi skal gjennomgå noen begreper knyttet til kontinuerlige regulatorer. Til det skal vi benytte figur 5.18.

Figur 5.18 Prinsipiell skisse av en kontinuerlig regulator MAN/AUTO - Med venderen i manuell stilling kan regulatorutgangen kjøres manuelt med trykk-knappene øke/minke. I auto virker regulatoren som en automatisk kontinuerlig regula­ tor. P, I og D - Regulatorens forsterkningsparametrer, vanligvis kalt regulatorparametrene

DU/RU - Forkortelsene står for direkte utgang (DU) og revers utgang (RU). Direkte utgang medfører at økende er-verdi gir økende utgang. Revers utgang gir minkende utgang når er-ver­ dien øker.

FS/LS - Forkortelsene står for fjernstyrt skal-verdi (FS) og lokal skal-verdi (LS) (eng. remote set-point (RS) og local set-point (LS)). Fjernstyrt skal-verdi betyr at skal-verdien kommer fra en annen regulator eller en datamaskin. Den proporsjonale regulatoren (P-regulatoren) Likningen for en rett linje er

y - k•x+ 1

k er stigningen

Likning 5.3 Ay Av

/ er skjæringen på y-aksen

x er den variable størrelsen

141

Figur 5.19 Grafisk framstilling av en rett linje Den proporsjonale regulatoren er konstruert for å arbeide etter likningen yp = F -e + offset

Likning 5.4

Offset kalles også nullpunktforskyvning.

Her er yp regulatorutgangen, F er forsterkningen og e er reguleringsavviket. Offset er skjærin­ gen mellom aksen og regulatorutgangen yp. Figur 5.20 viser en grafisk framstilling av likning 5.4.

Vi ser at den grafiske framstillingen av den proporsjonale regulatorens likning er en rett linje.

y = k • x + 1 (Som vi ser er den rette linjens likning lik likningen for den proporsjonale regu­ latoren.) yp = F • e + offset I alle regulatorer er forsterkningen F justerbar. Typisk justeringsområde er 0,1 til 100 ganger. I en direkte regulator, DU, har vi

e = Er - Skal I en reversert regulator, RU, har vi

e = Skal - Er

142 Offset har vanligvis verdien 50 %. Da har regulatoren best reguleringsevne, 50 % oppover mot 100 % og 50 % ned mot 0 %. I en elektronisk regulator tilsvarer 50 % 12 mA. Da har vi yp = F • e + 50 %

Likning 5.5

eller yp = F • e + 12 mA

Likning 5.6

Av likningen ser vi at regulatorutgangen 12 mA er lik 50 % når avviket e er lik null. Et eksempel på en proporsjonal regulator koplet med operasjonsforsterkere vises på figur 5.21.

Offset-justeringen (nullpunktforskyvningen) er en intern justering i regulatoren. Den justeres for fast innstilling og røres ikke under normal drift.

Figur 5.21 Regulering med proporsjonal regulator Figur 5.22 viser en nivåregulering med proporsjonal regulator. Når vi bruker proporsjonal regulator sier vi at reguleringssløyfen er en proporsjonal regulering. LT = måleomformer for nivå LIC = proporsjonal regulator LY = strøm-til-luft-omformer Virkemåte La oss si at skal-verdien er 0,5 m. Det tilsvarer 50 % av hele måleområdet. Belastningen er innstilt på 50 %. Reguleringssløyfen er konstruert slik at reguleringsventilen nå har 50 % åpning. Dersom reguleringsventilen skal ha 50 % åpning, må regulatorens utgang være 12 mA. Da må reguleringsavviket e være lik null. Det ser vi av

yp = F ■ 0 + V2mA = \2mA Vi tenker oss nå at belastningsventilen åpnes med 10 %, fra 50 % til 60 %. Gjennomstrømnin­ gen ut av tanken øker med 10 %. Nivået begynner å synke, LT reduserer utgangsnivået, og erverdien synker. Regulatoren sammenlikner er-verdien med skal-verdien, og reguleringsavviket blir nå større enn null.

143

LT

Figur 5.22 Proporsjonal regulering av en nivåprosess e = skal - er = 50 % - 40 % = 10 %

Regulatorens utgang øker, og reguleringsventilen åpner mer for å kompensere for den økte belastningen. Det ideelle ville nå vært at reguleringsventilen åpnet akkurat så mye at er-ver­ dien ble brakt tilbake til skal-verdien. Det er ikke mulig med proporsjonal regulator. Når belastningen øker, må reguleringsventilens ventilplugg bringes til en posisjon som gir balanse i systemet. Vannstrømmen inn må gjøres lik vannstrømmen ut, ellers renner tanken tom. Da må regulatorens utgang holdes større enn 12 mA. Det vil si at regulatorens utgang, y , må være større enn 12 mA. Da blir ikke avviket e = 0. Vi har et varig reguleringsavvik. Likningen for regulatorutgang kan skrives som

y - 12mA z?

—

__ £___________________

Likningen viser at avviket e kan reduseres ved at vi øker forsterkningen F. Dersom F blir for stor, kan reguleringssløyfen bli ustabil. Dermed blir det svingninger i prosessvariabelen, nivået.

144 Figur 5.23 viser en grafisk framstilling av yp = F • e + 12 mA

Figur 5.23 viser at reguleringsavviket kan reduseres dersom vi øker forsterkningen F. For­ sterkningen må ikke gjøres for stor, men tilpasses den prosessen som skal reguleres.

Figur 5.23 Grafisk framstilling av den proporsjonle regulatorens likning

Dersom er-verdien blir styrt sakte tilbake til skal-verdien etter at et avvik er oppstått, er for­ sterkningen for lav. Det vil si at ventilen ikke er blitt åpnet nok til å kunne kompensere for avviket, se figur 5.24. Er det derimot slik at en liten endring i er-verdien fører til for stor ventilåpning, blir det til­ ført for mye vann til tanken. Det fører igjen til at er-verdien svinger over skal-verdien. Dersom forsterkningen er altfor stor, kan reguleringssløyfen bli ustabil. Reguleringsventilen vil da vandre mellom helt stengt eller helt åpen. Regulatoren oppfører seg nå som en av/på-regulator.

Figur 5.24 Svingninger i er-verdien med forskjellig innstilte forsterkninger

145 Eksempel Vi skal illustrere begrepet «reguleringsavvik» med et mekanisk reguleringssystem, se fiuur 5.25. Nivået blir regulert med flottøren, vektarmen og ventilen. Systemet er stabilt (i ro) når det renner like mye inn som det renner ut.

La oss si at belastningsventilen på figur 5.25 er justert slik at nivået balanserer og er stabili­ sert på skal-verdien. Hvis belastningsventilen blir åpnet slik at det renner mer vann ut av tan­ ken, må reguleringsventilen åpne mer for å kompensere for økningen i uttaket. For at reguleringsventilen skal holde større åpning, stabiliserer væskemengden seg på et nytt og lavere nivå. Differansen mellom det forrige nivået og det nye nivået kaller vi reguleringsavviket.

146 Begrepet proporsjonalbånd Proporsjonalbånd defineres som

PB = f- 100 [%] r Proporsjonalbåndet er den inverse verdien av forsterkningen regnet i prosent. Figur 5.26 viser en grafisk framstilling av den proporsjonale regulatorens likning. Regulatorutgang (mA)

+e PB = 100

PB = 50 %

0,75

0,25

Nivå m

Figur 5.26 Grafisk framstilling av likningen for en proporsjonal regulator

Kurven for F = 1, 2 og 10 er tegnet inn i diagrammet. Tilhørende proporsjonalbånd er da F=1 PB =100 % F=2 PB = 50 % F = 10 PB = 10%

Definisjon Dersom nivået i tanken varierer innenfor de proporsjonale grensene, blir pådragsorganet styrt over hele sitt område. Eller: Proporsjonalbåndet viser den prosentvise endringen i prosessvariabelen som skal til for å styre pådragsorganet over hele sitt område.

147 Tilbakekoplingsfaktoren Tidligere i dette kapittelet så vi at tilbakekoplingsfaktoren B var den inverse verdien av for­ sterkningen

Vi ser da at proporsjonalbåndet er tilbakekoplingsfaktoren i prosent. I nivåreguleringen på figur 5.22 viser tilbakekoplingsfaktoren til måleområdet 0-1 m. B = 1 => hele nivåområdet (utgangen) tilbakekoplet (0-1 m) B = 0,5 => halve nivåområdet (utgangen) tilbakekoplet (0,5 m) Det vil si at jo mindre av utgangen som tilbakekoples, desto større blir forsterkningen. Dette svarer til teorien fra elektronisk forsterkerteknikk. Figur 5.27 viser en ikke-invertert operasjonsforsterkerkopling.

Figur 5.27 Ikke-invertert operasjonsforsterkerkopling

R] og R2 gir tilbakekopling av U2. Tilbakekoplingsfaktoren er

Dersom R2 = 0, koples U2 tilbake. Forsterkningen blir 1 og proporsjonalbåndet 100 %. Det betyr at dersom U2 skal endres fra 0 til 10 V, må også U) endres fra 0 til 10 V. Tilsvarende har vi om R2 = 100 kQ blir B = 0,5 og proporsjonalbåndet er lik 50 %. Dersom U2 skal endres fra 0 til 10 V, må U] endres fra 0 til 5 V.

148 Reversert og direkte regulatorutgang I vårt eksempel med nivåregulering på figur 5.22 vil økende nivå resultere i redusert utgang fra regulatoren, for at reguleringsventilen skal stenge ytterligere. Økende er-verdi gir redusert utgang. Vi kaller det reversert regulatorutgang (RU) (eng. reverse action). I andre tilfeller må regulatoren ha direkte utgang (DU), det vil si: økende er-verdi må gi økende regulatorutgang (eng. direct action). Et eksempel på dette er den kjøleprosessen som vises på figur 5.28

Figur 5.28 Kjøleprosessen må ha direkte regulatorutgang

Dersom er-verdien øker, må regulatorutgangen øke for at reguleringsventilen skal åpne mer. Figur 5.30 viser sammenhengen mellom de forskjellige signalene i reguleringssløyfen som vises på figur 5.22. De heltrukne linjene gjelder for denne reguleringssløyfen. Vi ser at avta­ gende nivå gir økende regulatorutgang og dermed større gjennomstrømning i reguleringsventi­ len.

Proporsjonale og integrerende regulatorer (PI-regulator) Integrerende forsterker (I-forsterker) Figur 5.29 viser en integrerende forsterker (I-forsterker).

Figur 5.29 I-forsterker

149 Integralforsterkeren på figur 5.29 mottar avvikssignalet e. La oss si at e endres med et sprang, slik som på figur 5.30. Hvordan blir da funksjonen y,? Avvik e (V)

0 ----- ------------------------------------------------------- ► Tid

Figur 5.30 Sprangendring i avviket e

Figuren viser at avviket endres fra en spenning større enn 0 V. Følgende likninger kan settes opp etter figur 5.29:

1

e = i-• R 1

3

Q(. = iu ■ t

2 y- = — C

(Det vil si ladningen til C.)

Likning 2 + 3 gir U

Men / u =

=

C

R

-e Dette gir UM = —

Daer

Likning 5.7

I-forsterkerens, eller om vi vil I-regulatorens, likning er da A

£

y' ~ ~R C '

1

Likning 5.8

der At er tidsintervallet t2-tj.

Generelt har vi ti

Likning 5.9 ri

Fortegnet foran brøken blir endret når avviket skifter fortegn.

150 En grafisk framstilling av yt vises på figur 5.31.

Vi ser at stigningen til kurvene er bestemt av R • C og avviket e. Hvilken kvadrant kurven lig­ ger i, er bestemt av avvikets fortegn. Integratorens utgang skifter derfor ikke retning før avviket skifter fortegn.

Figur 5.32 viser I-regulatorens utgang når avviket e endres sprangvis.

Figur 5.32 Sprang-svar-kurve for en I-regulator

151 Eksempel på nivåregulering med I-regulator Den proporsjonale regulatoren i nivåsløyfen skiftes ut med en I-regulator, se figur 5.33. Skalverdien er 0,5 m (50 %) og avviket er i utgangspunktet lik null (e = 0). Vi innfører en sprangvis økning i belastningen.

Figur 5.33 Nivåregulering med I-regulator Vi antar at belastningsøkningen er på 10 %, det vil si at belastningen øker fra 50 % til 60 %. Nivået begynner nå å synke, og regulatoren registrerer et positivt økende avvik.

e = Skal - Er = 50 % - 60 % = - 10 %. Samtidig øker regulatoren styresignalet til reguleringsventilen som da begynner å åpne mer. Styresignalet øker helt til avviket er fjernet, det vil si helt til e = 0.

Figur 5.34 Figuren viser hvordan regulatorutgangen endrer seg når avviket e forandrer seg

152 Hvis I-regulatoren er riktig innstilt, vil regulatorens utgangssignal til slutt stille ventilen i en posisjon som ikke gir reguleringsavvik, selv ikke ved økt belastning. I-regulatorens I-tid, R • C, må være riktig innstilt i forhold til tregheten i reguleringssløyfen for å virke tilfredsstillende. Hvis R ■ C er for stor, arbeider regulatoren for langsomt. Hvis R • C er for liten, endrer I-regulatorens utgangssignal seg for hurtig, noe som igjen fører til ustabilitet. En I-forsterker brukes aldri alene som regulator, men sammen med en P-forsterker.

PI-regulatoren Når vi setter en PI-regulator inn i en reguleringssløyfe, får vi en PI-regulering. Likningen for en PI-regulator er

F•e y • = F e + -——— • Ar + startverdi pi I — tid

Likning 5.10

F = regulatorens proporsjonale forsterkning e = reguleringsavviket ITID = integrasjonstiden og tilsvarer R • C i likningen for I-regulator

Likningen gjelder bare når avviket endres i ett sprang og holdes konstant innenfor en tidsperi­ ode fra t, til t2. t2 - tj = At

Den generelle likningen for en PI-regulator er rl

Likning 5.11

dt + startverdi r2

Eksempel på en PI-regulator med operasjonsforsterker Figur 5.35 viser en prinsippskisse av en PI-regulator, tegnet med operasjonsforsterker. Merk at det er ikke tatt hensyn til fasevending i integratoren. F

Figur 5.35 Prinsippfigur av en PI-regulator med operasjonsforsterker

153 PI-regulatorens blokkskjema vises på figur 5.36.

Er-verdi

Figur 5.36 Blokkskjema for Pl-regulator Legg merke til at den proporsjonale forsterkningen F også inngår i I-forsterkerens utgang.

Sprang-svar-diagram Vi antar at Pl-regulatoren står i åpen sløyfe, koplet opp på laboratoriet som vist på figur 5.37.

Figur 5.37 Pl-regulator koplet i åpen sløyfe Skal-verdien er satt til 50 %. Er-verdien er 50 %, det vil si 12 mA, og avviket e = 0. Utgangen yp, er da 50 % (12 mA). Det gjøres et sprang i er-verdien fra 12 mA til 14 mA. Vi antar at regulatoren er direktevirkende, slik at økende er-verdi gir økende regulatorutgang. Figur 5.38 viser hvordan PI-regulatorens utgang endrer seg.

Figur 5.38 Sprang-svar-diagram for en Pl-regulator i åpen sløyfe

154 P-forsterkeren gir først sin respons med størrelsen F • e. I-forsterkeren gir sitt bidrag over tid, og bidraget vokser med vinkelen O. O er gitt ved

= z7?vtan-------/ - tid

Likning 5.12

I-tid Hvor hurtig I-bidraget skal vokse, kan vi bestemme med en innstilling på regulatoren, kalt Itid eller reset-tid. Definisjon I-tiden er den tiden det tar å gi regulatorutgangen et bidrag som er like stort som det propor­ sjonale bidraget F • e.

Dette er vist på figur 5.37. I-tiden måler min/repetisjon. Med repetisjon menes repetisjon av det proporsjonale spranget F • e. Ofte oppgis den inverse verdien repetisjon!min, det vil si antall repetisjoner pr. minutt.

Eksempel med gjentatte sprang Figur 5.39 viser sprang-svar-kurver for en PI-regulator ved gjentatte sprang rundt skal-ver­ dien. Regulatoren er i dette tilfellet direktekoplet.

Figur 5.39 Sprang-svar-kurver for PI-regulator

I-tid = 2 min/repetisjon P-bånd = 100 % Direkte utgang

155 Alternativ likning for Pl-regulator Noen fabrikanter lager Pl-regulatorer etter likningen £ Vp, = F • e H--------- , • Ar + startverdi ■ /z I-tid

Likning 5.13

Vi ser at denne integratoren bare registrerer avviket. Figur 5.40 viser en slik Pl-regulator koplet med operasjonsforsterker. r2

Figur 5.40 Alternativ kopling av Pl-regulator

Eksempel Figur 5.41 viser avviksendringer i en Pl-regulator. Regulatoren er direktevirkende. +e (mAU 2

t (min) 2 -e (mA)’

Regulatoren er direktevirkende

20 16

Regulator for utgangen (mA)

12 8

Figur 5.41 Avviksendringer i en Pl-regulator

—।+------- >------- 1------- .------- +------- +------- r------ +------- >------ ► t (min) 0123456789

a Tegn kurver som viser hvordan regulatorutgangen endrer seg når I-tiden er 1 min/repetisjon og proporsjonalbåndet er 100 %.

b Gjenta oppgave a når I-tiden er 2 min/repetisjon og proporsjonalbåndet er 50 %.

156 Løsning Med gjentatte sprang følger ofte en PI-regulator likningen F■€ ypi - F ■ e -\—— ■ Åt + startverdi

Figur 5.42 Løsning på oppgave a

Figur 5.43 Løsning på oppgve b

157

PID-regulatoren Den deriverende forsterkeren (D-forsterker) En tredje forsterker som brukes i regulatorer, er deriverende forsterker. En deriverende forsterkerkopling koplet med operasjonsforsterker vises på figur 5.44.

Figur 5.44 Deriverende forsterker (D-forsterker) koplet med operasjonsforsterker

Kondensatoren C lades etter likningen Q = f • t = e • C =>/’, = ——

Spenningen yD kan skrives som Yd = É •R Men ij = - i2 Vi får da

5d _ ~R ~

e•C T~

Likning 5.14

Likningen gjelder bare for sprangendringer.

Av likning 5.14 ser vi at yD —> oo når t —» 0 og yD —> 0 når t —> =*=

Den generelle likningen for D-forsterkeren er Likning 5.15

Tidskonstanten R • C kalles for regulatorens D-tid.

158 Funksjonen til D-forsterkeren er slik at forsterkerens utgang er forskjellig fra null bare når avviket e endrer seg (har en stigning). Avviket e endrer seg raskere jo kraftigere bidraget fra den derivative forsterkeren er. Når avviket e er konstant, er utgangssignalet yD = 0. Derivasjonsforsterkeren, D-forsterkeren, anvendes aldri alene, men sammen med P-forsterker. Vi får da PD- og PID-regulatorer. Den deriverende delen i en PID-regulator har to funksjoner: Den gjør reguleringssløyfen hurtigere og forbedrer reguleringssløyfens stabilitet. Skjemaet for en PID-regulator koplet med operasjonsforsterkere vises på figur 5.45. Stiplete linjer viser at inngangen til D-forsterkeren kan hentes fra er-verdien, avviket e eller F • e.

Figur 5.45 PID-regulator koplet med operasjonsforsterkere. Alternativt valg av inngangssignal for D-forsterkeren vises med stiplet linje

Likningen for en PID-regulator når avviket e endres i ett sprang, blir

„ F■e. D ,. yPlD = F ■ e + + ~e + startverdi

Likning 5.16

der D er D-tiden og I er I-tiden. D-tiden viser hvor lenge D-virkningen varer. I praksis kan inngangen til D-forsterkeren hentes fra andre steder i regulatoren. Det er vist med stiplete linjer på figur 5.47. Den generelle likningen for en PID-regulator er i~>

r F f ypiD = F e + -\e dt + D-tid

dt

+ startverdi

Likning 5.17

159 Definisjon av D-tid For å illustrere begrepet D-tid kan vi bruke en skisse av en PD-regulator. Se figur 5.46.

Figur 5.46 PD-regulator koplet med operasjonsforsterkere

På figur 5.47 begynner et lineært økende avvik ved tidspunktet t0. Regulatorens utgang endres i et sprang fra D-forsterkeren. yPD stiger lineært som følge av den proporsjonale virkningen.

Figur 5.47 Kurver for definisjon av D-tid Definisjon Vi tar utgangspunkt i en PD-regulator der er-verdien endres lineært.

Den tiden som går med før P-bidraget er like stort som D-bidraget, er D-tiden. Figur 5.48 viser hvordan utgangssignalet fra hver av forsterkerne i en ideell PID-regulator ser ut ved en gitt endring i avviket e. Utgangssignalet yPID er summen av de tre bidragene. Ved å endre på regulatorparametrene F, I-tid og D-tid kan vi endre bidraget fra de enkelte forster­ kerne.

160 Når avviket øker, gir D-forsterkeren et bidrag med samme fortegn som P-forsterkeren. Det ekstra pådraget fra D-forsterkeren gjør at avviket ved tilfeldige forstyrrelser dempes hurtigere. Når avviket avtar, gir D-forsterkeren et bidrag til regulatorutgangen med motsatt fortegn av P-forsterkeren. D-forsterkeren motvirker dermed svingninger i prosessvariabelen og øker sta­ biliteten i reguleringssløyfen.

Figur 5.48 Utsignalene fra forsterkerne i en PID-regulator

Hva skjer i en ustabil reguleringssløyfe? Vi skal med et eksempel vise hva som skjer i reguleringssløyfen når den blir ustabil. Med usta­ bil mener vi at det er svingninger i prosessvariabelen som forplanter seg til alle signalene i hele reguleringssløyfen, se figur 5.49. Prosess

Figur 5.49 Svingninger i en reguleringssløyfe

161 Er-verdien måles og sammenliknes med skal-verdien. Avviket blir bearbeidet i regulatorens forsterkere. Regulatorens utgang styrer reguleringsventilen. Minustegnet i summeringspunktet viser at tilbakekoplingen er negativ. Den må være nega­ tiv fordi økende er-verdi utløser en reduksjon i pådraget og motsatt. Tilbakekopling medfører alltid fare for oscillasjon. Når et avvik skal fjernes, kan det tenkes at regulatoren reagerer motsatt av hva den skal. Det kan skyldes forsinkelser i prosessen på grunn av tidskonstanter og dødtid. Den er-verdien som måles i øyeblikket, er ikke den vi egentlig skulle målt, for den har nemlig ikke nådd fram til målepunktet enda. Studer figur 5.49 og de sinussvingningene som er tegnet inn der. Vi begynner med er-ver­ dien. I summeringspunktet subtraheres er-verdien fra skal-verdien. Her fasevendes signalet 180°, fordi en økende prosessvariabel skal redusere pådraget. Vi antar at forsterkeren i regulatoren ikke har noen faseforskyvning. Da følger pådraget utgangen til regulatoren.

Drøfting av situasjonen når reguleringssløyfen er ustabil En periode av en svingning kaller vi t tidsenheter, se figur 5.50. På figuren er en periode av svingningen avmerket.

Figur 5.50 Svingning i prosessvariabelen Den målingen som i øyeblikket blir utført, viser for høy prosessvariabel, punkt A på kurven i målepunktet. Etter en fasedreining på -180° reduseres pådraget. Er-verdien fortsetter å stige fordi det nye pådraget bruker t/2 tidsenheter på å nå fram til målestedet. Pådraget vil derfor fortsatt reduse­ res kontinuerlig. Ved B begynner prosessverdien å synke, den synker til punkt C på kurven i målepunktet. Under stabile forhold skulle nå prosessverdien slutte å endre seg, men fordi prosessen gir en faseforskyvning på -180° (t/2 tidsenheter), kommer nå virkningen fra pådraget fram til måle­ punktet. Dette pådraget var reduksjon i regulatorutgangen. Derfor vil nå prosessvariabelen fortsette å synke, punkt D. I summeringspunktet fasevendes det negative avviket, og pådraget begynner å øke. Denne økningen må ha t/2 tidsenheter på å nå fram til målepunktet. I målepunktet blir prosessverdien fortsatt redusert på grunn av virkningen fra den foregå­ ende halvperioden. Når verdien i punkt B har kommet fram til målepunktet, begynner prosess­ verdien igjen å stige, den stiger til verdien av punkt C er framme ved målestedet. Nå skulle energiøkningen i målepunktet stoppe, men nå kommer økningen i regulatorutgangen t/2 tids­ enheter tidligere til målepunktet. Prosessverdien fortsetter derfor å øke. Om forsterkningen i sløyfen er større enn 1, blir alt energitap i sløyfen opphevet, og sløyfen svinger udempet (harmonisk). Er faseforskyvningen i regulatoren null utover -180°, svinger prosessen med sin naturlige periode. Den naturlige perioden dannes av prosessens utstyr, blant annet av tanker, masser, pneumatisk utstyr, miksere, blandere, varmevekslere og ventiler.

162 Definisjon En reguleringssløyfe er ustabil når sløyfens totale fasedreining er -360 fens totale forsterkning er større enn eller lik 1.

samtidig som sløy­

Alternative reguleringsprinsipper Vi har nå gjennomgått reguleringssløyfer der regulatoren er koplet inn mellom måleelementet og pådragsorganet på regulatoren. Denne typen regulering kalles konstantreguiering eller regulatortilbakekopling. I mange til­ feller er det mer enn én forstyrrelse som innvirker på prosessen. Hvis vi krever at prosessen skal være nøyaktig, er ofte konstantreguleringen ikke god nok. Vi kan da utvide regulerings­ sløyfen til • kaskaderegulering • forholdsregulering • foroverkopling Kaskaderegulering Se figur 5.34. Gå ut fra at kravet til konstant nivå er strengt. I væsketilførselen er forholdet slik at trykket kan variere. Når trykket i tilførselen varierer, fører det til at strømningen inn til tanken varierer selv om reguleringsventilen ikke endrer posisjon. Vi må få kontroll over forstyrrelsene i tilførselen. Det kan vi gjøre ved hjelp av en kaskaderegulering. På figur 5.51 har vi vist en kaskaderegulering av væskenivå.

Figur 5.51 Kaskaderegulering av væskenivå

163 Virkemåte Vi antar at nivåregulatoren registrerer et avvik lik null. Dersom trykket P øker, øker også q .... FT-1 registrerer at gjennomstrømningen øker. Siden tidskonstantene i denne sløyfen er små. korrigerer FIC-1 raskt for økningen i gjennomstrømningen ved å redusere ventilåpningen. Forstyrrelsene i tilførselen er dermed kompensert før nivået endres i tanken. Dersom belastningen qut øker eller minker, øker eller minker nivået. LIC korrigerer for denne forstyrrelsen ved å endre skal-verdien til FIC. FIC kalles for underordnet regulator, og LIC kalles for overordnet regulator. Den underordnete regulatoren kalles ofte slaveregulator, mens den overordnete ofte kalles masterregulator. Av blokkskjemaet på figur 5.52 ser vi at FIC er koplet i serie med LIC. Av dette kommer begrepet kaskadekoplete regulatorer. LIC

FIC

Forholdsregulering I en forholdsregulering skal to variabler reguleres slik at de har et konstant forhold til hveran­ dre. Det er typisk at to stoffer skal blandes i en kjemisk prosess. Eksempel Vi tar utgangspunkt i at en blanding skal inneholde 80 % av stoff A og 20 % av stoff B, se figur 5.53 Gjennomstrømningen A multipliseres da med 0,25. Produktet A • 0,25 bruker vi som skal-verdi for regulatoren til stoff B. I moderne regulatorer programmerer vi A • 0,25 inn i FIC. Regulatoren FIC blir da kalt FFIC. Figur 5.53 viser en nivåprosess med forholdsregulering.

164 FT-2 måler gjennomstrømningen av stoff A. Det er viktig å tilpasse signalet fra FT-2 slik at ventilposisjonen blir endret så mye som nødvendig, for å kompensere for forstyrrelsen. For å kunne tilpasse dette signalet benytter vi forsterker med justerbar forsterkning og nullpunkt. Om gjennomstrømningen A blir større eller mindre enn den normale gjennomstrømningen, får vi et positivt eller negativt tilskudd fra forsterkeren FY 2.

Foroverkopling I noen prosesser kan det gå lang tid fra en forstyrrelse opptrer til er-verdien igjen er lik skalverdien. 1 slike prosesser kan vi plassere et måleelement som hurtig oppdager forandringer. Slik kan vi «komme forstyrrelsen i forkjøpet». Figur 5.54 viser en foroverkopling koplet til en gjennomstrømningsregulator.

Dersom gjennomstrømningen A blir endret, blir forstyrrelsen koplet forover til gjennomstrømningsregulatoren, som kompenserer for endringen ved å justere qut tilsvarende. Dersom FY-2 er riktig innstilt, blir nivåendringen minimal.

165 Legg merke til at en foroverkopling ikke inneholder noen form for tilbakekopling av prosess­ variabelen - her nivået h. Foroverkoplingen vil derfor ikke bli brukt alene uten en tilbakeko­ plet sløyfe for nivået. Figur 5.55 viser en slik løsning.

Figur 5.55 Foroverkopling koplet sammen med tilbakekoplet sløyfe

Nivåregulatoren LIC og gjennomstrømningsregulatoren FIC utgjør en kaskaderegulering. Dersom gjennomstrømningen av stoff A endrer seg, blir det koplet forover i prosessen, og FIC korrigerer raskt ved å justere qut. LIC foretar bare små justeringer for å holde nivået konstant. Denne koplingen er svært rask og nøyaktig.

166

Trykkregulering Figur 5.56 viser eksempler på trykkregulering.

Figur 5.56

Trykkregulering i en separasjonsprosess Ved et visst forhold mellom trykk og temperatur går all væske over til gass og all gass over til væske. Mellom disse tilstandene er temperaturen konstant når trykket er konstant på grunn av fordampningsvarmen. I dette mellomområdet er det mulig med trykkregulering, det vil si å oppnå en bestemt temperatur som tilsvarer kokepunktet for væsken. Trykkregulering kan bru­ kes for å separere ulike kondenserte gasser i en blanding. Trykket blir da redusert til det tryk­ ket som gjør at de ulike komponentene koker ved visse temperaturer. Det er vist på figur 5.57.

167 Væsken som kommer inn til venstre på figur 5.57, kan være råolje. Den inneholder kondensat av lettere komponenter. La oss si at vi ønsker å separere disse komponentene ved deres respek­ tive kokepunkt. Dersom vi går ut fra at temperaturen i separatortrinnene er den samme, har vi en trinnvis reduksjon i trykket fra venstre mot høyre. Det blir gjort med trykkreguleringene PIC-2 og PIC-4. Damp fra de flyktige komponentene blir tatt ut via reguleringsventilene PCV-2 og PCV-4. Først blir den tyngste komponenten tatt ut og til slutt den letteste. Vi regulerer nivået i hver tank ved å regulere væskeuttaket fra tankene. Siden kokepunktstemperaturen er avhengig av trykket, må vi stille trykkreferansen inn etter den temperaturen vi får, eller sørge for at temperaturen er konstant ved å tilføye eller fjerne energi slik som i den første separatoren. De lette komponentene fra hver separatortank går til hver sin prosess. Dersom komponen­ tene skal lagres, kan prosessene inneholde kondensasjon eller rensing med etterfølgende kon­ dens asj on.

Regulering av gjennomstrømning I industrielle anlegg kan vi finne mange ulike former for gjennomstrømningsregulering. Det kan være gass, væske, fast stoff blandet i væske eller bare fast stoff som strømmer gjennom reguleringssystemet. Dessuten er det avgjørende om pådragsorganet er en ventil som struper en rørledning, eller en pumpe som har varierende turtall eller varierende tilbakeløp, se figur 5.58.

Pumpe

Figur 5.58 Tre måter å regulere gjennomstrømning på, a med struping, b med varierende turtall og c med varierende tilbakeløp

168 Figur 5.59 viser et svært vanlig arrangement for regulering av gjennomstrømning. Gjennom­ strømningen blir målt med strupeskive og d/p-celle.

Figur 5.59 Regulering av væskestrøm Differansetrykket over måleskiven er proporsjonalt med kvadratet av volumstrømmen. Der­ som vi ønsker at regulatoren (FIC) skal regulere etter virkelig gjennomstrømning, q, må vi trekke ut kvadratroten av det signalet som kommer fra differansetrykkmåleren. Det har vi vist på figur 5.60.

Figur 5.60 Regulering av gjennomstrømning med lineæriserte måleverdier

169

Temperaturregulering Temperaturregulering er ofte nødvendig for å få til visse ønskelige prosessvilkår, for eksempel i en kjemisk reaktor der vi ønsker at reaksjonen skal skje ved en bestemt temperatur. Et annet eksempel er temperaturen i destillasjonskolonner. Vi skal her se på noen måter å regulere var­ mevekslere på.

Varmeveksler Det fins forskjellige former for varmevekslere i industrielle prosesser. Figur 5.61 viser en prinsippiell skisse av en varmeveksler. Vi bruker varmevekslere som deler av større prosessystemer for å kunne levere et produkt med en bestemt temperatur og et bestemt trykk. Prosessmedium

Varmemedium

Motstrøms varmeveksler

Figur 5.61 Varmeveksler

Regulering av varmevekslere Figur 5.62 viser den enkleste formen for regulering av varmevekslere.

Figur 5.62 Regulering av varmeveksler med regulator-tilbakekopling

Dette er den enkleste måten å regulere en varmeveksler på. For å få reguleringen mest mulig nøyaktig bør vi bruke en PID-regulator.

170 Temperaturen som går ut fra varmeveksleren, skal holdes konstant. Tidskonstanten og død­ tiden er her så store at det er vanskelig å få temperaturreguleringen fra damp til oppvarmet vann stabil nok med konstantregulering. Varmemediet er en dampstrøm som vi kan variere etter behov. Vi kan utvide regulerings­ sløyfen til kaskaderegulering med en temperatur- og trykksløyfe, se figur 5.63. Trykkregulering er fordelaktig ettersom tidskonstanten er liten på dampsiden. Trykket blir derfor redusert i en underordnet reguleringsløyfe. Denne regulatoren arbeider med en variabel fjernstyrt skal-verdi fra den overordnete temperaturregulatoren.

Figur 5.63 Regulering av varmeveksler med kaskaderegulering

En endring av damptrykket fører til at temperaturen på det utgående vannet blir endret. En trykkendring av damptilførselen blir derimot kompensert raskt av PIC. Dersom belastningen, og dermed temperaturen, b, blir endret, styrer den overordnete regulatoren den fjernstyrte skal-verdien til den underordnete sløyfen.

171

Regulering av kjemiske reaktorer Se figur 5.64. I reaktoren skjer det en kjemisk reaksjon mellom stoff A og B. Forholdsregulatoren FFIC-72 sørger for at blandingsforholdet mellom stoff A og stoff B holdes konstant. Trykket i reaktoren blir holdt konstant med reguleringssløyfen PIC-71.

Den kjemiske reaksjonen i reaktoren er eksoterm, det vil si at reaksjonen utvikler varme. Derfor er det installert en produktkjøler for å kjøle ned ferdigvaren. For å øke kjøleeffekten ytterligere blir noe nedkjølt ferdigvare pumpet i retur til reaktoren.

172

Regulering av blande- og krystalliseringsprosesser Figur 5.65 viser en blande- og krystalliseringsprosess. I tank VI skal ammoniakk (NH3) og vann blandes i et bestemt forhold. Forholdsregulatoren FFCA-2 regulerer dette forholdet.

Blandingen av ammoniakk og vann renner i overløp til krystallisatoren, V2. Tilførselen av kar­ bondioksid, CO2, blir tilpasset slik at blandingen alltid er mettet. Den mettete løsningen kjøles samtidig ned, og blandingen krystalliserer seg. Krystallene synker til bunns, der de blir tatt ut via en pumpe.

173 I krystallisatoren reguleres nivået med LICA-1. Utgangen til denne regulatoren styrer regule­ ringsventilen FCV-1. Posisjonsendringer i denne reguleringsventilen fører til endringer i vann­ tilførselen til tank VI. Tilførselen av ammoniakk endres da i samme forhold via FFICA-2, og tilførselen til krystallisatoren V2 endres.

Delt område-regulering («split range») I en reguleringssløyfe med delt område styres to (eller flere) reguleringsventiler fra en felles regulator. Reguleringsventilene arbeider over hele vandringsområdene, på forskjellige deler av regula­ torens utgangssignal. Vi justerer for delt område på ventilstilleme. Figur 5.66 viser et eksempel på delt områdere­ gulering.

Når forbruket starter, skal PCV-1 arbeide alene mens forbruket er lavt. Når forbruket oversti­ ger kapasiteten for PCV-1, skal PCV-2 begynne å åpne. På denne måten oppnår vi god regule­ ring ved lav belastning, samtidig kan vi regulere store belastninger med to ventiler.

• PCV-1 arbeider i signalområdet 4-12 mA fra trykkregulatoren. Innenfor dette signalområdet vandrer reguleringsventilen 0-100 %. • PCV-2 arbeider i signalområdet 12-20 mA fra trykkregulatoren. Innenfor dette signalområ­ det vandrer reguleringsventilen 0-100 %.

174 Arbeidsfordelingen mellom PCV-1 og PCV-2 kan også illustreres med en funksjonstabell, der vi for enkelhets skyld går ut fra at PCV-1 og PCV-2 har benkjustering på 0,2-1 bar. Vi ser dessuten bort fra prosesskrefter på ventilene.

Funksjonstabell Regulatorutgang

4

12 20

Ventil PCV-1

Ventil PCV-2

Signal fra ventilstiller

Ventilposisjon

Signal fra ventilstiller

Ventilposisjon

0,2 bar

Stengt

0,2 bar

Stengt

0,2 bar

Stengt

1 bar

Åpen

1 bar 1 bar

o

Apen o

Apen

Figur 5.67 viser en grafisk framstilling av funksjonstabellen for delt områderegulering.

Figur 5.67 Grafisk framstilling av verdiene i funksjonstabellen

175

Regulatorinnstilling Statisk nøyaktighet Med statisk nøyaktighet menes hvor godt et system klarer å følge forandringer i skal-verdien, og hvor godt det klarer å kompensere for forstyrrelser i statisk tilstand. Her interesserer vi oss ikke for innsvingningsforløpet, men betrakter sluttilstanden når prosessvariabelen er i ro (sta­ tisk). Figur 5.68 viser ett reguleringssystem med statisk feil og ett reguleringssystem uten sta­ tisk feil. I de fleste reguleringssløyfer ønsker en ikke statiske reguleringsavvik. Er-verdi

Ny skal-verdi

Ikke statisk feil

Gammel skal-verdi-- Tid

Er-verdi Statisk feil

Ny skal-verdi -

Gammel skal-verdi

Er-verdi

----- —--------------------------------------------------- ta- Tid

Figur 5.68 Grafisk framstilling som viser systemer med og uten statisk feil

Reguleringssløyfens innsvingning Med hurtighet i et reguleringssystem menes hvor hurtig systemet reagerer på endringer i erverdien. Det fins flere måter å angi hurtigheten på. Reguleringssløyfens hurtighet angis ofte ved stigetider. Med stigetider for et system menes den tiden det tar før svaret på et sprang har steget fra 10 % til 90 % av sluttverdien. Det er illustrert på figur 5.69.

Figur 5.69 Grafisk framstilling som illustrerer begrepet stigetid Stigetid er et relativt begrep. En stigetid på ti minutter er for eksempel svært kort ved tempera­ turregulering i en bygning, mens den er svært lang ved turtallsregulering av elektriske motorer. Typiske stigetider for noen vanlige reguleringssystemer framgår av følgende liste: • Posisjonering av robotarmer, 1^4 sek • Regulering av gjennomstrømning, 0,1-6 sek

176 • • • • •

Turtallsregulering av elektriske motorer, 1-20 sek Nivåregulering i prosessindustrien, 0,5-15 min Konsentrasjonsregulering, 0,5-10 min Regulering av kursen på et skip, 0,2-3 min Temperaturregulering i et kontorlandskap, 20-60 min

Innsvingningstid I praksis har vi et mål for når reguleringssløyfen er tilstrekkelig hurtig, det såkalte 4 : 1-forhol­ det. 4 : 1 -forholdet går ut på at arealet på første over- eller undersving er fire ganger så stort som arealet på neste over- eller undersving i samme retning. Det er illustrert på figur 5.70.

Figur 5.70 4 : 1-forholdet Et annet mål for innsvingningstid (hurtighet) får vi ved å bestemme hvor lang tid det tar før systemets er-verdi ligger innenfor 5 % av sluttverdien, se figur 5.71.

Figur 5.71 5 %-metoden

Y11

Valg av reguleringsparametrer Figur 5.72 viser en sprang-svar-kurve for en tenkt prosess. Kurven får vi fram ved å sette regu­ latoren i manuell posisjon og deretter gi et manuelt sprang i pådraget. Temperatur |

Figur 5.72 Sprang-svar-kurve Flytdiagrammet på figur 5.73 kan benyttes ved valg av parametre.

Figur 5.73 Flytdiagram for valg av regulatorparametrer

Om dødtiden tD er mindre enn tidskonstanten tt, kan vi benytte D-parametrer. tD < tt

bruk av D-parametrer er mulig

Om tt er mindre enn tD, vil bruk av D-parametrer forårsake ustabilitet.

178 Eksempel La oss si at sprang-svar-kurven på figur 5.73 er representativ for en viss type varmeveksler. Figur 5.74 viser et flytdiagram som kan brukes når vi skal velge regulatorparametre. Den prosessen som foregår i en varmeveksler, har liten varmekapasitet. Det betyr at en liten endring i damptrykket kan forårsake en stor endring i temperaturen. Variasjon i belastningen vil forårsake offset. Om statisk avvik skal fjernes, må I-parameteret benyttes. Vi ser også at dersom tD < tt, så kan D-parametrer benyttes. Dersom tD > tt, vil D-parameteren forårsake en ustabil reguleringssløyfe hvis det benyttes.

Regulatorinnstilling og prosessundersøkelse Det er sjelden vi har så mange opplysninger til rådighet at teoretiske hjelpemidler kan tas i bruk for regulatorinnstilling. Det vil under alle omstendigheter være vanskelig å skaffe seg et fullstendig bilde. Ziegler og Nichols har beskrevet hvordan vi med enkle forsøk med reguleringssløyfen i drift kan skaffe data for en god regulatorinnstilling. Zieglers og Nichols’ 1. regel Eventuell I- og D-tid settes ut av drift. Det gjør du ved å sette I-tiden til maksimum og D-tiden til null. Velg et proporsjonalbånd som sikrer stabil regulering. Deretter halverer du P-båndet og innfører en forstyrrelse i reguleringssløyfen. Dette gjentas til sløyfen kommer i svingnin­ ger. Finjuster til reguleringssløyfen svinger harmonisk, som vist på figur 5.74. Harmonisk svingning vil si at vi har innstilt det proporsjonalbåndet som får sløyfen i oscillasjon. Det kan testes ved å øke proporsjonalbåndet litt. Dersom svingningen er harmonisk, skal sløyfens oscillasjon stoppe.

Svingetiden t0 til den harmoniske svingningen måles eller avleses på en skriver. Proporsjonal­ båndet som gir harmoniske svingninger, noteres og kalles PBkrip Innstillingsparametrene kan nå beregnes.

For P-regulering PB = 2 x PBkrit eller dersom regulatoren er gradert i forsterkning F F = 0,5 x Fkrit

a

b

For Pl-regulering PB = 2,2 x PBkrit

179 eller F = 0,45 x Fkrit I-tid = 0,85 x to c

For PID-regulering PB = 1,67 x PBkrit F = 0,6 x FKR1T I-tid = 0,5 x t0 D-tid = 0,15 x t0

Zieglers og Nichols’ 2. regel Dersom prosessen ikke kan settes i svingninger, noe som er tilfelle i de alle fleste prosesser, kan Zieglers og Nichols’ 2. regel benyttes. • La skal-verdien stå i arbeidspunktet og la er-verdien få tid til å stabilisere seg. • Kopi en skriver til er-verdien og regulatorens utgang. • Sett regulatoren i manuell stilling og gi et sprang i regulatorens utgang. La er-verdien få tid til å jevne seg ut (stabilisere seg), se figur 5.75. Regulatorutgang

Figur 5.75 Typisk sprang-svar-kurve med regulatoren i manuell stilling

Beregn systemets åpne sløyfeforsterkning p pr°

A A ^Reg

Bruk utskriften til å måle systemets dødtid og tidskonstant. Regulatorparametrene kan nå beregnes.

180 P-regulatoren innstilles slik: tt

F = ----- 1 ~— tL) ’

Pro

tt = prosessens tidskonstant tD = prosessens dødtid

PI-regulatoren innstilles slik:

F = 0,9

t~lD ‘

Pro

I-tid = 3, 3 • tD

PID-regulatoren innstilles slik:

F = lD

r Pro

I-tid = 2 • tD tD

D-tid = y

Vi merker oss at I-tiden er en funksjon av dødtiden. Integraltiden (f) må ikke være raskere enn prosessens dødtid, tD. Om den settes raskere, vil pådraget endres raskere enn det prosessen kan svare med. Prosessen blir dermed ustabil.

Innstilling av reguleringssløyfe med flere variabler Regulatorinnstilling av reguleringssløyfer med flere variabler foregår ved at vi først optimali­ serer de indre reguleringssløyfene.

Kaskaderegulering 1 Kontroller at begge regulatorene står i manuell. 2 Kople ut I- og D-virkningen. Still inn et passende bredt proporsjonalbånd, det vil si liten forsterkning på begge regulatorene, som sikrer stabil regulering. 3 Med den underordnete regulatoren styres pådragsorganet i manuell slik at den overordnete regulatoren får ønsket prosessverdi. 4 Still skal-verdien på den overordnete regulatoren lik denne prosessverdien. 5 Sett den underordnete regulatoren i automatikk og lokal skal-verdi. Still inn den underord­ nete regulatoren med Zieglers og Nichols’ 1. eller 2. regel. 6 Sett den underordnete regulatoren i fjernstyrt skal-verdi og la den underordnete regulato­ ren stå i automatikk. Still inn regulatorparametrene for den overordnete regulatoren etter Zieglers og Nishols’ 1. eller 2. regel.

181

Kontrollspørsmål 1 Hva ligger i begrepene statisk avvik, dårlig stabilitet og ustabilitet? 2 Hva ligger i begrepene positiv og negativ tilbakekopling? 3 Hva ligger i begrepet av/på-regulering?

4 5

Tegn og forklar den prinsipielle virkemåten til en av/på-regulator. Forklare begrepene differensial og arbeidsbånd.

6 7 8

Forklare hvilke forhold som påvirker svingningene i prosessverdien til en av/på-regulering. Definere begrepet kontinuerlig regulering. Kan du forklare likningen yp = F • e + 50 %

9 10 11 12 13 14

Forklar alle funksjonene til regulatoren på figur 5.18. Tegn en P-regulator koplet med operasjonsforsterker. Definere begrepet proporsjonalbånd. Hvordan virker en l-forsterker? Tegn sprang-svar-kurve for en l-forsterker. Hvordan virker en Pl-regulator?

15 16 17 18

Tegn en sprang-svar-kurve for en Pl-regulator. Tegn et skjema for en Pl-regulator basert på operasjonsforsterkere. Hva ligger i begrepet l-tid? Hvordan virker en D-forsterker?

19 20

Tegn et skjema for en PID-regulator basert på operasjonsforsterkere. Hva ligger i begrepet D-tid?

21 Hvordan reagerer P-, I- og D-parametrene hver for seg på en endring i prosessverdien? 22 Hvordan virker reguleringssløyfene på figur 5.22, 5.51,5.53, 5.54 og 5.55? 23 Hva ligger i begrepet «regulering med delt område» («split range»)? 24 Kan du forklare bruken av Zieglers og Nichols’ 1. og 2. regel?

182 KAPITTEL 6

Regulatorer og datamaskiner Mål Etter å ha studert dette kapittelet skal du kunne • tegne og forklare den prinsipielle virkemåten til pneumatisk P-, Pl- og PID-regulator • tegne og forklare den prinsipielle virkemåten til en digital regulator • beskrive de fordelene som en digital regulator har, sammenliknet med analog regulator • forklare hvilke seriegrensesnitt som benyttes når digitale regulatorer tilkoples PC

• •

forklare hvordan måleomformere koples til regulatorer forklare hvilke hovedenheter en prosessdatamaskin består av

Pneumatiske regulatorer Proporsjonal regulator Figur 6.1 viser en prinsippskisse for pneumatisk proporsjonalregulator.

pM = 0,2-1 bar

Figur 6.1

183 Figur 6.2 viser et blokkskjema for den pneumatiske proporsjonale regulatoren som er vist på figur 6.1.

Skal-verdibelg

Figur 6.2 Blokkskjema for pneumatisk proporsjonal regulator Den pneumatiske regulatorens virkemåte Regulatoren er sammensatt av følgende komponenter:

1 2 3 4 5

Belger Toarmet vektstang Fjær Plate-/dyseelement Forsterker

Regulatoren arbeider etter momentbalanseprinsippet, fordi momentene på høyre og venstre side av vektarmen balanserer mot hverandre. La oss si at regulatoren er i balanse, og at regulatorutgangen er 0,6 bar. La oss videre si at erverdien øker. Vektarmen 1, løftes da oppover siden PER • A blir større enn P • A. Vektarmen 12 på høyre side flyttes tilsvarende nedover. Platen kommer dermed nærmere dyseåpningen. Tryk­ ket i dysekammeret øker, og trykket på utgangen øker. Trykket i motkoplingsbelgen øker sam­ tidig. Momentet FM = PM • A • 1, virker nå mot momentet på venstre side. Systemet bringes dermed i balanse, men nå med høyere trykk, yp på utgangen.

Med fjæren kan trykket på utgangen justeres til 0,6 bar når trykkene ps og pER er like store. Det vil si når avviket

e = 0. Forsterkningen F justeres med opplagringen. Det er da forholdet — som justeres. z2

Likning 6.1

184 Den pneumatiske regulatorens likning Momentet ved opplagringen er gitt ved

PER • A • 1, + k • x = Ps • A-lj + PM • A • 12

Likning 6.2

A = arealet av belgene k = fjærkonstanten x = hvor mye fjæren er trykt sammen

La oss si at pM = ps (e = 0). Fjæren justeres slik at regulatorens utgang er lik 0,6 bar. Fjærtrykket k • x tilsvarer da trykket 0,6 bar i en belg med areal A. k • x i likningen erstattes med 0,6 • A • 12.

Arealet A inngår da i alle ledd og kan derfor strykes. Da får vi

Likning 6.3

PERl1 + 0,612 = Psl,+PM-l2

=> 1, (Per - Ps) = >2 Pm - 0.6 12

Men Pm = utgang Yp

°gPER-Ps = avvikete => 1, ■ e = 12 (yp - 0,6)

Likningen løses med hensyn til yP

Yp = r • e + 0,6 Z1

= forsterkningen F

men

1

Da får vi: yp = F • e + 0,6

Pneumatisk Pl-regulator Figur 6.3 viser en prinsippskisse for en pneumatisk Pl-regulator.

Likning 6.4

185 Virkemåte La oss si at regulatoren er i momentbalanse, og at utgangen yp er stabil. Er-verdien øker med et sprang. Da øker utgangen yp med et sprang, samtidig som motkoplingsbelgen oppnår samme trykk som yp I et lite øyeblikk er systemet i balanse, men I-belgen fylles nå med luft gjennom ventilen V. Trykket øker i I-belgen, og kraften fra denne belgen motvirker motkoplingsbelgen M. Platen presses nærmere dysen, og utgangen øker (forsterkningen til regulatoren øker). Dersom regu­ latoren ikke står i lukket sløyfe, øker utgangen ypI til maksimal verdi ~ 1,4 bar.

Pneumatisk PID-regulator Figur 6.4 viser en prinsippskisse av en pneumatisk PID-regulator.

P-virkningen får vi med motkoplingsbelgen M I-virkningen får vi med I-belgen og ventilen V, D-virkningen får vi med M-belgen i kombinasjon med ventilen VD Virkemåte La oss si at regulatoren er i balanse og yPer stabil. La oss videre si at er-verdien endres med et sprang. Trykket øker derimot ikke like raskt i motkoplingsbelgen, fordi ventilen VD begrenser gjennomstrømningen. Et øyeblikk er derfor regulatoren uten motkopling. yPID vokser derfor til ca. 1 bar. Etter hvert øker trykket i motkoplingsbelgen, og utgangen synker. Samtidig øker trykket i I-belgen, og yPID begynner igjen å vokse fordi kraften fra motkoplingsbelgen motvirkes av kraften fra I-belgen.

186

Digitale regulatorer Figur 6.5 viser en digital regulator for regulering og styring av varme-, ventilasjons- og klima­ anlegg.

Figur 6.5 Digital regulator basert på mikroprosessorteknikk

Med mikroprosessorteknikken har det skjedd en revolusjonerende utvikling på regulatorsiden. Til reguleringsløsninger som før krevde flere analoge regulatorer, beregnings- og alarmkretser, trenger vi i dag én regulator til mye lavere pris. Mikroprosessoren er nå billig å framstille, og det er økonomisk fordelaktig å konstruere selv de minste kontinuerlige regulatorene med denne teknikken. På grunn av mikroprosessorens evne til å bearbeide signaler kan vi ved hjelp av program­ mering erstatte ekstrautstyr som rotuttrekning, lineærisering, filtre, demping, regneenheter og digitale funksjoner. Blokkskjema Figur 6.6 viser et blokkskjema for en generell elektronisk regulator med mikroprosessor.

Figur 6.6 Generelt blokkskjema for en digitalregulator

Prinsipielt arbeider mikroprosessoren ved å • gi signal ut til multiplekser om å sende den første analoge verdien til AD-omvandleren • sette i gang AD-omvandlingen og lagre resultatet i RAM-hukommelsen • gjenta dette for alle analoge og digitale inngangsverdier

187 • beregne reguleringsavviket • beregne den nye regulatorutgangen med de på forhånd programmerte PID-parametrene • sende den nye regulatorutgangens digitale verdi til DA-omformeren, som igjen omsetter det til 4—20 mA i signal • sette eventuelle alarmer etter de grensene som er programmert • overføre alle variabler (PV, skal-verdi, alarmer osv.) til en overordnet datamaskin via paral­ lelle inn-ut-kretser Bearbeidingen av de ulike signalene blir gjentatt fra 0,5-10 ganger i sekundet avhengig av regulatorens klokkefrekvens. Prosessregulatorer arbeider med en syklustid på 5-10 ganger pr. sekund, men for regulatorer for varme-, ventilasjons- og klimaanlegg er det tilstrekkelig med en syklustid på 0,5 ganger pr. sekund.

Eksempel på programmerbar regulator Figur 6.7 viser en mikroprosessorbasert prosessregulator. Regulatoren er utstyrt med 93 fer­ dige programrutiner. Eksempler på slike programrutiner er: • PID-regulator • kaskaderegulering • foroverkopling • lineærisering (for eksempel kvadratrot) • regneblokker • logiske blokker • alarmhåndtering

Figur 6.7 Programmerbar regulator Programrutinene kan velges og settes sammen til nesten hvilken som helst reguleringsfunksjon. Programmeringen kan gjøres med regulatorens tastatur, de fem tastene til venstre på figuren.

188 Regulatoren kan også tilkoples en PC over RS 485-seriegrensesnitt, se figur 6.8. Med regula­ torens dataprogramvare kan regulatoren programmeres fra PC-en.

Figur 6.8 Regulatoren kan programmeres fra en PC

Figur 6.9 viser fronten til regulatoren og funksjonene til betjeningsknappene.

Figur 6.9 Eksempel på regulatortastatur

189 Eksempel på anvendelse Regulering av nivået i en dampkjele kompensert for endringer i belastningen. Løsning med bruk av analoge elektroniske regulatorer og regnekretser

Serieoverføring Til datamaskin Løsning med bruk av

Som figur 6.10 viser, unngår vi mange instrumenter ved å bruke programmerbar regulator. Instrumenteringen blir enklere, og ikke minst slipper bedriftene unødig lagerhold. Vedlikehol­ det blir også enklere i det mikroprosessorbaserte systemet. Der er det bare fem instrumenter å vedlikeholde, mens det i det analoge systemet er ti instrumenter. Den programmerbare regulatoren koster tilnærmet en sjettedel av det analoge systemet. I tillegg vil det analoge systemet medføre større installasjonskostnader på grunn av større for­ bruk av kabel mellom instrumentene. Derfor installeres ikke analoge regulatorer basert på operasjonsforsterkerteknikk i nye prosessanlegg. Derimot blir de å finne i gamle anlegg i mange år framover.

Bruk av prosessdatamaskiner og personlig datamaskin Med prosessdatamaskiner menes ofte datamaskiner av den typen som anvendes i kontrollrom i prosessindustrien, men i den senere tid har en i økende grad begynt å benytte PC (PD) i kom­ binasjon med programmerbare regulatorer. Personlig datamaskin overordnet regulator Datamaskinen har en overvåkende oppgave. Datamaskinen kommuniserer med underordnete regulatorer. Datamaskinenes rolle er å gi operatøren en oversikt over prosessens tilstand. Det blir gjort i form av alarmer, måleverdier, skal-verdier og grafiske framstillinger av måleverdier.

190 Fra datamaskinen kan vi forandre regulatorens skal-verdier, alarmgrenser og regulatorparametrer. Reguleringen skjer med de underordnete PID-regulatorene. Figur 6.11 viser et typisk skjermbilde som kan lages med et prosessdataprogram beregnet for PC.

Figur 6.11 Prosessbilde laget med prosessdataprogram

Kommunikasjon mellom programmerbare regulatorer og PC

Det finnes mange typer grensesnitt. Her beskriver vi dem som er mest brukt i regulerings- og målesystemer. RS 232C. Dette er et serielt grensesnitt som kan brukes dersom overføringsavstanden ikke overstiger 15 m. RS 232C kan bare brukes for kommunikasjon mellom PC og én regulator. Det kalles punkt-til-punkt-overføring. RS 232C arbeider med spenning mot jord. RS 232C grensesnittet anvendes mye mellom skrivere og PC.

191 RS 422/RS 485. Dette er serielle grensesnitt som er mye mer robuste mot støy enn RS 232C. RS 422 kan anvendes for avstander opp til 1 km. Det er egentlig et grensesnitt for punkt-tilpunkt-overføring, men det er modifisert for såkalt multidropp-konfigurasjoner. Det kan da koples opp til ti regulatorer mot ett grensesnitt. RS 485 virker på samme måte som RS 422, men kan benyttes for avstander opp til 1,2 km og med 32 regulatorer tilkoplet grensesnittet. Både RS 485 og RS 422 arbeider med differensiell overføring. Det vil si at en måler diffe­ ransen mellom to tvinnete ledere. Når lederne er tvinnete, er sannsynligheten størst for at en støyspenning er lik i begge lederne. Spenningen blir dermed undertrykt på den differensielle inngangen.

Tilkopling av regulatorer til måleomformere Måleomformer

Figur 6.13 Tolederkopling

(0-20 mA)

Kraftforsyning

Figur 6.13 viser at måleomformeren forsynes med likespenning over signalledningen. Spen­ ningen er vanligvis 24 V, men de fleste måleomformeme kan virke med spenning i området 13-45 V. I serie med strømsløyfen koples resistanser. Mottakerne koples parallelt med disse resistansene, se figur 6.14.

Figur 6.10 Tilkopling av instrumenter i strømsløyfen Spenningsforsyningen er ofte innebygd i regulatoren. Måleomformere av denne typen leverer strøm (4-20 mA) som er uavhengig av belastningen innenfor en øvre grense på 600 Q, når spenningsforsyningen er 24 V.

192 Figur 6.15 viser en typisk kopling mellom regulator og måleomformer.

Figur 6.15 Kopling av måleomformer til regulator, tolederkopling

Prosessdatamaskiner I moderne industri er prosessdatamaskiner mye benyttet. Ofte kalles prosessdatamaskinene for distribuerte systemer, desentraliserte automatiseringssystemer eller skjermbaserte automatiseringssystemer. I desentraliserte automatiseringssystemer brukes datamaskiner som er spesialkonstruert for styring og regulering. Her har datamaskinene helt overtatt regulatorens rolle. Underordnet regulator brukes derfor ikke. Som figur 6.16 viser, innebærer desentraliserte systemer at oppgavene er fordelt på mange små datamaskiner.

Et desentralisert prosessdatasystem består av mange små datamaskiner. Ofte har hver data­ maskin kontroll over åtte reguleringssløyfer. Hele reguleringssystemet i en fabrikk (ofte flere hundre reguleringssløyfer) kan da deles opp i grupper på åtte reguleringssløyfer eller mindre.

193 Den dataenheten som har kontroll med en slik gruppe, kan plasseres i et eget rom ute i fabrik­ ken. Vi sier at den er desentralisert. Den kommuniserer med kontrollrommets datamaskin over en datalinje (databuss).

Datamaskin Datamaskinene inneholder regulatorfunksjoner med analoge inn- og utganger. Ofte kan en datamaskin betjene åtte reguleringssløyfer. Figur 6.17 viser en datamaskin tilkoplet reguleringssløyfe. Datamaskinen inneholder pro­ grammer for P-, PI- og PID-regulatorer. Den inneholder også programmer for blant annet kas­ kaderegulering, forholdsregulering og foroverkopling.

Data­ maskin

Figur 6.17 Figuren viser en datamaskin tilkoplet reguleringssløyfe Multiplekser En multiplekser velger og leser inn et stort antall måleinnganger. Etter bearbeiding i datamas­ kinen blir måleverdiene rapportert på skjerm og skriver, se figur 6.18. Til datamamaskin Multi­ plekser

00 06 Figur 6.18 Multiplekser

1

2 3

n

Måleomformere

194 Kommunikasjonssystem (buss-system) En buss er en kommunikasjonskanal som brukes av flere enheter. I et automatiseringssystem kommuniserer enhetene via en koaksialkabel på seriell form med stor hastighet, se figur 6.19. Operatørstasjon i kontrollrom

Overordnet prosessdatamaskin i datarom

Skriver

Kommunikasjonssystem (buss)

Data­ maskin

Data­ maskin

Data­ maskin

Data­ maskin

Figur 6.19 Desentraliserte datamaskiner tilkoplet buss-systemet Det er to prinsipielt forskjellige metoder for tildeling av bussen: • Sentralt styrt buss, der en felles styringsenhet gir bussen de ulike enhetene • Buss med desentralisert styring, der en av de desentraliserte datamaskinene selv kan overta bussen hvis den er ledig

Operatørstasjon Operatørstasjonen er operatørens verktøy for å betjene og overvåke prosessen. Prosessdata presenteres på fargeskjermer. Det er også mulig å få utskrift på skriver og plotter, se figur 6.20.

Skriver

Figur 6.20 Operatørstasjon

De fleste systemer har følgende bilder: • Grafiske bilder av prosessavsnitt • Oversiktsbilder av større deler av prosessen • Gruppebilder av reguleringssløyfen Ofte er det åtte reguleringssløyfer i en gruppe • Detalj bilder av enkeltsløyfer • Sannhetstrend • Historisk trend • Alarmer

195 Betjeningsmuligheter Figur 6.21 viser de betjeningsmulighetene vi har for desentraliserte systemer - tastatur, lyspenn, styrespak, rulleball og berøringsfølsom skjerm (peketeknikk).

Lyspenn

Berøringsfølsom skjerm (peketeknikk)

Styrespak

Rulleball

Figur 6.21 Figuren viser ulike utrustninger for skjermbetjening

Operatørene kan betjene systemet ved hjelp av et tastatur. Tastene har i hovedsak faste funk­ sjoner, og tastaturet kalles ofte operatørtastatur. Noen systemer har lyspenn. Det er en fotofølsom penn som føres bort til detaljen på skjermen når noe skal utføres. Rulleball for flytting av en markør på skjermen er vanlig. Styrespak Styrespaken virker på samme måte som en rulleball.

Berøringsfølsom skjerm Operatøren kan her peke med fingeren på skjermen for å aktivere en funksjon.

Overordnet prosessdatamaskin En overordnet datamaskin styrer ikke prosessen, men samler inn data for produksjonsplanleg­ ging, produksjonskontroll og økonomiske analyser. Den overordnete datamaskinen brukes også for tilstandskontroll av roterende maskineri og analyser av historiske data.

Buss til prosessdatamaskirt*

fro_______ j Overordnet prosess----------- datamaskin

Figur 6.22 Overordnet datamaskin En overordnet prosessdatamaskin vil som oftest være en stor datamaskin som tilkoples bussen.

196 Figur 6.22 viser en typisk prosessdatamaskin for tyngre prosessindustri. Prosessdatamaskinen kan stå i forbindelse med opptil tusen reguleringssløyfen Den består av en sentralenhet med én eller flere bildeskjermer og ett eller flere spesiallagde tangentbord.

Figur 6.23 Prosessdatamaskin (Foxboro HA-system) Figur 6.24 viser et kontrollrom på en oljeplattform i Nordsjøen, der prosessdatamaskin er benyttet.

Figur 6.24 Kontrollrom på en plattform på gullfaksfeltet i Nordsjøen

197

Systemenheter Systemenhetene som er vist på figur 6.25, er fra Foxboro T/A-system. Kontrollrom

Skjerm Tastatur

Prosessor for skjerm

Rulleball Tastatur

Prosessor for langtidslager

Kontroll-

Prosessor for skjerm

for inn- og utganger .Feltbuss mot fabrikk

Feltbuss-

Jd moduler for

Rapport

—

]/ 4-20 mA, / digitale pulser og kontaktfunksjoner

j

Alarm

Blekkskriver

Figur 6.25 Systemenheter koplet sammen over databass

Hver skjerm er tilkoplet en datamaskin (prosessor). Datamaskinen betjenes med skjerm, tasta­ tur og rulleball. Vi ser at systemet har kontrollprosesser for reguleringssløyfer og digitale innog utganger. En kontrollprosesser betjener inntil åtte reguleringssløyfer. I en stor fabrikk består et prosessdatasystem av mange slike kontrollprosessorer. Det øker sikkerheten. Dersom en kontrollprosesser faller ut, får det konsekvenser bare for de reguleringssløyfene som hører til denne kontrollprosessoren. Kontrollprosessoren utfører også sekvensstyringer og tar hånd om kommunikasjonen med I/O-modulene. Den inneholder dessuten blokker som kommuniserer med PLS-funksjonen som utføres lokalt i digitale I/O-moduler. Kontrollprosessoren kan også gjøres feiltolerant. Det betyr at dersom den skulle falle ut, vil en annen datamaskin automatisk ta over alle oppgavene uten forstyrrelse i prosessen. Feiltole­ rant funksjon velges dersom reguleringssløyfene er svært viktige for driften av prosessen (fabrikken).

198

Bruk av datamaskiner (PLS) for styring og regulering av kommunale renseanlegg Anleggene er automatisert og styres av lokale programmerbare, logiske styringer (PLS). De kommuniserer med en sentral minidatamaskin. Regulatorene for reguleringsfunksjonene er ofte innebygd i PLS-systemet. Figur 6.26 viser et PLS-system fra et kloakkrenseanlegg.

Alle måleparametrene, som nivå, gjennomstrømning og pH, og drift- og feilsignaler fra alle maskinelle komponenter overføres til en sentral datamaskin der de blir registrert og lagret. Alarmer skrives ut på skriver. Prioriterte alarmer overføres til en hjemmevakt over telefonnet­ tet. I anlegget er det ofte flere operatørstasjoner der prosessbilder vises på skjerm. Her kan driftsoperatøren ta ut informasjon i form av bilder med øyeblikksverdier eller historikk (trendkurver). Styringsparametrene kan endres fra operatørstasjonen og vil da bli overført via en sentral maskin til en lokal PLS. Dersom den sentrale maskinen faller ut eller det oppstår kommunikasjonsfeil, vil de lokale PLS-ene fortsatt styre prosessen etter de styringsparametrene som sist ble lagt inn.

199

Kontrollspørsmål 1 Tegn og forklar virkemåten til en pneumatisk P-regulator, PI-regulator og PID-regulator. 2 Hvordan arbeider mikroprosessoren i digital regulator?

3 4 5

Hvilke fordeler har en digital regulator sammenliknet med en analog regulator? Hvordan brukes personlige datamaskiner sammen med digitale regulatorer? Hvilke seriegrensesnitt brukes for sammenkopling av personlige datamaskiner og digitale regulatorer?

6 7

Hvilke hovedenheter kan en prosessdatamaskin bestå av? Hva menes med desentraliserte systemer?

8 Kan du gi eksempler på fem forskjellige enheter som benyttes for å betjene dataskjermer? 9 Hva brukes overordnete datamaskiner til? 10 Hvilke systemenheter benyttes i Foxboro l/A-systemet?

200 KAPITTEL 7

Alarm og forrigling Mål Etter å ha studert dette kapittelet skal du kunne • fortelle hvem som godkjenner prosessystemer i Norge • forklare hva man sikrer seg mot når man bygger alarm- og forriglingsanlegg

• beskrive tre måter å sikre en prosess på • forklare hva som menes med at et system er feilsikkert • forklare hvordan alarm- og forriglingsanlegg sammenkoples • forklare hvordan man tegner og bruker en forriglingsmatrise • forklare hvorfor man benytter krysskopling • forklare hvordan jordsystemer brukes • forklare viktige regler for jording i automatiserte prosessanlegg

Myndighetenes rolle Prosessanlegg i Norge skal godkjennes av offentlige myndigheter med hensyn til sikring av prosessen. Dette gjelder sikring mot • eksplosjon • brann • utslipp av gasser og væsker som kan skade mennesker og miljø

Kjelekontrollen skal godkjenne alle prosessystemer som arbeider med høyt trykk. For anlegg som behandler eksplosjonsfarlige gasser og væsker, skal Direktoratet for brann- og eksplosjonsvern (DBE) godkjenne prosessanlegget. Anlegg som kommer inn under elektriske forskrifter, skal godkjennes av elektrisitetstilsy­ net. Figur 7.1 viser en varmeveksler med elektrisk oppvarming. Varmeveksleren skal sikres mot overoppheting og dermed brannfare.

Reset

Figur 7.1 Forrigling av elektrisk varmeveksler

201 Overopphetingstermostaten er en mekanisk selvopererende termostat. Overopphetingstermostaten bryter effekten til varmeveksleren dersom temperaturen i varmeveksleren overstiger en innstilt grense. Viften fortsetter da å gå for å kjøle ned varmeveksleren. Dersom viften stopper, eller dersom luftstrømmen stopper på grunn av mekanisk tetting i kanalen (for eksempel lukket spjeld), sjalter PAZHH fordi differansetrykket over viften blir null. PAZHH har sin kontakt i styrestrømkretsen til det elektrisk oppvarmete varmebatteriet, som nå mister spenningen. I trykksystemer skal en sikre rør, tanker, reaktorer og maskiner mot overtrykk. Trykksystemene sikres ved hjelp av mekanisk selvopererende sikkerhetsventiler og pressostater.

Eksempel på sikring av kjemisk rektor Figur 7.2 viser sikring av en kjemisk reaktor. Reaktoren er utstyrt med sikkerhetsventil, pres­ sostater, strøm og foralarm på regulator. Dersom trykket i reaktoren overstiger innstilt grense på den mekaniske pressostaten PAZHH, lukker sikkerhetsventilene for stoffene A og B. Reguleringsventilen PCV åpner helt og slipper trykket av reaktoren. Om forriglingssystemet svikter, vil overtrykksventilen åpne mekanisk ved 16 bar og slippe av trykket.

Som eksempelet viser, kan et prosessavsnitt sikres på flere måter: 1 Ved å bruke mekanisk styrte sikkerhetsventiler.

202 2 Ved å bruke avstengningsventiler som er forriglet over et eget forriglingsanlegg. Forriglingsanlegget kan bestå av pressostater, termostater eller gassmålere, som sender målesignaler til en PLS. PLS-en stenger så et prosesavsnitt eller hele fabrikken for å sikre mennesker, miljø og anlegg mot fare. Forriglingsanlegget kalles ofte for driftsbetingelsesanlegg.

3 Ved å bruke alarmsystem. Alarmsystemene skal gjøre driftspersonalet oppmerksom på tilløp til feil i prosessen. Det gjøres ved lydsignaler og lamper som blinker. Moderne datasystemer beregnet på prosesstyring inneholder reguleringsfunksjoner og PLSfunksjoner. For å øke sikkerheten velger en ofte å installere en egen PLS som ivaretar bare forriglingsfunksjonene. PLS-systemet er tilkoplet skriver som skriver ut alarmer i den rekkefølgen de utløses. Når en forrigling løses ut, vil det ofte føre til at flere andre forriglinger løses ut. Dette kalles dominoeffekt eller følgefeil. Feilsikkerhet Forriglingssystemet skal hindre at det oppstår tilstander i prosessen som kan medføre fare for personer, miljø og prosessutstyr. Dersom forriglingsutstyret var konstruert slik at det kunne oppstå feil som en ikke var oppmerksom på, i selve forriglingssystemet, ville det sette forrig­ lingssystemet ut av funksjon. Derfor konstrueres forriglingssystemene slik at feil i forriglingssystemet fører til utkopling av prosessen. Før prosessen kan settes i drift, må feilen rettes. Forriglingsystemer som er kon­ struert på denne måten, kalles feilsikre systemer. Et eksempel på en feilsikker forriglingsfunksjon vises på figur 7.3.

Releet Kl får spenning fra en 24 V likespenningskilde dersom forriglingsbryteren PAZHH er lukket og hele strømvei 1 er intakt. Releet Kl trekker da til, releets kontakt 1-3 lukker, og magnetventilen PZV lukker. PZV ligger med spenning under normal drift. Systemet er feilsikkert, fordi brudd i strømvei 1 eller 2 vil føre til utkopling. Dersom det ble benyttet normalt åpen kontakt i PAZHH, ville Kl trekke til når trykkbryteren sjaltet ut. Brudd i strømveien ville ikke bli oppdaget, siden det normalt ikke flyter strøm i kretsen.

203 Alarm- og forriglingssystemer er ofte atskilt I prosessindustrien er alarm- og forriglingssystemene ofte atskilte systemer. Det skyldes at en er interessert i å kunne utføre vedlikeholdsarbeid i alarmsystemet uten å forstyrre forriglingsfunksjonene. Galvanisk skilte kretser besørger de nødvendige forbindelsene. Figur 7.4 viser sammenkoplingen i grove trekk. Lampefunksjonen og kvitteringsknappene er koplet til alarmanlegget.

Figur 7.4 Sammenkopling av alarm- og forriglingsanlegg

Overbroing Når et prosessanlegg skal startes, vil det være slik at noen prosessbetingelser ikke er oppfylt. Vi vil derfor ikke kunne starte uten at vi overbroer (forbikopler) disse forriglingene (betingel­ sene). Overbroingene kan ofte utføres i kontrollpanelet. Når en forrigling er overbroet, mister vi prosessikringen. Det er derfor viktig å fjeme overbroingen etter at oppstarten er utført og prosessbetingelsene igjen er til stede. Det er vanlig å ha en blinkende lampe i panelet, som viser at overbroing er benyttet. Den blinkende lampen skal hindre at en overbroing blir glemt. Figur 7.5 viser en forenklet tegning av et forriglingssystem med overbroinger og viderekoplinger til alarmsystemet.

204 Frigjøringsbetingelse Forrigling 1 :

Forrigling n

n = et vilkårlig tall

Figur 7.5 Forenklet tegning av et forriglingsanlegg

Forriglingsmatriser (FM) Moderne fabrikker har ofte et omfattende sikringsopplegg som sørger for automatisk stopp hvis farlige situasjoner oppstår. Presentasjonen av dette sikringsopplegget er ofte umulig på TFS på grunn av omfanget. En benytter da hjelpetegninger i form av forriglingsmatriser, se figur 7.6.

Figur 7.6 Grunnleggende skisse av en forriglingsmatrise Forriglinger legges ofte på et lavere nivå enn det som er prosessens eller apparaturens tålegrense. For eksempel kan en trykkbeholder ha en sikkerhetsventil som åpner ved 16 bar over­ trykk, mens prosessen kan stoppes ved forrigling på 15 bar overtrykk.

205 Inngangene er signaler som kommer inn til forriglingssystemet fra måleomformere i anlegget. Eksempler på slike signaler er signaler om temperatur, trykk og nivå. Utgangene er signaler som går ut fra forriglingssystemet til anlegget og setter i gang en eller annen aksjon (stopper pumpe, stenger ventil osv.). Disse signalene har alltid høyeste prioritet og overstyrer alle andre styringssignaler. En forriglingsmatrise viser oss med en enkel tegning sammenhengen mellom hva som er gått galt i prosessen (innganger), og det som automatisk har blitt utført for å sikre anlegget (utganger).

Symboler som brukes i en forriglingsmatrise Symbol

Betydning

X

Direkte virkning. Forrigling forårsakes av unormal tilstand på inngang Overbroing (forbikopling) Tidsavhengighet, for eksempel forsinkelse Dominovirkning (følgefeil). Benyttes for å markere forplantet effekt som ligger utenfor selve forriglingssystemet Virkningen er resultat av logisk kopling av årsaker

T

0 L

Symboler som benyttes i kolonnen for «Posisjon ved luft/strømsvikt» A Ventil åpnes V Ventil lukkes = Ventil blir stående

Symbol som bare brukes i rubrikken for inngang eller utgang for frigjøring (reset) fy Symbolet viser en frigjøringsfunksjon (resetfunksjon). Når en utgang er forriglet og forriglingsårsaken er borte, vil inngangen eller utgangen normalt ligge i forrigling inntil inngangen eller utgangen er frigjort. Det å frigjøre inngangen eller utgangen kalles reset. Eksempel Figur 7.7 viser forriglingsmatrisen for den kjemiske reaktoren på figur 7.2. FORRIGLING

□ OVERBORING

T TIDSAVHENGIGHET O DOMINOFORRIGLING L LOGISK BEHANDLING

△ VENTIL ÅPNER NORMAL PROSESSVEI V VENTIL LUKKER NORMAL PROSESSVEI = VENTIL BLIR STÅENDE

O RESET

SYMOLENE KAN KOMBINERES F.EKS TAG NR

o

o

Figur 7.7 Forriglingsmatrise for kjemisk reaktor

UTGANGER TEKST

AKSJON

PZV 1

VENTIL

LUKKER

P1

PUMPE

STOPPER

PZV 2

VENTIL

LUKKER

P2

PUMPE

STOPPER

206 Eksempel på forrigling av destillasjonskolonne Figur 7.8 viser teknisk flytskjema (TFS) for destillasjonskolonnen. Figur 7.9 viser forriglingsmatrisen (FM) for destillasjonsanlegget.

Figur 7.8 Eksempel på et teknisk flytskjema

207

i

I

£ £ y

5

X □ § 13S38

ixKSnøas/-idm ott Norsisod 5NI038y3A0

4/1 00/

90022-4 300N3HHWA

4/1 002

»OO22-H 303N3HNNVA 20022 123

Z

61022 123

Of

13m I (TOHNNHOHCMIY 9OO2Z HZO

vave og'o

10022-1 / 10022-3 90022 IZd

OdVØ 09 V

NNVAjDøCX 92022 MZd

ddOlSOØK

90022 ZH

oava 09 f

dwa

% 01

10022-3 3NN010X dWlS

>2022 1Z1

% 06

10022-3 3NN010X dttflS

izaiz

1S^31

’dN 9V1

IGd3A

d39NV9NNI

XX

X

12022 42 d

HZi

Figur 7.9 Forriglingsmatrise for destillasjonskolonnen

s- «-■

208

Krysskopling og jording Krysskopling Krysskopling er i utgangspunktet to sett rekkeklemmer satt overfor hverandre med koplingsledninger (lasker) imellom. Koplingsledningene forbinder mangeledeme ute i prosessen (signalledere, måleverdier osv.) og de lederne (kan være enkeltledere eller mangeledere) som går videre til regulatorer, indikatorer, skrivere, lamper osv. i kontrollpanelet i kontrollrommet, se figur 7.10. Lokalt

Krysskoplingsskap

Figur 7.10 Prinsipiell skisse av en krysskopling Vi bruker krysskopling fordi det sparer mye arbeid ved montering og demontering av utstyr. Når vi bruker krysskopling, legger vi en permanent mangeleder fra krysskoplingsskapet til samlekassen ute i anlegget, og videre fra krysskoplingsskapet til panelet i kontrollrommet. Skal vi modifisere et anlegg, slipper vi å legge nye kabler fra anlegget til panelet. Vi benyt­ ter ledige rekkeklemmer i samlingskassen og bruker eksisterende mangeleder fram til kryss­ koplingsskapet, der vi fordeler signalene videre. Det fører til at vi får et oversiktlig og brukervennlig anlegg, og det er også svært praktisk ved flytting av utstyr eller ved nye installasjoner. Krysskopling er en måte å skjøte mangeledeme på. Jording Figur 7.11 viser hvordan koplingen utføres fra måleomformer til koplingsskap i fabrikk, videre til krysskoplingsrom og derfra til regulator i kontrollrom. Vi ser at skjermen rundt måleomformerens signalkabel jordes i bare én ende. Det gjøres i krysskoplingsrommet. Videre er beskyttelsesjord og skjermjord atskilte systemer i fabrikken, men de ender i et felles jordpunkt over hver sin jordkabel. Feil utført jording er en alminnelig årsak til problemer i elektroniske måle- og regulerings­ systemer. Omtanke og arbeid som legges i et godt jordingsanlegg, får en igjen for i form av bedre driftssikkerhet.

209 Lokalt koplingsskap

KrysskoplingsSamleskinne for skap Samleskinne for Signal signaljord er isolert fra \ signaljord__er_____ isolert 4-20 mA kassens chassis \ fra kassens chassis \

Regulator i kontrollrom

Å_______ P Kassens chassis er koplet til beskyttel­ sesjord

i

Alle skjermer koples til samlileskinne for signaljord Signal / 4-20 mA

Skjermet signalkabel Beskyttelsesjord

Signaljord Beskyttelsesjord

Beskyttelsesjord

Mangeleder med skjerm

Kobberplate i vann/jord

Felles jordpunkt, der alle jordsystemer samles

Figur 7.11 Figuren viser jording i et automatisert anlegg Eksempler på jordingssystemer: • Beskyttelsesjord (BJ) (eng. PE) • Signaljord (skjermjord SJ) (eng. RE) • Ex-i-jord (jord for Zenerbarrierer EJ) • Jord for dataoverføringskabler i prosessdatamaskiner (eng. Data Highway, HJ) • Datajord for overordnet datamaskin (DJ) I anlegget skiftes ofte de forskjellige jordsystemene ut med forskjellige farger på jordskinnene. Hvert jordsystem føres med en separat kobberkabel til et felles jordpunkt. Figur 7.12 viser et eksempel på jording av en datamaskin.

Figur 7.12 Jording av datamaskin

210 Beskyttelsesjord (BJ) Alle skap, paneler, stativer, pulter, bokser og liknende er beskyttelsesjordet såframt driftsspenningen er over 50 V. Hensikten med beskyttelsesjording er å hindre strømstøt dersom en berører disse gjenstan­ dene ved en feil (berøringssikring). Beskyttelsesjord er stjernepunktet i et 230 V fordelingsnett. Se også gjeldende elektriske forskrifter (FEB). Signaljord (SJ) Signaljord er et referansepotensiale for alle måle-, styre- og reguleringskretser, og for likestrømsspenninger. For å beskytte 4-20 mA-signaler og digitale signaler mot støy benyttes skjermete signalkabler. Hensikten med skjermen er å beskytte signallederene mot magnetiske felt og høyfrekvent støy i anlegget.

Det er viktig at skjermen bare blir koplet til jord i den ene enden. Dersom skjermen koples til jord i begge ender, kan den bli strømførende på grunn av potensialforskjeller i de to tilkoplingspunktene. Strømmen i skjermen kan indusere støy i signalledningene eller skade kabler på grunn av varmeutvikling i skjermen. Hvis en fortsatt får jordfeil etter å ha koplet kabelskjerm til signaljord inne i krysskop­ lingsskapet, kan en kople skjermen til jord i måleomformeren, men da via en kondensator, se figur 7.13.

— BJ

Figur 7.13 Støyavskjerming med kondensator tilkoplet støyskjerm Ex-i-jord Tilsvarende signaljord er Ex-i-jord referansepotensiale for alle Ex-i-jords kretser. For å redu­ sere faren for uønskete spenninger i disse kretsene, skal de ha et separat jordingssystem.

Jording av koaksialkabelskjermer Dette er et jordsystem for skjermene til koaksialkablene til de desentraliserte datamaskinene. Disse koaksialkablene fører digitale pulser som kan skape forstyrrelser i andre kretser, eller som selv kan bli utsatt for forstyrrelser. Et vanlig krav er at datajord må ha mindre enn 1 ohm resistans til felles jordplate. Datajord I moderne automatiseringsanlegg har en ofte datamaskiner tilkoplet prosessdatasystemet for økonomisk og administrativ databehandling. Disse datamaskinene bør ha et separat jordsys­ tem. Det er dette jordsystemet som kalles datajord.

211 Noen viktige regler for jording i automatiserte prosessanlegg 1 Hvert jordingssystem bør ha egen farge. 2 Beskyttelsesjord, digital jord, og datajord må ikke koples sammen inne i anlegget. Sammenkoplingen skal skje i et felles jordingspunkt, på jordingsplaten. 3 Unngå å skade isolasjonen utenpå skjermen. Hull i isolasjonen kan føre til «overslag» til beskyttelsesjord. 4 La aldri skjermen til koaksialkablene for dataoverføring komme i berøring med andre jordsystemer. Da kan det oppstå en uønsket jordsløyfe. 5 Rundt krafttilførsel har en ofte høyfrekvent støy. Uskjermete ledere virker som anten­ ner i dette feltet. 6 Lynavledere bør ha egen jordelektrode.

Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner (FEB 1991) behandler krav til jording av utstyr for elektronisk databehandling under § 707.

Kontrollspørsmål 1 Hvem godkjenner prosessanlegg i Norge? 2 Hva sikrer man seg mot når man lager og installerer alarm- og forriglingsanlegg? 3 Beskriv tre måter å sikre prosesser på. 4 Hva menes med feilsikkerhet? 5 Hva menes med overbroing? 6 Hvordan sammenkopler man alarm- og forriglingsanlegg? 7 Hvordan bruker og tegner man forriglingsmatriser? 8 Hvorfor benytter man krysskopling i automatiserte prosessanlegg? 9 Hvilke typer jordingssystemer benyttes i automatiserte prosessanlegg? 10 Gjør rede for noen viktige regler for jording av automatiserte prosessanlegg.

212

Appendiks GTS-T-01 Flytskjemasymboler Navn

Anmerkning

Symbol

Grunnsymbol

1

___ 1____

- /- /- /--

Kryssende rør uten forbindelse

Grunnsymbol

Kryssende rør innbyrdes forbundet

Grunnsymbol

Avgreining

Grunnsymbol

Hovedprosessrør

1,0 mm linjetykkelse

Hjelpeprosessrør vann, damp, trykkluft osv.

0,5 mm linjetykkelse

Instrument-prosess-tilkopling

0,25 mm linjetykkelse

Instrumentledning generelt

0,25 mm linjetykkelse

Overgangsstykke Rørforbindelse Flensforbindelse

Blindflens Sprengeskive

Strupeskive

Slangetilkopling Måleskive med instrument og to avstengte ventiler, typisk

Forrigling ut

Åpne pilspisser på forriglingssymboler

Forrigling inn

Åpne pilspisser på forriglingssymboler

213 Hjelpestrøm inn

Hjelpestrøm ut

Tilbakeslagsventil

Seteventil, vinkelløp

Sikkerhetsventil, vinkelløp, vektbelastet Sikkerhetsventil, vinkelløp, fjærbelastet Tilbakeslagsventil, vinkelløp

Kuleventil, kikkran, tre-løp (treveis) Trykk-/vakuum ventil

Spjeldventil, vridbar Ekspansjons-, utskillings-, filtrerings- og dreneringselementer Utskiller

Kondenspotte Filter

Sluk

o

Apne beholdere

Åpne beholdere

214

Trykkløs, lukket beholder

Trykkbeholder

Kuletank

TTTTm

llllill

lllllli

Tårn med fyll-legemer og dråpefanger

For eksempel absorpsjonståm

Tårn med bunner

Absorpsjonståm, destillasjonståm etc.

Oppvarming, kjøling

Innvendig, henholdsvis utvendig

215 Kjøle- og varmespiral

Syklon

Trykk filter

Typen markeres eventuelt med tekst

Trykkløst filter

Typen markeres eventuelt med tekst

Sentrifuge

Posefilter

Elektrofilter

Bunnfellingstank

Platetørker

Sandfanger osv.

216

Varmeveksler med rette rør

Varmeveksler, forenklet symbol

Varmeveksler med U-rørsats

Koker med U-rørsats

Ribberørsklorifær

Plate- eller blokkvarmeveksler

Kjele, overheter, forenklet symbol

Radialvifte

Aksialvifte (propellvifte)

Spesielt for bruk på PS

217

Sentrifugalpumpe

Membranpumpe

Stempelpumpe, ettrinnskompressor

Doseringspumpe

Lamellpumpe eller -kompressor

Tannhjulspumpe

Vingepumpe

Skruepumpe eller -kompressor

Flertrinns sentrifugal- eller aksialkompressor

Damp-, gass- eller vannturbin

Rørverk, propelltype

Rørverk, turbintype

218

Sikt

Trommelsikt

Antall utløp varieres etter behov

Roterende trommel

Tørke-, kjøle- osv.

Transportbånd

Transportskrue

Koppelevator, bergverk

Cellesluse

Vekt

219

Stikkord

4:1-forholdet 176 5 %-metoden 176

absorpsjon 61 absorpsjonstårn 61 adiabatisk kompresjon 47 administrativ norm 71 adsorpsjon 64 aerosol 74 aksialkompressor 49 alarm 70 alarmanlegg 203 alarmsystem 203 allergiframkallende stoff 74 ammoniakk 75 arbeid, kaldt 78 arbeid, varmt 78 arbeidspunkt (til pumpe) 44, 45 arbeidstillatelse 78 asbest 76 automatisk styring 18 automatisk system 10, 16 av/på-regulering 136 avvik 15 bench-set 122 berøringsfølsom skjerm 195 beskyttelsesjord 209, 210 betjeningsmulighet 195 blokk 13 blokkskjema 12, 80, 81, 137 burventil 102 buss-system 194 bypassinstallasjon 123

båndtransport 66 cage-ventil 102 CAS-nummer 72

D-forsterker 157 D-tid 157, 159 damp 74 dampturbinprosess 50 datajord 209, 210 datamaskin 193 datamaskin, overordnet prosess- 195 datamaskin, personlig 189 datamaskin, prosess- 192 datastyrt maskin 18 delt område-regulering 173 deriverende forsterker 157 destillasjon 62 destillasjon, fraksjonert 63 digital regulator 186 direkte regulator 141 direkte regulatorutgang 148 Direktoratet for brann- og eksplosjonsvern (DBE) 200 DN31 dobbeltseteventil 102 dynamisk forsterkning 27 dødsone 137 dødtid 20, 23, 24 effektbehov 41 effekttransistor 127 ekspansjonprosess 50 ekvivalentskjema 25 elektrofilter 54

elektronisk regulator 186 enhetsprosess 52 entretillatelse 78 er-verdi 14, 15 ettrinnsinndamping 58 ex-i-jord 209, 210 fallkammer 52 fasedreining 130 feilsikkerhet 202 felling, kjemisk 66 feltbuss 197 feltbussmodul 197 fiber 74 filter, elektro- 54 filter, kelly- 56 filter, pose- 53 filter, trommel- 57 filter, trykk- 56 filter, vakuum- 57 filterkake 56 filtrat 56 filtrering 56 fjærkraft 119 fluid-bed 60 flytskjema 80 forbehandling 66 forbikopling 123 forbikopling 205 forholdsregulering 163 foroverkopling 164 forriglingsmatrise 80 forriglingsmatrise 204 forriglingssystem 201, 203 forsterker, D- 157 forsterker, deriverende 157 forsterker, I- 148

220 forsterker, integrerende 148 forsterkning 26, 130, 132 forsterkning, dynamisk 27 forsterkning, frekvensavhengig 27 forsterkning, lineær 26 forsterkning, ulineær 26 forstillingsmekanisme 15, 103 forstillingsmekanisme, direktevirkende 112 forstillingsmekanisme, elektrisk 115 forstillingsmekanisme, pneumatisk 113 forstillingsmekanisme, reversvirkende 112 forstillingsmekanisme, sylindervirkende 114 forstyrrelse 14, 15 Foxboro I/A-system 197 fraksjonert destillasjon 63 frekvensavhengig forsterk­ ning 27 frekvensomformer 126 frigjøringsfunksjon 205 følgefeil 202, 205 følgeregulering 16 gassturbin 50 gassvasking 61 gjennomstrømning 167 gjennomstrømningsmasse 30

harmonisk svingning 178 heis 17 helse, miljø og sikkerhet (HMS) 69 hjelpeskjema 80, 83 hudopptak 73 hurtigåpnende karakteris­ tikk 105, 106 hydrazin 76 hydrogen 76 hydrokarbon, klorert 76 hysterese 137

I-bidrag 154 I-forsterker 148 I-regulator 151 I-tid 154 I/P-omformer 117 industrirobot 17 inndamping 58 innsvingning 175 innsvingningstid 176 instrumentkode 91 integrasjon 20, 23 integrerende forsterker 148 isotermisk kompresjon 47 jordbruk 68 jording 208 jording av koaksialkabelskjerm 210

kapasitetsindeks 99, 104 karakteristikk, hurtigåp­ nende 105, 106 karakteristikk, likepro­ sentlig 105, 107 karakteristikk, lineær 105, 106 karakteristikk, logaritmisk 105 karakteristikk, prosess- 20 karakteristikk, rør- 33 karakteristikk, stempelpumpens 44 karakteristikk, ventil- 105 karbonmonoksid 76 kaskaderegulering 162 kellyfilter 56 kjemisk felling 66 kjemisk reaktor 171, 201 kjemisk rensing 65 klor 75 klorert hydrokarbon 76 koaksialkabel skjerm, jord­ ing 210 kommunikasjonssystem 194 kompresjon, adiabatisk 47 kompresjon, isotermisk 47 kompresjonsprosess 46 kompressor 46

kompressor, aksial- 49 kompressor, oljefri 48 kompressor, oljesmurt 49 kompressor, skrue- 48 kompressor, stempel- 47 kondensator 39 konsentrasjonsangivelse 72 konstantreguiering 16 kraftverk 19 kreftframkallende stoff 74 krysskopling 208 krystallisering 59 krystalliseringsprosess 59 kulesegmentventil 109 kuleventil 110 kvikksølv 76 kvitteringsknapp 203 likeprosentlig karakteri­ stikk 105, 107 likestrømsmotor 125 lineær forsterkning 26 lineær karakteristikk 105, 106 logaritmisk karakteristikk 105 lukket sløyfe 15

man/auto 140 manuell regulering 15 manuelt system 10, 15 maskin, datastyrt 18 massestrøm 30 medstrøm 39 mekanisk reguleringssys­ tem 145 membrankraft 119 membranmotor 112 mikroprosessor 186 miljø 69 motkoplingsbelg 185 motstrøm 39 multiplekser 193 måleomformer 10 natron lut 76 nitrogen 77 nitrøs gass 75 nominell rørdiameter 31

221 nominelt trykk 31 nomogram 34 nullpunktforskyvning 141 nummerering 87 nødsituasjon 70 nøyaktighet, statisk 175 nøytralisering 65 offset 141 oljefri kompressor 48 oljesmurt kompressor 49 omformer 116 omformer, frekvens- 126 omformer, I/P- 117 omformer, måle- 10 omformer, strøm-til-luft116 operatørstasjon 194 overbroing 203, 205

P-regulator 140 pakkboks 101 pakning 101 PC 189 PD 189 Pl-regulator 152 Pl-regulator, pneumatisk 184 PID-regulator 157 PID-regulator, pneumatisk 185 plate-/dyseelement 118 platekolonne 61 platetørker 60 plugg 101 PN31 pneumatisk Pl-regulator 184 pneumatisk PID-regulator 185 pneumatisk regulator 182 posefilter 53 propan 77 proporsjonal regulator 140 proporsjonalbånd 146 prosess 14, 15 prosessdatamaskin 192 prosessdatamaskin, over­ ordnet 195

prosesskarakteristikk 20 prosesskjema 80, 81 prosessteknikk 30 pumpe 40 pådrag 15 pådragsorgan 12, 15 reaktor 64 reaktor, kjemisk 171, 201 reduksjonsventil 124 regulator 12 regulator, digital 186 regulator, direkte 141 regulator, elektronisk 186 regulator, 1-151 regulator, P- 140 regulator, PI- 152 regulator, PID- 157 regulator, pneumatisk 182 regulator, pneumatisk PI184 regulator, pneumatisk PID- 185 regulator, proporsjonal 140 regulator, reversert 141 regulatorinnstilling 175 regulatorutgang, direkte 148 regulatorutgang, reversert 148 regulering, av/på- 136 regulering, delt område173 regulering, forholds- 163 regulering, følge- 16 regulering, kaskade- 162 regulering, konstant- 16 regulering, manuell 15 regulering, temperatur- 169 regulering, trykk- 166 reguleringsavvik 15 reguleringsavvik, statisk 175 reguleringssløyfe, ustabil 160 reguleringssystem, mekan­ isk 145 reguleringsteknikk 9 reguleringsventil

(demontering) 121 regulert størrelse 14, 15 rensing, kjemisk 65 reset-funksjon 205 reset-tid 154 reversert regulator 141 reversert regulatorutgang 148 robot, industri- 17 RS 232C 191 RS 422 191 RS 485 191 rørdiameter, nominell 31 rørkarakteristikk 33 rørnett 36 rørsystem 123 saltsyre 77 sammenlikner 11,13 sedimentering 56 sentrifugalpumpe 40 sentrifugering 57 separasjonsprosess 166 sete 101 seteventil 101 signal 13 signaljord 209, 210 sikkerhet 69 sikkerhetsinformasjon 69 skal-verdi 9, 14, 15 skal-verdienhet 11 skjerm, berøringsfølsom 195 skjermbetjening 195 skruekompressor 48 slaglengde 121 slam 67 sløyfe, lukket 15 sløyfe, åpen 15, 153 sløyfeforsterkning 179 spindel 101 spjeldventil 109 split range 173 sprang-svar-diagram 20, 153 sprang-svar-kurve 177 statisk feil 175

statisk nøyaktighet 175

222 statisk reguleringsavvik 175 stempelkompressor 47 stempelpumpe 43 stempelpumpens karakter­ istikk 44 stigetid 175 stigning 140 strøm-til-luft-omformer 116 strømkrets 98 strømningshastighet 30 strømningsretning 38 styrespak 195 styring, automatisk 18 størrelse, regulert 14, 15 støv 74 støvrensing 52 sugeslag 43 summeringspunkt 13 svingning, harmonisk 178 svoveldioksid 75 syklon 52 symbol for helsefare 77 symboler 86, 205 system, automatisk 10, 16 system, manuelt 10, 15 takverdi 73 tannhjulspumpe 44 tegneregler 84

teknisk flytskjema 80, 84 temperaturregulering 169 tidskonstant 20, 21,24 tilbakekopling 131 tilbakekopling, negativ 131 tilbakekopling, positiv 131 tilbakekoplingsfaktor 147 tolederkopling 191 treveisventil 110 trommelfilter 57 trommeltørking 60 trykk, nominelt 31 trykkfilter 56 trykkregulering 166 trykkslag 43 trykktap (i rømett) 31 tungmetall 77 turbin 49 turbin, gass- 50 tørking 60

ulineær forsterkning 26

vakuumfilter 57 valsetørker 61 vannrensing 56 varmegjennomgangskoeffisienten 38 varmegjennomgangstall 38 varmeveksler 37, 169 varmeveksling 38

vasker 55 vedlikehold 121 vekselretter 126 ventil, bur- 102, 103 ventil, cage- 102 ventil, dobbeltsete- 102 ventil, kule- 110 ventil, kulesegment- 109 ventil, reduksjons- 124 ventil, regulerings(demontering) 121 ventil, sete- 101 ventil, spjeld- 109 ventil, treveis- 110 ventilasjonsanlegg 16 ventilasjonskrets 16 ventilkarakteristikk 105 ventilstiller 119, 122 ventilstiller, elektonisk 115 venturi vasker 55 væskestrømkrets 98 våtvasker 55 Zieglers og Nichoks 1. regel 178 Zieglers og Nichol’s 2. regel 179 åpen sløyfe 15, 153