Styrings- og reguleringsteknikk 8256227044 [PDF]

Zitiervorschau

NPn

r*

Styrings- og reguleringsteknikk

A. de Bruin A.A.P.C. Kockx J.F.M. Latjes

KNKI

Originalens tittel: schakel- en regeltechniek S3 © 1992 bij B.V. Uitgeverji Nijgh & Van Ditmar, Rijswijk, The Netherlands

Norsk utgave: © NKI Forlaget 1993 1. utgave 1993

Oversatt til norsk av Odd Hammertoft

Utgiver: NKI Forlaget, Hans Burums vei 30 Postboks 111, 1341 Bekkestua Tlf.: Sentralbord 67 58 88 00 Ordrekontor: 67 58 89 00

Godkjent til bruk i videregående skole av Nasjonalt læremiddelsenter 12.10.93. «Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel».

ISBN 82-562-2704-4

Forord

Styrings- og reguleringsteknikk legger spesiell vekt på koplingsprinsipper, boka har valgt en måte å løse koplingproblemer på som ganske sikkert vil falle i smak reguleringsmidler, den siste utviklingen på området smart-sensorer og aktuatorer er tatt med, det samme gjelder datamaskinen som reguleringsmiddel

I praksis blir forskjellige symboler brukt for reguleringstekniske størrelser. De symbolene som blir brukt her, er samlet i en symbolliste bakerst i boka. Styrings- og reguleringsteknikk består av disse kapitlene: • Innledning til styrings- og reguleringsteknikken • Styringsteknikk • Styremidler • Koplingsprinsipper • Reguleringsteknikk • Reguleringsmidler • Prosessregulering • Karakteristikkene til prosess og regulator

Innhold

1

Innledning til styrings- og reguleringsteknikken

1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.9.4 1.10

Kort historikk Styring, regulering og følge Formålet med styrings-og reguleringsteknikk Definisjon av en prosess Definisjon av et styringssystem og et reguleringssystem Definisjon av en styrekrets Definisjon av en reguleringskrets Det ønskede resultatet Typer av styrings- og reguleringsanlegg Innledning Elektrisk regulering Pneumatisk regulering Hydraulisk regulering Oppgaver

j 2 4 5 5 5 6 7 8 g 9 9

20

2

Styringsteknikk

12

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Innledning Styringssystemer Blokkskjematisk framstilling avSiSo-systemet Inngangsinformasjonen til en styre- ellerreguleringskrets Blokkskjematisk framstilling avmultivariable systemer Logiske styrekoplinger Blokkskjematisk framstilling av en PLS Oppgaver

22 22 14 15 17 18 19 21

jq

3

Styremidler

23

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4

Innledning Styremidler på inngangen til styringssystemet Analoge styremidler Binære styremidler Digitale styremidler Styremidler på utgangen til styringssystemet Innledning Analogt korrigerende organer Binært korrigerende organer Oppgaver

23 24 24 25 30 30 30 31 32 37

4

Koplingsprinsipper

38

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Innledning Styreenheten Logiske funksjoner Kontakttyper Arbeidskontakt med en sluttefunksjon elleren brytefunksjon Arbeidskontakt med en sluttefunksjonog en brytefunksjon Komplekse koplingsproblemer Minnefunksjoner Tidsfunksjoner Symboler i PLS-teknikken Sammendrag Oppgaver

38 39 40 42 42 44 44 48 50 52 53 54

5

Reguleringsteknikk

58

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Grunnregler ved bruk av blokkskjemaer Kombinasjonsmuligheter Tilbakekopling Standardisert blokkskjema for et reguleringssystem Analoge og digitale reguleringssystemer Reguleringssystemer med forskjellige reguleringsbetingelser Sammenlikning av datamaskinregulering og PLS-regulering Oppgaver

58 59 60 63 64 66 67 68

6

Reguleringsmidler

70

6.1

Innledning

70

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5

Blokkskjemaer for reguleringskretser Intelligente systemer eller «SMART»-systemer Oppgaver Sensorer Innledning Utgangssignaler fra sensorer Passive og aktive sensorer Egenskapene til sensorer Oppgaver Transmittere Innledning Spenning-strømtransmittere P-I-transmittere Analog-digitalomformere Oppgaver Sammenlikningsorganer Innledning Eksempler på analoge sammenlikningsorganer Digitale sammenlikningsorganer Oppgaver Korrigerende organer Innledning Elektromotorer Reguleringsventiler Smart power MOS Oppgaver Prosesstyringer eller reguleringsorganer Innledning Reguleringsorganet ved diskontinuerlig regulering Reguleringsorganet ved kontinuerlig regulering Mikroprosessoren eller datamaskinen som reguleringsorgan Oppgaver

102 104 105 106

7

Prosessreguleringer

108

7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5

Prosess og regulering Innledning Forholdet mellom prosess og regulering Eksempler på prosessregulering Prosess med tilbakekoplende regulering Prosess med framoverkoplende regulering Prosess med kaskaderegulering Prosess med dupleksregulering Prosess med forholdsregulering

108 108 109 109 109 110 112 113 114

70 72 73 73 73 74 76 79 82 84 84 86 87 88 89 90 90 90 91 92 93 93 94 95 98 100 100

1qq

7.2.6 7.2.7 7.3

Prosess med programregulering Posisjonsstyringer og reguleringer Oppgaver

116 116 118

8

Karakteristikkene til prosess og regulator

119

8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4

Innledning Reguleringsteknisk eksempel Temperaturlikevekt Avvik (offset, deviasjon) Statiske og dynamiske egenskaper Inngangs-og utgangsstørrelsene til prosess og regulator De statiske egenskapene til prosessen Prosesskarakteristikken Endringer av prosessbelastningen Endringer av startverdien ved prosesskarakteristikker Oppgaver De statiske egenskapene til regulatoren Regulatorkarakteristikkene Måle- og reguleringsområde Proporsjonalbånd (PB) Oppgaver

119 119 120 120 120 121 122 122 124 125 126 127 127 129 130 132

Svar på oppgavene

133

1

1.1

Innledning til styrings- og reguleringsteknikken

Kort historikk

Etter at Norbert Wiener i 1948 la grunnlaget for alle automatiske reguleringssystemer med sin bok «Cybernetics», skjøt utviklingen av kybernetikk som ny vitenskap for alvor fart. Kybernetikk er vitenskapen om reguleringsmekanismene i natur og teknikk.

Norbert Wieners studier dreide seg om radarstyring og mulighetene for å eliminere den menneske­ lige faktor ved innstilling av antiluftskyts. Men de reguleringstekniske prinsippene er ikke nye, i virkeligheten er de like gamle som menneskeheten. Det er ikke vanskelig å finne regulerings­ systemer i naturen. Vi tenker her for eksempel på plantenes vekst som alltid går i retning av lyset, på reguleringen av vår kroppstemperatur og på øyepupillene som trekker seg sammen når de blir utsatt for sterkt lys. Også økonomisk, sosialt og organisatorisk bruker vi reguleringssystemer. Heller ikke i teknikken er reguleringsteknikk noe nytt. James Watt brukte allerede turtallsregulering i sin dampmaskin fra 1788. Det viktigste grunnlaget for et reguleringssystem er prinsippet om tilbakekopling. Regulering av væskenivået i et kar er et eksempel hvor alle reguleringsprinsippene forekommer. Se figur 1.1, som viser virkemåten. Når nivået stiger, hever flottøren seg slik at vanntilførselen minker. Når det ønskede nivået er nådd, stopper vanntilførselen helt opp. Via en vektstangsmekanisme blir det nivået som flottøren måler, tilbakekoplet til vanninntaket.

Inntak

Figur 1.1 Nivåregulering i et kar

1

Med det samme prinsippet som vi brukte ved denne enkle formen for regulering, kan vi løse kompliserte tekniske problemer. Elektroteknisk apparatur blir ofte brukt i denne forbindelse. Programmerbare styringssystemer, mikroprosessorer og datamaskiner blir stadig oftere tatt i bruk.

1.2 Styring, regulering og følge • Styring

Vi har et arbeidsbord med overlys. Lysstyrken er angitt på en skala, og vi kan stille den inn med en reguleringsknapp. Vi stiller for eksempel inn lysstyrken på 1000 lux. Dette kaller vi styring. Men om lysstyrken virkelig blir 1000 lux, kan vi ikke være sikre på. Blir den ikke det, skjer det ingen korreksjon. Generelt kan vi si at resultatet av vår handling ikke blir brukt til å korrigere den innstilte verdien. En spesiell form for styring finner vi i en kaffeautomat. Når vi har valgt hvordan vi vil ha kaffen, blir automaten innstilt på et spesielt program. Etter myntinnkastet blir automaten styrt slik at den gjennomfører dette programmet. Om resultatet blir slik vi ønsker, må vi selv bedømme. Denne for­ men for styring blir kalt programstyring. Se figur 1.2.

Figur 1.2 Programstyring av en kaffeautomat

• Regulering I en bil er det mange ulike reguleringstekniske mekanismer som sørger for at alt fungerer som det skal. Med gasspedalen kan vi regulere motoreffekten slik at bilen til enhver tid har en hastighet som passer til forholdene. Vi kan lese av hastigheten på fartsmåleren. Dersom vi syns at den er for høy, kan vi slippe opp gasspedalen.

2

I dette eksempelet, som er vist skjematisk på figur 1.3, blir farten målt, og resultatet av målingen fører til en korreksjon dersom det er nødvendig. Vi kaller dette regulering. Fordi mennesket i dette tilfellet regulerer farten, kaller vi det manuell regulering. Men det fins også automatisk regulering. Da trenger ikke mennesket å gripe inn. I bilen kan vi for eksempel tenke på regulering av kjølevannstemperaturen eller av batteriladingen. Oppvarmingen av et oppholdsrom er også et eksempel på automatisk regulering. Termostaten i rommet er innstilt på en bestemt temperatur. Dersom romtemperaturen blir lavere enn den innstilte verdien, blir det gitt et signal tilbake til fyrkjelen om at varmtvannet som strømmer gjennom anlegget, må varmes opp. Når romtemperaturen igjen er slik vi ønsker, blir fyrkjelen koplet ut. I dette tilfellet blir romtemperaturen målt og sammenliknet med en ønsket verdi, og fyrkjelen blir koplet inn og ut etter behov. Informasjonsstrømmen er en del av en lukket sløyfe. Mennesket tar ikke del i prosessen. Her har vi et nytt eksempel på automatisk regulering.

Figur 1.4 viser oppvarmingen av et oppholdsrom ved hjelp av et sentralvarmeanlegg.

Temperaturføler (av/på)

Figur 1.4 Regulering av romtemperaturen (lukket sløyfe), skjematisk framstilling

3

• Følge

En spesiell form for regulering er betjeningen av rattet som roret på store skip blir stilt med. Roret følger slavisk alle bevegelser rattet gjør. Vi snakker om følgeregulering, servoregulering eller rett og slett servo. «Servus» er det latinske ordet for slave. Figur 1.5 viser skjematisk hvordan servo­ regulering av roret på en båt foregår med ratt. Ved servoregulering er det ofte vanskelig å avgjøre om systemet tilhører en reguleringskrets eller en styrekrets.

Figur 1.5 Servoregulering av roret på et skip, skjematisk framstlling

Antennefølgesystemer, automatisk styrt verktøy og roboter, som i våre dager blir brukt i stadig større utstrekning til ulike formål, er former for følgereguleringer eller servosystemer.

I de eksemplene vi har gitt, har vi gjort et klart skille mellom styring og regulering. På engelsk blir ordet «control» brukt om begge deler.

1.3 Formålet med styrings- og reguleringsteknikk Styrings- og reguleringsteknikken har som oppgave å påvirke tekniske apparater og anlegg ved hjelp av automatiske styre- og reguleringskretser, slik at vi oppnår det resultatet vi ønsker.

Grunnene til at vi har tatt i bruk styre- og reguleringskretser, kan oppsummeres slik: a Det kan være økonomiske grunner, som - bedre kvalitet - høyere produktivitet - lavere kostnader - større fleksibilitet b Kretsene gjør det mulig å utføre produksjonsprosesser som mennesket ikke kan gjennomføre, eller hvor menneskelig inngripen skaper problemer. Eksempler: - behandle store mengder informasjon og gjøre mange observasjoner med høy frekvens - utføre raske arbeidsoperasjoner og samtidig ta beslutninger - unngå feilbedømmelser - tilfredsstille høye kvalitetskrav

4

c d e

- reagere på ustabile driftsforhold - utføre arbeidsoppgaver som er ubehagelige for mennesker Kretsene gjør livet mer behagelig for mennesket. Vi tenker da for eksempel på kjøleskap og vaskemaskiner. Vi kan overholde forskrifter, for eksempel brannsikring av sentfalvarmeanlegg. Vi kan overholde sikkerhetsregler, som for eksempel sikring av maskiner, installasjon av brannalarm eller tyverialarm.

1.4 Definisjon av en prosess Med en prosess mener vi en fysisk endring av stoff og/eller omforming av energi. Prosess er vanligvis betegnelsen på noe som må styres eller reguleres. Av størrelser som ofte blir styrt eller regulert, kan vi nevne strømmer av materiale eller energi, endring av sammensetning eller tetthet, regulering av elektriske spenninger og strømmer, regulering av trykk, temperatur, nivå, posisjon, hastighet, akselerasjon, bevegelse, turtall, kraft, moment og frekvens.

1.5 Definisjon av et styringssystem og et reguleringssystem Med et styringssystem mener vi en prosess med tilhørende styrekretser. Den enkleste formen for et styringssystem består av disse delene: giver, ønsket verdi styreenhet prosess

Figur 1.6 viser blokkskjemaet for et styresystem. Prosessutgang

Styrekrets Figur 1.6 Blokkskjematisk framstilling av et styringssystem

Med et reguleringssystem mener vi en prosess med tilhørende reguleringskretser. Figur 1.7 er en blokkskjematisk framstilling av et reguleringssystem, som i sin enkleste form består av disse dele­ ne: giver, ønsket verdi sammenlikningsorgan reguleringsenhet prosess

5

Prosessutgang

Figur 1.7 Blokkskjematisk framstilling av et reguleringssystem

Det endelige resultatet i et styringssystem eller i et reguleringssystem (prosessutgangen) blir bestemt av den innstilte, ønskede verdien (inngangsvariabelen).

1.6 Definisjon av en styrekrets En styrekrets er en krets med en eller flere inngangsvariabler som kan påvirke en prosess. Det karakteristiske ved en styrekrets er at det ikke er tilbakekopling. Den virkningen styrekretsen har på prosessen, blir ikke registrert av styrekretsen. En styrekrets blir derfor kalt et åpent system. Vi kan dele alle styrekretser inn i: styreenheten. Denne koplingen omformer den ønskede verdien til et signal som påvirker prosessen. giver, ønsket verdi. Dette organet stilles inn manuelt. Det er erfaringen som sier oss at en bestemt innstilling fører til at prosessen får en ønsket utgangsverdi.

Figur 1.8 er en blokkskjematisk framstilling av et styringssystem hvor delene er plassert i rekke­ følge.

Styrekrets

Figur 1.8 Blokkskjematisk framstilling av en styrekrets

1.7 Definisjon av en reguleringskrets En reguleringskrets er den delen av reguleringssystemet hvor den målte verdien av en størrelse blir sammenliknet med den ønskede verdien. Reguleringsenheten påvirker prosessen avhengig av differansen mellom de to verdiene. Det karakteristiske ved en regulering er at årsak og virkning gjensidig påvirker hverandre, og at det hele tiden skjer en justering av prosessen. Vi snakker nå om er lukket system.

Når reguleringskretsen bare består av automatikk, snakker vi om automatisk regulering.

6

Målt prosessverdi

Reguleringskrets

Figur 1.9 Blokkskjematisk framstilling av en reguleringskrets

Vi kan dele reguleringskretsen inn i: giver, ønsket verdi sammenlikningsorgan. Her blir den målte verdien sammenliknet med den ønskede verdien, reguleringsenhet. Denne enheten omformer forskjellen mellom den ønskede verdien og utgangsverdien til et signal som påvirker prosessen. Figur 1.9 er en blokkskjematisk framstilling av en enkel reguleringskrets.

1.8 Det ønskede resultatet Ved styring og regulering av prosesser forsøker vi å ligge så nær opp til det ønskede resultatet som mulig. Det ønskede resultatet kan være: stabilisering, for eksempel å holde utgangsspenningen fra en spenningskilde så konstant som mulig. følge. En antenne som skal oppfange signalene fra en satellitt, må følge satellitten så nøyaktig som mulig. gjennomføring av et program. Når vi betjener en kaffeautomat, skal operasjonene skje i en bestemt rekkefølge (styringsfunksjon). optimalisering. Med dette mener vi den summen av operasjoner som er nødvendig for å fram­ skaffe et kvalitativt best mulig produkt med minimal bruk av energi og råstoffer (styrings- og reguleringsfunksjon). sikring. Plassering av en sikring på maskiner eller apparater slik at de ikke blir innkoplet før andre bestemte operasjoner har funnet sted (styringsfunksjon). Vanligvis er det ikke mulig fullt ut å nå det ønskede resultatet på grunn av forstyrrelser som er til stede. Forskjellen mellom den virkelige verdien og den ønskede verdien i en prosess kaller vi avvik eller deviasjon. Med prosessforstyrrelser mener vi eksterne påvirkninger som kan få proses­ sen ut av likevekt. Slike forstyrrelser kan oppstå ved endringer av belastningen, den innstilte verdi­ en eller inngangssignalet.

7

Matespenning

U. inn

o------------------220 Vi 10%

Forstyrrelser

Figur 1.10 Stabilisert strømforsyning

Hvor stort avviket blir i et styrings- eller reguleringssystem, bestemmes i hovedsak av eksterne forstyrrelser. På figur 1.10 har vi som eksempel merket av de stedene med piler hvor forstyrrelser kan føre til avvik i utgangsspenningen. Forstyrrelsene kan skyldes: - prosessinngangssignaler, i vårt eksempel variabel nettspenning, U. endringer av den innstilte verdien, det vil si endringer i selve styrings- eller regulerings­ systemet belastningsvariasjoner, i vårt eksempel endringer av belastningsresistansen, RL

For å oppnå det ønskede resultatet ved hjelp av styre- eller reguleringskretser må vi altså ta hensyn til den eksterne påvirkningen.

1.9 Typer av styrings- og reguleringsanlegg 1.9.1 Innledning

I styrings- og reguleringsteknikken støter vi på mange forskjellige typer av anlegg. Forskjellen mellom anleggene ligger i måten energien blir overført på. Energioverføringen kan foregå ved hjelp av: elektrisitet: elektrisk (elektronisk) regulering luft: pneumatisk regulering væske: hydraulisk regulering

Reguleringssystem Figur 1.11 Elektrisk regulering

8

1.9.2 Elektrisk regulering Figur 1.11 er et eksempel på et elektrisk reguleringssystem. Den målte verdien blir sammenliknet med den ønskede verdien. I reguleringsenheten blir energitilførselen til elementet korrigert. Reguleringsenheten kan utstyres med forskjellige funksjoner. Den enkleste utførelsen er av/påregulering. Vi har også mer kompliserte utførelser som P-regulatoren (proporsjonal regulering), PI-regulatoren (proporsjonal integrerende regulering) og PID-regulatoren (proporsjonal integreren­ de differensierende regulering).

1.9.3 Pneumatisk regulering Figur 1.12 viser et pneumatisk reguleringsanlegg for en varmeveksler. Denne regulatoren kan også utstyres med forskjellige funksjoner som av/på-regulering, P-regulering, PI-regulering og PIDregulering. I regulatoren blir den målte verdien sammenliknet med den ønskede verdien. Forskjellen i lufttrykk mellom målt og innstilt verdi blir samtidig utliknet i regulatoren.

Figur 1.12 Pneumatisk regulering av en varmeveksler

9

1.9.4 Hydraulisk regulering I denne typen regulering blir det ofte brukt mineraloljer. Hydrauliske reguleringssystemer kan overføre store krefter ved høye trykk. Bremsesystemene i personbiler og større kjøretøyer er gode eksempler. Figur 1.13 viser et hydraulisk reguleringssystem hvor stempelet blir tilført et konstant trykk. Plate

Delene av arbeidsstykket må skyves inn i hverandre med konstant trykk

Arbeidsstykke

Bevegelig bord

Bevegelig stempelstang

Trykksylinder Stempel

Ventil

Oljereservoar

Figur 1.13 Hydraulisk regulerings- og styringssystem

1.10 Oppgaver Kontrollspørsmål

1 Hva betyr kybernetikk? 2 Nevn noen eksempler på reguleringssystemer fra: a naturen b det økonomiske området c organisasjonslivet 3 Hva er det viktigste grunnlaget for et reguleringssystem? 10

4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hva ligger i begrepet tilbakekopling? Gi eksempler på reguleringssystemer fra omgivelsene. Hva mener vi med styring? Forklar også hva vi mener med automatisk styring. Nevn enkle tekniske løsninger hvor vi snakker om: a styring b programstyring Hva er forskjellen mellom styring, regulering og følgeregulering? Hva betyr det engelske ordet «control»? Hva er formålet med styring og regulering? Nevn noen grunner til at styre- og reguleringskretser blir brukt. Hvordan kan vi oppnå større fleksibilitet med styre- og reguleringskretser? Hva mener vi med en prosess? Hva mener vi med at reaksjonene til et system er avhengig av variablene i systemet? Hvilke deler må en styrekrets minst ha? Hvilke deler må en reguleringskrets minst ha? Hvilken sammenheng er det mellom det ønskede og det endelige resultatet? Hva mener vi med avvik (deviasjon)? Hvilke faktorer virker inn på avvikets størrelse? Nevn et reguleringssystem hvor eksterne faktorer virker inn på det endelige resultatet.

11

2

Styringsteknikk

2.1 Innledning I styrings- og reguleringsteknikken er vi i første rekke interessert i en oversiktlig modell som viser hvordan informasjonen flyter gjennom et system, og hvordan den blir bearbeidet i de forskjellige delene av systemet. Blokkskjemaet er en slik modell. Det er en skjematisk framstilling som ved hjelp av blokker viser delene i et styrings- og reguleringssystem og den funksjonen de har. Blokkene er forbundet med linjer, og piler angir signalretningen. I kapittel 1 gav vi noen enkle eksempler på blokkskjemaer.

Dersom vi ønsker et klarere bilde av et styrings- og reguleringssystem, kan en oppdeling i mindre komponenter være aktuell. Ser vi på forsterkeren som en styrekrets, kan den blokkskjematisk deles opp slik det er vist på figur 2.1.

Figur 2.1 Enkel blokkskjematisk framstilling av en forsterker

Den blokkskjematiske framstillingen av en styrekrets på figur 1.6 blir videreutviklet i dette kapittelet.

2.2 Styringssystemer Når vi skal beskrive ulike typer av styringssystemer, bruker vi disse betegnelsene, som er internasjonalt akseptert: SiSo-system Single-input Single-output, det vil si en styre- eller reguleringskrets med én inngang og én utgang. Se figur 2.2. Eksempel: lysregulering med dimmer.

12

Lysdimmer

Glødelampe

Figur 2.2 SiSo-system

MiMo-system Multi-input Multi-output, det vil si en styre- eller reguleringskrets med flere innganger og flere utganger. Se figur 2.3. Eksempler:styring av en heis, styring av et sjusegmenters bildefelt (display).

Figur 2.3 MiMo-system

SiMo-system Single-input Multi-output, det vil si en styre- eller reguleringskrets med én inngang og flere utganger. Se figur 2.4. Eksempel: trafikklysanlegg. Prosesser

grønn bryter Figur 2.4 SiMo-system

MiSo-system Multi-input Single-output, det vil si en styre- eller reguleringskrets med flere innganger og én utgang. Se figur 2.5. Eksempel: starting av en forbrenningsmotor med gass­ pedal og starter.

Motor Figur 2.5 MiSo-system

De tre siste kategoriene er multivariable systemer som krever andre tekniske løsninger enn SiSosystemet.

13

2.3 Blokkskjematisk framstilling av SiSo-systemet Et eksempel på en styrekopling med én inngang og én utgang er innstilling av lysstyrken til en glødelampe med en dimmer. Figur 2.6 er en forenklet blokkskjematisk framstilling av koplingen.

Lysstyrke

Reguleringsknapp

Lampe

Figur 2.6 Innstilling av lysstyrken, enkel blokkskjematisk framstilling

Dimmeren inneholder en halvlederkomponent (triac) som leder kortere eller lengre tid av en perio­ de. Vi kan betrakte triacen som en ventilmekanisme som kan åpnes og lukkes av en styreenhet. Denne ventilmekanismen kaller vi styrekretsens korrigerende organ. Vi kan dermed utvide blokk­ skjemaet på figur 2.6. Blokkskjemaet på figur 2.7 er sett ut fra forløpet til styresignalene, mens figur 2.8 legger vekt på hvordan prosessen virker.

Kraftforsyning

Lysstyrke Triac

Glødelampe

Figur 2.7 Forløpet til styresignalet ved innstilling av lysstyrken, blokkskjematisk framstilling

Triac

Korrigerende organ

Kraftforsyning l

Giver, ønsket verdi

Glødelampe Prosess

Lysstyrke

Styreenhet

Figur 2.8 Forløpet til prosessen ved innstilling av lysstyrken, blokkskjematisk framstilling

De fleste styringsystemene vi støter på i teknikken, er SiSo-systemer, det vil si systemer med én inngang og én utgang. Forskjellen på dem ligger i måten informasjonen blir påtrykt inngangen til styrekretsen.

14

2.4 Inngangsinformasjonen til en styre- eller reguleringskrets Informasjon kan påtrykkes inngangen til en styrekrets på forskjellige måter. Når informasjonen blir tilført i hele styretiden, det vil si kontinuerlig, kan inngangsinformasjonen: være kontinuerlig variabel. Det vil si at den kan anta alle verdier innenfor visse grenser. Som eksempel kan vi nevne dimmeren. Signalet har her en analog verdi. Se figur 2.9a. bestå av en rekke binære ord. Som eksempel kan vi nevne styring av verktøymaskiner som dreiebenker og fresemaskiner. Vi snakker om et digitalt signal. Se figur 2.9c. - En spesiell form for digitale signaler består av én bit (0 eller 1). Som eksempel kan vi nevne sikringskoplinger (ramme- eller dørkontakter). Vi snakker da om et binært signal.

Figur 2.9 Inndeling av kontinuerlige signaler

Dersom et kortvarig signal blir påtrykt inngangen til styrekretsen med regelmessige intervaller, snakker vi om et signalmønster. Mønsteret kan ha analoge, digitale eller binære verdier. På figur 2.10 ser vi et analogt signalmønster.

15

Signalmønster kan bare brukes i styre- og reguleringskretser dersom vi også tar i bruk digitale behandlingssystemer. Behandling av digitale signaler har disse fordelene i forhold til analoge sig­ naler: - De er enkle å lagre. - De gir bedre overføringsmuligheter. Signalene svekkes mindre ved overføring, og støy har mindre innvirkning. De er mer nøyaktige. Signalene gir flere muligheter for behandling av data med digitale regnemaskiner. - De er lette å gjengi. Mange størrelser er lettere å måle digitalt enn analogt. Målingen blir gjennomført i én operasjon. Eksempler: måling av turtall, frekvens og mengde.

Ulempen ved bruk av digitale signaler sammenliknet med analoge er at enkelte deler av et styrings- og reguleringssystem, som givere og korrigerende organer, virker analogt. Digitale signaler må derfor omformes i en digital-analogomformer (D-A-omformer). Signalmønstre har disse fordelene i forhold til kontinuerlige signaler: - Målingen tar kort tid, følsomheten er stor, og måleinstrumentet belaster mindre. - Forskjellige innganger kan avleses med en multiplekser. Resultatene kan brukes som styresignaler i en eller flere prosesser etter at de har blitt behandlet, for eksempel av en data­ maskin. Se figurene 2.11 og 2.12.

Innganger

Digitale signaler

Multiplekser

MPX

Behandling av sekvensiell informasjon

Figur 2.11 Styring av en prosess med flere innganger med multiplekser. For hver inngangsverdi må datamaskinen utføre beregninger

Figur 2.12 Styring av forskjellige prosesser med flere innganger med multiplekser

16

Ulempene ved signalmønstre er: Systemet er dyrere. Det blir nemlig flere omforminger av signaler fra analogt til digitalt, og omvendt. Multipleksing fra og til styreenheten må foregå synkront. Stabiliteten er dårligere enn når signalene er kontinuerlige.

2.5 Blokkskjematisk framstilling av multivariable systemer Styring av prosesser har i de senere årene gjennomgått en rivende utvikling. Det er bruken av integrerte kretser, programmerbare logiske styringer, mikroprosessorer og datamaskiner som har gjort denne utviklingen mulig. Dermed har det også blitt mulig å utvikle multivariable systemer. Disse systemene krever nemlig at flere inngangssignaler skal kunne behandles på kort tid og omformes til ett eller flere utgangssignaler. Styrekretsen må derfor blant annet ha lagerkapasitet slik programmerbare logiske styringer, mikroprosessorer og datamaskiner har. Styrekretsen kan utføre disse oppgavene avhengig av hvilken type styreenhet som blir brukt:

• Iverksette logiske funksjoner

Mange prosesser kan overvåkes og/eller koples med binær inngangsinformasjon. Som eksempler kan vi nevne styring av vaskemaskiner, kaffeautomater, heiser og automatsikringer. Dersom styringen utelukkende foregår med logiske funksjoner, snakker vi om koplingsteknikk. Figur 2.13 viser blokkskjematisk styrekoplingen til en heis.

Kraftforsyning

Styreenhet

Korrigerende organ

Figur 2.13 Kopling for styring av en heis

17

Utføre kompliserte regneoperasjoner

Den datamaskinen som blir brukt i dette tilfellet, kan ved siden av å iverksette logiske funksjoner også utføre regneoperasjoner. Digital inngangsinformasjon er nødvendig for å kunne utføre mate­ matiske beregninger. Når inngangssignalene er analoge, må de omformes til digitale signaler i en analog-digital-omformer (A-D-omformer). Denne typen styringssystemer blir blant annet brukt i numeriske styringer for verktøymaskiner og i roboter. Kontroll og justering er nødvendig i disse tilfellene, og det må derfor være et tilbakekoplingssystem. Styringssystemet har derfor også ofte en regulerende funksjon.

2.6 Logiske styrekoplinger Når vi kjenner tilstanden på inngangen til en del funksjoner, kan vi utvikle et styringssystem. Vi bruker logiske nettverk og logiske komponenter som releer, kambrytere, brytekontakter og halvlederkomponenter fra koplingsteknikken. Et enkelt eksempel på dette er tyverialarmen i et hus. Se figur 2.14. Seriekoplede brytekontakter, som er plassert på dører eller dørkarmer, styrer prosessen. Blir en av kontaktene brutt, går alarmen.

Innganger

Dør- og rammekontakter

Figur 2.14 Blokkskjematisk framstilling av et alarmsystem

Denne logiske styringen er bygd opp av koplingstekniske komponenter. Styreenheten er ikke fleksibel. Vi kaller den ofte for maskinvarestyring. En annen form for maskinvarestyring er styringen av et sjusegmenters bildefelt (engelsk: display). Se figur 2.15. Styreenheten blir styrt av fire innganger hvor tilstanden enten er på eller av (1 eller 0).

Styreenhet

Prosess

Sjusegments display

Figur 2.15 Styring av et sjusegmenters display

18

Avhengig av tilstanden på inngangene A, B, C og D vil maskinvaren i styrekoplingen aktivere en kombinasjon av utgangene a til og med g. De forskjellige utgangskombinasjonene gjør det mulig for oss å lese tallene 0-9 i bildefeltet. Styrekoplingen er en brikke (IC) som bare kan brukes til dette formålet (fra BCD-kode til sjusegment). Også i dette tilfellet snakker vi om en maskinvarestyring. Maskinvarestyringer gjør det mulig å behandle flere inngangstilstander samtidig, såkalt parallell behandling. Alle informasjoner blir påtrykt styreenheten samtidig.

Stadige forbedringer har ført til at det nå er utviklet programmerbare styringer. En brikke (IC) er på forhånd innstilt slik at den kan utføre et bestemt program. Men dette programmet kan, avhengig av hva slags brikke vi har, forandres på en enkel måte. Hvis vi for eksempel også ønsker å vise bokstavene A, E og F i vårt sjusegmenters bildefelt, kan vi ikke bruke den samme brikken. Vi må skaffe en ny brikke. Det er derfor utviklet programmerbare styreenheter som kan tilpasses flere prosesser. Figur 2.16 er en blokkskjematisk framstilling av styringen av et sjusegmenters bildefelt med et programmert minne.

Sjusegments display

Figur 2.16 Styring med programmert hukommelse

Når vi bruker programmerte minner i styringer, blir instruksjonene lest ut av minnet og utført i rekkefølge. Den tiden systemet trenger for å utføre hele programmet, kaller vi syklustiden. Den ligger på noen mikrosekunder. Vi snakker her om sekvensiell behandling. Informasjonene blir påtrykt styreenheten etter hverandre. Programmerbare logiske styringer (PLS) blir nå stadig mer brukt.

2.7 Blokkskjematisk framstilling av en PLS En PLS (engelsk: PLC = Programmable Logic Controller) er et elektronisk system som etter et forhåndsinnstilt program minst kan utføre disse operasjonene på eller med toverdige størrelser

(binær logikk): - logisk aritmetikk - invertering - sette betingelser - informasjonstransport (datatransport)

19

Binær inngang

Informasjonsstrøm (databuss) Figur 2.17 Prosesstyring med PLS

I de fleste PLS-er er instruksjonspakken større. Noen utvidelser er: -

tellere taktregistre (timere) skiftregistre

For å kunne utføre disse operasjonene må PLS-en ha et minne. Det er også nødvendig med en styring for å kunne styre tilfeldige prosesser. Figur 2.17 viser blokkskjematisk styring av en prosess med en PLS. I en PLS blir data påtrykt inngangen i binær form (1 eller 0). Det samme gjelder for utgangskommandoene. Prosedyren styreenheten må følge, er fastlagt i et minne. Programmet kan leses inn i minnet og endres etter behov med et spesielt programmeringsapparat. Styreenheten i en PLS blir kalt sentralenhet. Den må i rekkefølge: a be om tilstanden på inngangene b trekke de nødvendige programinformasjoner ut av minnet c behandle inngangssignalene og programinformasjonene d gi resultatet av behandlingen videre til utgangsenheten a og d er I/O-operasjoner, b og c er programkjøring.

Oppkalling av inngangsinformasjon

Obs: Tid før programkjøring er avhengig av programlengden

Utstyring, utganger Syklustid

Syklustid

Figur 2.18 Skjematisk framstilling av syklustiden i en PLS

20

Syklustid

Programmet i en PLS består først og fremst av et antall oppgaver som skal utføres i rekkefølge. Når oppdraget er fullført, begynner den på nytt. Som nevnt kaller vi den tiden det tar å utføre hele programmet, for syklustiden. På figur 2.18 er syklustiden angitt skjematisk. PLS-en er et viktig hjelpemiddel i styringsteknikken for å styre prosesser.

2.8

Oppgaver

• Kontrollspørsmål

1 Hvorfor blir blokkskjematiske framstillinger brukt i styringsteknikken? 2 Nevn eksempler på styringssystemer som virker etter SiSo-prinsippet. 3 Hva mener vi med multivariable systemer, og hvilke styringssystemer hører til denne gruppen? 4 Hvilke to måter kan et blokkskjema framstille en prosess på? 5 Hva er forskjellen mellom digital inngangsinformasjon og binær inngangsinformasjon i en styrekrets? 6 Hva mener vi med signalmønstre på inngangen til en styrekrets? 7 Nevn noen fordeler ved digital inngangsinformasjon sammenliknet med binær inngangs­ informasjon. 8 Når er det nødvendig med en multiplekser i en styrekrets? 9 Når snakker vi i styringsteknikken om koplingsteknikk? 10 Hvilken inngangsinformasjon må vi ha i en styrekrets for å kunne utføre matematiske beregninger? 11 Hva er logiske styrekoplinger? 12 Når snakker vi om maskinvarestyringer? 13 Hvilke utganger må aktiveres for at vi skal kunne vise tallene 0-9 i et sjusegmenters bilde­ felt? Angi samtidig tilstanden på inngangen når vi teller binært. Sett opp en tabell. 14 Når snakker vi om programvarestyring? 15 Hva er forskjellen mellom parallell og sekvensiell databehandling? 16 Hva mener vi med en PLS? 17 Hvilke basisoperasjoner må en PLS minst kunne utføre? 18 Hvilke oppgaver må sentralenheten i en PLS kunne utføre? 19 Hva mener vi med syklustiden i forbindelse med en PLS? 20 Hvorfor er ikke syklustiden til en PLS konstant?

21

• Øvingsoppgaver

1

Vareheisinstallasjonen på figur 2.13 har to stoppesteder (kjeller og første etasje). På hvert stoppested er det to styreknapper: - i kjelleren: en knapp for å kalle på heisen og en knapp for å styre den til første etasje - i første etasje: en knapp for å kalle på heisen og en knapp for å styre den til kjelleren Dersom heisstolen kommer fra første etasje eller fra kjelleren, må stoppbryteren sørge for at heisen ikke går videre oppover eller nedover. De to endestillingsbryterne (oppe og nede), dørbryterne og bryteren som regulerer maksimumslasten, må hindre at heisen kan styres dersom en av disse bryterne ikke er innkoplet. Lag et elektrisk skjema som viser hvordan styre­ enheten må kople koplingskontaktene for at motoren skal kunne styres slik at den dreier med eller mot urviseren (oppover eller nedover). I det korrigerende organet er det to releer, ett for oppover og ett for nedover.

2

Tyverialarmen på figur 2.14 har fire brytekontakter på dørene og åtte brytekontakter på dørkarmene. Hvordan må disse kontaktene koples i styreenheten for at alarmen skal fungere tilfredsstillende? Lag et elektrisk skjema. Sørg samtidig for at huseieren kan gå inn i huset uten at alarmen går.

3

Det firebiters signalet på figur 2.15 (DCBA) styrer et sjusegmenters bildefelt. Hvilke utgangslinjer fra styreenheten må aktiveres ved hjelp av det digitale inngangssignalet for at vi skal kunne vise tallene 0-9 i bildefeltet? Bruk tabell 2.1. Hvor mange forskjellige utgangsinformasjoner kan en firebiters strøm av inngangsinformasjoner gi?

Tabel 2.1 Digital informasjon

Verdier på utgangene til styreenheten

DCBA

22

a

b

c

d

e

f

Display

g

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

10

2

0

0

11

3

0

10

0

4

0

10

1

5

0

110

6

0

111

7

10

0

0

8

10

0

1

9

3

Styremidler

3.1

Innledning

Når vi snakker om styremidler i forbindelse med styrekretser, kan det ha to forskjellige betydning­ en signalgivere som gir signaler til styreenheten.. Se figur 3.1. Til denne gruppen hører også sensorene. - de delene som virker inn på inngangsstørrelsen(e) til prosessen. Som det går fram av figur 3.2, ligger disse styremidlene, som også blir kalt korrigerende organer, mellom styreenheten og prosessen.

Korrigerende organer (aktuatorer)

Inngangsstyremidler (sensorer)

Styre­ enhet

Figur 3.1 Styremidler som må betjenes manuelt

Styre­ enhet

Figur 3.2 Styremidler som påvirker en prosess

De gruppene av styremidler vi har nevnt, kan også deles inn etter virkemåte. Vi skiller mellom styremidler som virker: - analogt - digitalt - binært Den siste gruppen er en undergruppe av den midtre. Når det bare blir operert med binære styre­ midler, snakker vi ofte om koplingsteknikk.

23

3.2 Styremidler på inngangen til styringssystemet

3.2.1 Analoge styremidler Når et styremiddel er i stand til å avgi en størrelse som forandrer seg kontinuerlig, for eksempel en spenning eller et lufttrykk, kaller vi det et analogt styremiddel. Vi kan nevne disse eksemplene: potensiometer. For at styringen skal bli så nøyaktig som mulig, blir det ofte brukt flerslagspotensiometer. Se figur 3.3. - regulertransformator. Den egner seg selvfølgelig bare som styremiddel i vekselstrømskretser. reduksjonsventil. Ved gassveising blir det ofte brukt reduksjonsventil for å regulere gasstrykket.

24

3.2.2 Binære styremidler

Dette er styremidler som bare har to nivåer som utgangsverdi. Det vil si at de fungerer som svitsj eller bryter. Binære styremidler åpnes og lukkes enten mekanisk eller elektronisk. Styring av mekaniske binære styremidler kan foregå: - manuelt med en bevegelig masse - med et magnetfelt - med et gasstrykk eller væsketrykk - med temperatur En gruppe binære styremidler som stadig får større utbredelse, er de elektroniske bryterne. De kan styres ved at vi endrer: en reflektert lysstråle - kapasitansen - selvinduktansen

•

Manuelt styrte brytere

Dette kan være trykknapper eller brytere med hvilekontakter, brytekontakter eller vekselkontakter. Figur 3.4 viser de vanlige symbolene.

Manuelt styrt

Styrt av hevarm

Styrt av veiv

Manuelt styrt kvikksølvbryter

Figur 3.4 Symboler for manuelt betjente koplinger

•

Brytere som blir styrt av en bevegelig masse

Et eksempel på denne typen er en endestillingsbryter. Den kan forhindre at et objekt (for eksempel en heis) som blir drevet av en motor, passerer et punkt på grunn av en styringsfeil. Til dette formå­ let blir det ofte brukt en mikrobryter fordi det skal en svært liten kraft til før den skifter stilling. Figur 3.5a viser noen eksempler på mikrobrytere. Til denne gruppen hører også styremidler som blir styrt av en kam, en eksenterskive eller en flottør. Figur 3.5b viser symbolene.

25

Figur 3.5a Mikrobrytere

Styrt av stopper (endestilling)

Styrt av knast eller eksenter Figur 3.5b Symboler

• Brytere som blir styrt av et magnetfelt

En reedkontakt blir åpnet eller lukket av et eksternt magnetfelt. Figur 3.6 viser symbolet. En strømførende leder kan ofte være tilstrekkelig til a forarsake svitsjing.

Figur 3.6 Symbolet for en reedkontakt

• Brytere som blir styrt av et gasstrykk eller væsketrykk

Her blir kontakten beveget av en membran. Figur 3.7 viser virkemåten, mens figur 3.8 viser en utførelse av en trykkbryter. 26

Membran

Figur 3.7 Virkemåten til en membranbryter

Figur 3.8 Trykkbryter

• Brytere som blir styrt av temperatur I dette tilfellet blir kontakten beveget av et bimetall. Bimetallet er ofte en del av kontakten. Se figur 3.9a. Figur 3.9b viser en konstruksjon hvor strømmen ikke går gjennom bimetallet. I begge tilfellene er det magneten som sørger for koplingsmomentet.

Figur 3.9a Direkte bimetallkontakt

•

Figur 3.9b Indirekte bimetallkontakt

Brytere som blir styrt av en lysstråle

Dette er et elektronisk koplingsmiddel. Problemer som oksidasjon eller smuss på kontaktene forekommer derfor ikke.

I samme kapsling har vi en kopling som sender ut en lysstråle, og en kopling som reagerer på den reflekterte lysstrålen. Den sistnevnte koplingen kan reagere på to måter: - opprette forbindelse når lysstrålen blir brutt - bryte forbindelsen når lysstrålen blir brutt Figur 3.10 viser en del praktiske eksempler.

27

Bruddkontroll

Telling av ikke-reflekterende gjenstander

/UT

Telling av reflekterende gjenstander

CZZ-^x'

Kontroll av staplehøyde

Kontroll av rulltykkelse

Kontroll av nedheng

Aé

Figur 3.10 Koplingsmidler som blir styrt av en lysstråle

■

'"'fy..... , UH*

28

,

Senderdelen og mottakerdelen kan også være atskilte enheter. Vi kan gjøre systemet fleksibelt ved å bruke glassfiberkabler. De elektroniske koplingene og lysskilden befinner seg da i en fast kapsling. Linsesystemet som sender lysstrålene og mottar det reflekterte lyset, kan flyttes. På figur 3.11 ser vi at glassfiberkabler forbinder linsene med den faste kapslingen.

• Koplingsmidler som reagerer på selvinduktans- eller kapasitansendringer Induktans- eller kapasitansendringer påvirker en oscillator. Frekvensen til den induserte spenning­ en kan endre eller slå av oscillatoren. Disse endringene kan omformes slik at de tenner eller slok­ ker en halvleder.

På figur 3.12 er prinsippet brukt i grensebrytere. De har omtrent den samme funksjonen som endestillingsbrytere, som vi allerede har behandlet.

Fordelen med elektroniske brytere blir spesielt tydelig når det koples med små tidsintervaller. Vi kommer tilbake til dette nar vi skal behandle styremidlene mellom styreenhet og prosess.

Ved påvirkning av L snakker vi om en induktiv grensebryter

Påvirkelig krets

Ved påvirkning av C snakker vi om en kapasitiv grensebryter b

Figur 3.12 Grensebrytere

29

3.2.3 Digitale styremidler

Et digitalt styremiddel består av mange små brytere, en for hver bit. I en såkalt DIP-svitsj må vi selv stille inn hver enkelt bryter slik vi ønsker. Se figur 3.13.

Figur 3.13 DIP-svitsj

Figurene 3.14 og 3.15 viser forskjellige typer kodebrytere. Når vi stiller inn et bestemt tall på ska­ laen ved å dreie aksen, vil bryteren på figur 3.14 forme et binært ord på utgangsklemmene som svarer til dette tallet. På figur 3.15 ser vi det tallet vi vil ha, når vi trykker på en av knappene. Det tallet vi ser, blir omformet til et binært ord.

Figur 3.14 Kodebrytere

Figur 3.15 Kodebrytere

3.3 Styremidler på utgangen til styringssystemet 3.3.1 Innledning

Som vi nevnte i avsnitt 3.1, blir styremidler som er plassert mellom styreenheten og prosessen, kalt korrigerende organer eller aktuatorer. De har innvirkning på de store effektene som blir tilført prosessen. Men det trengs også effekt for å kunne utføre styringsoppgavene. Denne effekten kaller vi styreeffekt. Den må være til stede på utgangen til styreenheten.

30

Fordi det her dreier seg om små effekter, kan styreeffekten overføres i form av lave spenninger og strømmer.Ofte må effekten som prosessen trenger, framskaffes ved en høyere spenning. Et viktig krav som ofte blir stilt til et styremiddel, er derfor at matesystemet til prosessen er galvanisk skilt fra matesystemet til komponentene i styreenheten. Vi sier at det må være et galvanisk skille mel­ lom inngangen og utgangen til styremiddelet.

Dersom et styremiddel ikke har denne egenskapen, kan vi for eksempel oppnå galvanisk skille ved å kople inn en optokopler i kretsen mellom styreenheten og styremiddelet. Se figur 3.16. Optokopler

Figur 3.16 Galvanisk skille med optokopler

De korrigerende organene kan vi også dele i to grupper: analoge og binære organer. Det korrigerende organet består ofte av flere komponenter, der noen virker binært og andre analogt. Det er for eksempel tilfelle når styreenheten aktiverer et relé, hvor relékontakten kopler inn en motor som deretter åpner en ventilklaff. Inngangen virker da binært, mens åpningen av ventilklaffen har et analogt forløp. Til tross for dette blir denne typen regnet som et analogt korrigerende organ.

3.3.2 Analogt korrigerende organer

Eksempler på analogt korrigerende organer er: Motordrevet potensiometer. Det dreier seg her om potensiometere av en helt annen konstruk­ sjon enn dem vi nevnte i avsnitt 3.2.1. De effektene som styres, er mye større. Når vi beregner effekten til det potensiometeret vi skal bruke, må vi ta hensyn både til potensiometerstrømmen og belastningsstrømmen. Se figur 3.17. Fordi strømmen gjennom potensiometeret fører til store effekttap, er dette en lite effektiv måte å styre effekt på.

“7

____ Styreenhet

yy L~______________ T_/

Prosess

— . ___

Figur 3.17 Motordrevet potensiometer

31

Motordrevet regulertransformator, som naturligvis bare kan brukes til vekselstrøm. Virkningsgraden er atskillig høyere enn for potensiometeret. Motordrevet ventil. Sylinder og stempel i pneumatiske og hydrauliske drivmekanismer. Se figur 3.19. Halvledere. Når halvledere (transistorer og felteffekttransistorer) blir brukt som analogt korri­ gerende organ, virker de egentlig som effektforsterkere. Inngangen blir påtrykt en varierende spenning med liten effekt, se for eksempel figur 3.18.Utgangsspenningen har samme form, men den tilfører prosessen en større effekt.

Figur 3.18 Transistor som analogt korrigerende organ

Figur 3.19 Pneumatisk og hydraulisk binært korrigerende organ

I halvledere som blir brukt på denne måten, er varmeutviklingen stor. Virkningsgraden er derfor dårlig, og kjølingen må vies stor oppmerksomhet.

3.3.3 Binært korrigerende organer

Binært korrigerende organer er: sylinder og stempel i pneumatiske og hydrauliske drivmekanismer. Se figur 3.19. releer halvlederbrytere magnetventiler

• Releer

Spolen blir magnetisert av utgangen til styreenheten. Styreenheten må kunne kople selvinduktanser.

32

Releet utgjør et utmerket galvanisk skille mellom styreenheten og prosessen. På den andre siden inneholder releet mekaniske deler som gjør det mer sårbart enn halvlederbryterne. Kontaktene må ofte kople store strømmer, og mulighetene for brannsår og korrosjon er derfor store.

Disse relédataene er viktige for styrekretsen: - arbeidsstrømmen og holdestrømmen - innkoplingstiden og utkoplingstiden Med arbeidsstrømmen mener vi den minste strømmen gjennom spolen som får releet til å kople. Med holdestrømmen mener vi den minste strømmen som skal til for å holde releet innkoplet. Holdestrømmen er lavere enn arbeidsstrømmen. Det vil si at et relé har en viss hysterese. Se figur 3.20a.

Innkoplingstiden er tiden fra strømmen blir tilkoplet til relékontaktene slutter eller bryter. Den er som regel på noen millisekunder. Utkoplingstiden bestemmes på samme måten. Se figur 3.20b.

^spole

Figur 3.20a Hysteresen til et relé

Figur 3.20b

Figur 3.21 viser symbolet for en spesiell relétype, polarreleet. Dette releet er følsomt for strøm­ retningen gjennom spolen. Strøm i én retning kopler andre kontakter enn strømmen i motsatt retning. Tegninger viser alltid relékontaktene slik de står når spolen ikke er magnetisert.

Figur 3.21 Symbolet for et polarrelé

33

• Halvlederbrytere

Halvlederbrytere har den store fordelen sammenliknet med releer at det ikke fins bevegelige kontakter. Problemer som slitasje og forurensning forekommer derfor ikke. Halvlederbryterne tar dessuten liten plass. V -

i har tre typer halvledere som kan brukes som bryter (se figur 3.22): transistoren tyristoren triacen

Hvilken type vi skal velge, avhenger av matespenningen. Ved likespenning velger vi en transistor, mens tyristoren eller triacen blir brukt ved vekselspenning.

Figur 3.22b Tyristor

Figur 3.22c Triac

Når effekten ved likespenning må kunne reguleres, blir det brukt pulsbreddestyring. En transistor blir styrt åpen ved en konstant frekvens. . Se figurene 3.23a og 3.23b.

Figur 3.23b Spenninger tilhørende figur 3.23a

Den tiden transistoren er åpen, pulstiden T}, reguleres i forhold til den effekten vi trenger. Driftssyklusen X (engelsk: duty-cycle), det vil si forholdet mellom periodetiden og pulstiden, blir uttrykt i prosent: dc = — • 100% T 34

Figur 3.24a Driftssyklusen ved store effekter (80 %)

Figur 3.24b Driftssyklusen ved små effekter (20 %)

Når effekten ved vekselstrøm må kunne reguleres, har vi to muligheter: - fasestyring, se figur 3.25a - periodestyring, se figur 3.25b

Figur 3.25a Fasestyring

Figur 3.25b Periodestyring

35

Fasestyring blir brukt i raske prosesser som i belysning og motorer. Periodestyring kan bare brukes i langsommere prosesser som for eksempel i et sentralvarmeanlegg.

Når matespenningen er en vekselspenning, bruker vi tyristorer. Vi kan velge mellom to koplinger: - kopling med enveis likeretting, se figur 3.26a - kopling med toveis likeretting, se figur 3.26b

Prosess

Figur 3.26a Tyristorkopling med enveis likeretting

36

Figur 3.26b Tyristorkopling med toveis likeretting

Når vi har vekselspenning, kan vi også bruke en triac. Ved store effekter blir triacen erstattet av to antiparallellkoplede tyristorer. Det må tilføres pulser mellom Gl og A og dessuten mellom G2 og B. Det blir brukt en pulstransformator med to sekundærviklinger. Se figur 3.27.

Figur 3.27 Triac erstattet av to tyristorer

3.4 •

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Oppgaver Kontrollspørsmål Hvor i styrekretsen støter vi på styremidler eller koplingsmidler? Hva er forskjellen på analoge og binære styremidler? Nevn noen analoge styremidler som virker på inngangen. Hva er forskjellen mellom en reedkontakt og et reedrelé? Hva mener vi med holdestrømmen og arbeidsstrømmen til et relé? Hva mener vi med innkoplingstiden og utkoplingsstiden til et relé? Hva er forskjellen mellom et polarrelé og et vanlig relé? Hva mener vi med driftssyklus? Hva mener vi med fasestyring, og når bruker vi dette prinsippet? Hva mener vi med periodestyring, og når blir dette prinsippet brukt?

• Øvingsoppgaver

1

En tyristor blir brukt til koplingen på figur 3.26a. Tegn under hverandre spenningen over tyristoren og prosessen slik den blir når tyristoren er styrt åpen 1/6 periode. Frekvensen /= 50 Hz.

2

Som oppgave 1, men nå gjelder det koplingen på figur 3.26b.

3

I en reguleringskrets er matespenningen 500 V likespenning. Den blir tilført prosessen via en transistor med en koplingstid på 1/25 s. Driftssyklusen er 40 %. Tegn under hverandre i måle­ stokk spenningen over transistoren og prosessen som funksjon av tiden. Beregn for prosessen.

37

4

Koplingsprinsipper

4.1

Innledning

I de foregående kapitlene har vi slått fast at den informasjonen som inngangsstyremidler som signalgivere og følere gir, blir behandlet av styreenheten. Resultatet av denne behandlingen er at det korrigerende organet eventuelt blir aktivert. Se figur 4.1.

Sensorer Figur 4.1 Det generelle prinsippet for signalflyten i et styringssystem

Behandlingen skjer på bestemte betingelser som gir styrekretsen spesifikke egenskaper. Det er styreenhetens oppgave å forbinde de mottatte signalene med hverandre slik at det korrigerende organet reagerer etter de ønskede koplingsbetingelsene. Disse koplingsbetingelsene blir fram­ skaffet i styreenheten.

Styreenheten er derfor den delen av styrekretsen som kopler informasjonene fra inngangsstyremidlene til hverandre i bestemte kombinasjoner eller i en bestemt rekkefølge. Denne egenskapen kal­ ler vi koplingsfunksjonen til styreenheten.

38

4.2 Styreenheten Innholdet i styreenheten bestemmer hvordan hele styrekretsen virker. Vi trenger kunnskaper i digitalteknikk for å kunne konstruere en styrekrets for et bestemt formål. Styreenheten har et antall innganger og et antall utganger. Se figur 4.2. Hver inngang og utgang har et tilkoplingsnummer. I PLS-teknikken snakker vi om inngangsadresser og utgangsadresser.

Utgangsadresser

Figur 4.2 PLS brukt som styreenhet

Sensorene avgjør om det er spenning på inngangene til styreenheten eller ikke. Om det er spenning på utgangene, avhenger av signalene på inngangene og av innholdet i styreenheten. Når vi skal konstruere en styreenhet, må vi vite: - hvordan kretsen skal virke - hvilke typer av sensorer (arbeidskontakter og/eller brytekontakter) som skal brukes, og hvilke adresser de skal koples til - hvilke korrigerende organer (aktuatorer) som skal brukes, og hvilke adresser de skal koples til

Virkemåten til kretsen kan vi illustrere på tre forskjellige måter: - med et kontaktskjema, se figur 4.3 - med en logisk funksjon, for eksempel: M = A • B - med en beskrivelse, for eksempel: «M får spenning når kontaktene A og B blir aktivert»

M

Figur 4.3 Kontaktskjema

39

Når vi skal realisere figur 4.3, kan vi for eksempel lage et koplingsskjema slik figur 4.4 viser.

Figur 4.4 Tilkoplingsskjema for styreenhet med sensorkontakter

Kontakt A blir koplet til adresse 03 og kontakt B til adresse 07. M blir koplet til adresse 14. Innholdet i styreenheten er da: 14 = 03'07 Vi antar nå at virkemåten på figur 4.3 skal endres, slik at M får spenning når A eller B blir betjent. Den logiske funksjonen blir da: M = A + B. For å få kretsen til å virke på denne måten, må vi endre innholdet i styreenheten til 14 = 03 + 07. Koplingsskjemaet forblir uendret! Det er derfor ikke nødvendig å løsne tilkoplingene. Ved utvikling av en styreenhet bruker vi logiske funksjoner.

4.3 Logiske funksjoner • OG-funksjonen

Med portkopling. Se figur 4.5.

Med kontakter. Se figur 4.6.

Med ord: «Det er spenning på F når A og B får spenning.»

Med ord: «K får spenning når P og Q er aktivert.»

Figur 4.5 OG-funksjon med logisk port

Figur 4.6 OG-funksjon med kontakter

40

Merknad: Ved logiske porter er det snakk om spenningsnivåer på inngangene, mens kontakter er betjente eller ubetjente.

• ELLER-funksjonen Med portkopling. Se figur 4.7.

Med kontakter. Se figur 4.8.

K F

Med ord: «Det står spenning på F når A eller B får spenning.»

Med ord: «K får spenning når P eller Q er aktivert.»

Figur 4.7 ELLER-funksjon med logisk port

Figur 4.8 ELLER-funksjon med kontakter

• Følgefunksjonen (JA-funksjonen)

Medportkopling. Se figur 4.9.

Med kontakter. Se figur 4.10.

Med ord: «F får spenning når A får spenning.»

Med ord: «K får spenning når P er aktivert.»

Figur 4.9 Følgefunksjon med logisk port

Figur 4.10 Følgefunksjon med kontakter

41

• INVERTERER-funksjonen (IKKE-funksjonen)

Medportkopling. Se figur 4.IL

Med kontakter. Se figur 4.12.

Med ord: «F får spenning når A ikke får spenning.»

Med ord: «K får spenning når P ikke er aktivert.»

Figur 4.11 IKKE-funksjon (invertering) med logisk port

Figur 4.12 IKKE-funksjon (invertering) med kontakter

Følgefunksjonen og invertererfunksjonen med kontakter blir ofte brukt for å skille to spenningskretser.

4.4 Kontakttyper 4.4.1 Arbeidskontakt med en sluttefunksjon eller en brytefunksjon Vi antar at sensoren i et styringssystem, arbeidskontakten A, er koplet til adresse 03 i styreenheten. Til adressene 12 og 16 er det koplet henholdsvis en rød og en grønn lampe. Se figur 4.13.

42

Innholdet i styreenheten blir bestemt av disse betingelsene:

Den røde lampen skal lyse når kontakt A ikke er aktivert. Den grønne lampen skal lyse når kontakt A blir aktivert.

Disse betingelsene kan vi illustrere i et kontaktskjema. Se figur 4.14. A

Grønn

Figur 4.14 Kontaktskjema

I en logisk funksjon ser betingelsene slik ut: rød = A

grønn = A

For å få til dette må vi i styreenheten sette inn en inverterer mellom klemmene 03 og 12 og en følger mellom klemmene 03 og 16.

Invertereren gjør at arbeidskontakten A får en brytefunksjon ved styring av den røde lampen, mens den beholder sin sluttefunksjon når det gjelder den grønne lampen. Se figur 4.15.

Figur 4.15 Skjema for styreenhet med sensor A

For styreenheten gjelder:

12 = 03 Det vil si: «Det står spenning over 12 når 03 ikke får spenning.» 16 = 03 Det vil si: «Det står spenning over 16 når 03 får spenning.»

43

4.4.2 Brytekontakt med en sluttefunksjon og en brytefunksjon

Det går fram av det vi hittil har sagt, at med en arbeidskontakt som sensor kan vi realisere både sluttefunksjon og brytefunksjon. I teknikken blir det imidlertid ofte brukt brytekontakter. Tennflammesensoren i et sentralvarmeanlegg er et eksempel på dette. Når anlegget er i drift, er kontakten til sensoren sluttet. Brudd i ledningen har samme virkning som at tennflammen slokker (fail-safe circuit). På figur 4.16 ser vi en slik sensor kople til klemme 04 på en styreenhet. Når tennflammen slokker, koples gassventilen ut og alarmen inn.

Dette får vi til ved å plassere en følger mellom klemmene 04 og 12 og en inverterer mellom klemmene 04 og 16. For gassventilen ma brytekontakten inneholde en brytefunksjon, og for alarmen må den inneholde en sluttefunksjon. For styreenheten gjelder: 12 = 04 Det vil si: «Det står spenning over 12 når det står spenning over 04.» 16 = 04 Det vil si: «Det står spenning over 16 når det ikke står spenning over 04.»

4.5 Komplekse koplingsproblemer I avsnitt 4.4 nevnte vi at prosesser kan koples inn og ut både med arbeidskontakter og brytekontak­ ter. Innholdet i styreenheten avgjør til slutt hvilken koplingsfunksjon som skal utføres. Det gjelder også for sammensatte koplingsfunksjoner hvor det inngår mer enn én sensorkontakt.

44

Vi kan gi innholdet i styreenheten form på to måter:

med maskinvare. Ved denne løsningen blir det brukt logiske porter (OG, ELLER, INVERTERER osv.) med programvare. Ved denne løsningen blir det brukt en datamaskin eller en PLS (programmerbar logisk styring)

—

•

Eksempel 4.1 Sensorkontaktene A, B. C, P og Q er koplet henholdsvis til adressene 01, 03, 04, 05 og 06 på en styreenhet. Prosessene K og L er koplet til adressene 12 og 14. Se figur 4.17. For prosess K har vi disse betingelsene: K=A-C+Q

A

C

Figur 4.18 Ønsket styring for prosess K

45

For prosess L er betingelsene: L=AC+BQ

Figur 4.19 Ønsket styring for prosess L

Kontakt Q oppfyller nå to funksjoner! Ved styring av K har den en brytefunksjon, mens den ved styring av L har en sluttefunksjon. Vi skal konstruere innholdet i styreenheten.

Løsning 1: med maskinvare For styring av prosess K må styreenheten inneholde portkretsen på figur 4.20.

For styring av prosess L må innholdet i styreenheten oppfylle de betingelsene figur 4.21 gir

46

Figur 4.21 Kombinatorisk krets for styring av prosess L

Løsning 2: med programvare Løsning med programvare består i at vi gir en PLS et antall instruksjoner som skal utføres i rekkefølge. For styring av prosess K kan programmet se slik ut:

ORIGIN LD AND STR LD OR OUT

9

01; 04; 9

06; RECALL; 12;

begynn last tilstanden på klemme 01 OG-operasjon med tilstanden på klemme 04 resultatet lagres (STore Result) last tilstanden på klemme 06 ELLER-operasjon med det tidligere lagrede resultatet resultatet til klemme 12

For styring av prosess L kan programmet være:

ORIGIN LD INVERT AND STR LD AND OR OUT

06 03

01 04 RECALL 14

Disse to programmene er skrevet i et forståelig språk. De forskjellige typer av PLS-er bruker noe divergerende termer, og måten å angi instruksjonene på er heller ikke alltid den samme.

47

Programmet for styring av prosess L ser i «språket» til Hitachi J-16 PLS slik ut:

ORG

NOT

AND OR

06; 03 ; 5 01 ; 04 ; STR ;

OUT

14 ;

AND STR

begynn trekk inn tilstanden til 06 og inverter den OG-operasjon med tilstanden på klemme 03 behold resultatet av det ovenstående i minnet trekk inn tilstanden fra klemme 01 OG-operasjon med tilstanden på klemme 04 ELLER-operasjon med resultatet av STR-instruk sjonen ovenfor resultatet til klemme 14

Fordi inntastingen av programmet foregår i grupper på to biter, blir det som regel notert slik:

ORG AND STR AND OR OUT

NOT

06 03 01 04 STR 14

4.6 Minnefunksjoner I de koplingene vi hittil har sett på, har vi gått ut fra aktiverte og ikke-aktiverte kontakter. Når en sensor blir kortvarig aktivert, får vi et kortvarig signal på utgangen til styreenheten. Dersom vi ønsker et varig signal, må vi ha et minneelement. Et minne er et element eller en kopling hvor et kortvarig spenningssignal (pulssignal) blir omformet til en varig spenning. Det kortvarige signalet setter (set) minnet. Et annet kortvarig signal nullstiller (reset) minnet.

Et kortvarig signal kan for eksempel avgis med en fjærbelastet trykknapp. I koplingen på figur 4.22 blir en motor innkoplet (set) med trykknapp A og utkoplet (reset) med trykknapp B. Minneelementet er relé K.

48

Figur 4.22 Ønsket styring for en motor

Vi kan nå styre motoren slik: Når vi trykker inn trykknapp A, blir relé K magnetisert. Kontaktene Kl og K2 slutter. Når vi slipper trykknapp A, forblir reléspolen magnetisert via Kl. Kontakt Kl overtar magnetiseringen. Trykker vi inn trykknapp B, blir releet ikke lenger magnetisert, og kontaktene Kl og K2 åpner. Trykker vi inn A og B samtidig, blir ikke reléspolen K magnetisert. I denne koplingen er resetfunksjonen derfor dominerende. Med dominans mener vi at når begge funksjonene opptrer samtidig, har den ene forrang. Vi kan få til denne styringen på to måter: - med maskinvare. I styreenheten blir det da brukt logiske porter (OG, ELLER, IKKE osv.) - med programvare. En datamaskin eller en PLS blir brukt som styreenhet

• Løsning med maskinvare Styreenheten for styring av motoren må være bygd opp slik figur 4.23 viser.

Figur 4.23 Kombinatorisk krets for styring av motor M

Det går fram av skjemaet på figur 4.23 at utgang 14 får spenning når trykknapp A blir betjent, og at den fortsatt får spenning når trykknapp A ikke lenger holdes inne. Når kontakt B blir aktivert, avgir utgang 14 ikke lenger spenning. Vi snakker om en minnefunksjon.

Fra digitalteknikken kjenner vi minnefunksjonen fra SR-vippen. Se figur 4.24.

49

s

Q

R

Q

Figur 4.24 Symbolet for en RS-vippe

• Løsning med programvare Til programvareløsningen av motorstyringen på figur 4.23 bruker vi en PLS. Programmet for styring av motor M ser slik ut i språket til Hitachi J—16 PLS: ORG OR AND OUT

NOT

03 14 07 14

Minneelementet i denne PLS-en er instruksjonen FUN 03.1 dette elementet er også reset dominerende. Med denne instruksjonen ser programmet slik ut: ORG STR

NOT FUN OUT

; begynn 03; trekk inn tilstanden på klemme 03 ; ta vare på den samme som betingelse 07; trekk inn tilstanden på klemme 07 og inverter 03 14

4.7 Tidsfunksjoner Ved løsning av koplingsproblemer spiller tidsfaktoren ofte en rolle: - en koplingsoperasjon må finne sted på et bestemt tidspunkt en koplingsoperasjon må finne sted etter et bestemt tidsforløp

Begge tilfellene finner vi i et trafikklysanlegg. Kl. 23.00 koples alle lysene over til gult blinklys. Her er det bestemte tidspunktet viktig. Tidsforløpet spiller en rolle når det gjelder varigheten av det gule lyset i vanlig drift. Det skal for eksempel være innkoplet i fem sekunder.

50

Figur 4.25 Koplingsur med symbol

Kopling på et bestemt tidspunkt kan skje med et koplingsur. Figur 4.25 viser et koplingsur med symbol.

Når det er et bestemt tidsforløp vi er interessert i, må vi bruke en timer (taktgiver). Timeren er ofte en digital krets. Det går en bestemt tid fra et signal blir gitt til sensoren til vi får respons på ut­ gangen. Figur 4.26 viser tre timere.

Figur 4.26 Taktgivere (timere)

51

4.8 Symboler i PLS-teknikken Symbolene i PLS-teknikken avviker noe fra det vi er vant til fra digitalteknikken. Det skyldes at et PLS-program kan tastes inn på en datamaskin. Symbolene i et PLS-program kan dessuten skrives ut med en vanlig standardskriver. Tabell 4.1 viser seks forskjellige funksjoner som er mye brukt i koplingsteknikken.

Tabell 4.1 Oversikt over symboler brukt i koplingsteknikken

I avsnitt 4.5, figur 4.19, er den logiske funksjonen gitt for utgang 14 på figur 4.17. Denne logiske funksjonen så slik ut: L = A • C + B • Q. I et PLS-program blir den tilsvarende logiske kretsen slik figur 4.27 viser.

52

Figur 4.27 Stigediagram for styringen på figur 4.19

Forskjellige likeartede figurer under hverandre gir inntrykk av en stige. Diagrammet på figur 4.27 blir derfor kalt stigediagram. Det engelske ordet ladderdiagram blir også brukt. Plasserer vi figurene 4.19 og 4.27 ved siden av hverandre slik det er gjort på figur 4.28, ser vi at det er en prinsipiell forskjell mellom dem.

-

kontaktene er virkelige her flyter elektrisk strøm her kaller vi det kontakter figuren viser hvordan koplingen virker

-

symbolene forestiller operasjoner dette er ikke noe strømkretsskjema her kaller vi det klemmer figuren viser bare hvordan styreenheten virker

Figur 4.28 Sammenlikning av figurene 4.19 og 4.27

4.9 Sammendrag • Når vi skal utvikle et styringssystem, må vi ha disse dataene: en beskrivelse av hvordan systemet skal virke en beskrivelse av sensorene, for eksempel om de skal være normalt åpne eller normalt lukkede om det er ønskelig med en maskinvareløsning eller en programvareløsning

•

Arbeidskontakter kan også ha en brytefunksjon, og brytekontakter kan ha en sluttefunksjon.

•

Minnet er et element eller en kopling hvor et kortvarig signal blir omdannet til et signal med lengre varighet.

•

•

Koplingsuret gir signal på et bestemt tidspunkt. Timeren gir signaler etter et bestemt tidsforløp. Stigediagrammet til en PLS er en gjengivelse av den programvaremessige virkemåten til PLSprogrammet, og gir ingen informasjon om hvordan systemet virker.

53

Eksempel: 01

15

Figur 4.29a Logisk skjema

02

—II—IIFigur 4.29b Stigediagram

For figur 4.29a gjelder: 15 = 01 • 02. Det vil si: Utgang 15 gir spenning når det er spenning både på inngang 01 og på inngang 02. I stigediagrammet på figur 4.29b ser det ut som om kontaktene 01 og 02 er seriekoplet. Det er naturligvis ikke tilfelle. Stigediagrammet angir behandlingen av spenningen på inngangskontaktene.

4.10 Oppgaver • Kontrollspørsmål

1 2

Hva må en konstruktør vite for å utvikle en styreenhet? Sett opp funksjonen for koplingen på figur 4.30.

Figur 4.30

3 4

Gjengi funksjonen i oppgave 2 med ord. Sett opp den logiske funksjonen for den kombinatoriske kretsen på figur 4.31.

Figur 4.31

5 6 7

54

Gjengi funksjonen i oppgave 4 med ord. Forklar hvordan en arbeidskontakt kan utføre en brytefunksjon. Nevn to eksempler på bruk av brytekontakter.

Øvingsoppgaver

1

Styringen på figur 4.32 skal virke slik: - sensor 1 kopler inn lampe L - sensor 2 kopler ut lampe L

Lampe L

Koplingsenhet Figur 4.32

Koplingen skal realiseres med maskinvare. I minnekoplingen som blir utviklet, må reset være dominerende. Konstruer innholdet i en koplingsenhet med et minimum av logiske porter når: a både sensor 1 og sensor 2 er arbeidskontakter b både sensor 1 og sensor 2 er brytekontakter c sensor 1 er sluttekontakt og sensor 2 brytekontakt d sensor 1 er brytekontakt og sensor 2 sluttekontakt 2

Konstruer en minnekopling ved hjelp av porter hvor set dominerer (dersom set og reset opptrer samtidig, har set forrang).

3

Nevn to forskjeller mellom figur 4.33a og figur 4.33b.

Figur 4.33a

Figur 4.33b

55

4

I et motoranlegg som er utstyrt med en styreenhet, er disse dataene kjent: - Motoren er koplet til adresse 10. - En rød lampe er koplet til adresse 12. - Motoren blir innkoplet av en trykknapp (normalt åpen) som er koplet til adresse 01. - Motoren blir utkoplet av en trykknapp (normalt lukket) som er koplet til adresse 02. - I motoren er det en termisk kontakt (normalt lukket) som er koplet til adresse 03. - Når den termiske kontakten blir betjent, skal motoren koples ut og den røde lampen lyse. Lampen fortsetter å lyse til motoren kan koples inn igjen.

NB: «Normalt åpen» betyr at en kontakt er åpen når den ikke blir betjent. «Normalt lukket» betyr at kontakten er lukket når den ikke blir betjent. Ved utvikling av styrekoplingen for den røde lampen må det brukes en minnekopling hvor set er dominerende. a Tegn et skjema som viser styringen. b Konstruer styreenheten ved hjelp av en kombinatorisk krets med et minimum av porter (maskinvareløsning).

5

For sentralvarmeanlegget med varmtvannsforsyning på figur 4.34 er disse dataene kjent: Følgende aktuatorer er koplet til utgangene på styreenheten: - En vannpumpe er koplet til adresse 10. - En gassventil er koplet til adresse 11. - En treveisventil er koplet til adresse 12. Denne ventilen «kopler om» kjelevannet fra radiatorene til varmeveksleren til dampkjelen. - En alarm er koplet til adresse 13.

+ Tennflamme

RT

VT_____ 4-

VP

Romtermostat

01

10

Pumpe

no UZ

11 ] 1

Gassventil

03

12

Treveisventil

Maksimal vanntemperatur

Vanntrykk

Alarm

TV

Tappevann ^*"^****»^^

Figur 4.34 Tilkoplingsskjema for styreenhet

56

05

1

Disse sensorkontaktene er koplet til inngangene på styreenheten: - En sensor for tennflammen er koplet til adresse 01. Denne sensoren åpner når flammen er slokt. — En romtermostat er koplet til adresse 02. Denne kontakten slutter når romtemperaturen er for lav. - En kontakt for maksimal vanntemperatur er koplet til adresse 03. Denne kontakten åpner når kjeletemperaturen er høyere enn den innstilte maksimumstemperaturen. — En vanntrykksensor er koplet til adresse 04. Denne kontakten lukker når pumpa roterer. - En vanntappingssensor er koplet til adresse 05. Denne kontakten slutter når vann blir tap­ pet.

Styringen for gassventilen må svare til skjemaet på figur 4.35.

Gassventil

Figur 4.35 Ønsket styring for gassventilen

For øvrig blir det stilt disse kravene til anlegget: - Pumpa må rotere når romtermostaten (RT) eller vanntappingskontakten (VK) lukker. - Treveisventilen må kople om når vanntappingskontakten (VK) lukker. - Når anlegget er i drift, det vil si når romtermostaten (RT) eller vanntappingssensoren (VK) er lukket, må alarmen varsle når pumpa ikke roterer, eller når tennflammen slokker. - Styringen skal bestå av kombinatoriske kretser.

a Tegn skjemaet for styringen. b Konstruer innholdet i styreenheten med et minimum av porter.

57

5

5.1

Reguleringsteknikk

Grunnregler ved bruk av blokkskjemaer

I reguleringsteknikken blir det brukt skjemaer hvor delene av kretsen er framstilt som blokker. Blokkene er forbundet med linjer. Piler på forbindelseslinjene viser hvilken vei signalene går. Det er ingen opplysninger om den fysiske formen signalene har.

Det kan være snakk om elektriske spennings- eller strømendringer, men det kan også være endringer av lufttrykket eller væskenivået. Selv om vi må ha to ledninger for å overføre et elektrisk signal, er det bare én forbindelseslinje i skjemaet. Hver blokk har et overføringsforhold.

Med overføringsforholdet mener vi forholdet mellom endringen av utgangsverdien og endringen av inngangsverdien. Overføringsforholdet blir betegnet med bokstaven H. Vi får da: H

A utgangsverdi A inngangsverdi

Figur 5.1 er et eksempel på sammenhengen mellom endringen av inngangsverdien og utgangsverdien.

Figur 5.1 Overføringskarakteristikk

58

Overføringsforholdet H i punkt P er —■ = A_uLgangsverdi A x A inngangsverdi Noen ganger er overføringsforholdet H uten benevning. Det er for eksempel tilfelle når inngangsstørrelsen og utgangsstørrelsen blir målt i samme enhet.

Men som regel har H en benevning. Når en blokk for eksempel forestiller et termoelement, blir utgangsstørrelsen målt i mV, mens inngangsstørrelsen er °C. A får da benevningen mV/°C. I et blokkskjema kan det forekomme punkter hvor forskjellige signaler blir samlet til ett signal. Det resulterende signalet kan da ha gjennomgått en regneoperasjon, for eksempel addisjon eller subtraksjon. Betingelsen er at signalene har samme benevning. Signaler som skal adderes, blir angitt slik blokkskjemaet på figur 5.2 viser, mens figur 5.3 viser to signaler som skal subtraheres.

xi------------------- y-

x^------------------- ~*2

Figur 5.2 Addisjonspunkt

Figur 5.3 Subtraksjonspunkt

5.2

Kombinasjonsmuligheter

Blokker som står etter hverandre i et blokkskjema, kan erstattes av én blokk. Overføringsforholdet blir da produktet av overføringsforholdene til den enkelte blokk. Se figur 5.4.

Ht = H, ■ H2

Figur 5.4

Det forekommer ogsa at utgangssignalene til to blokker, som har det samme inngangssignalet, blir addert. Se figur 5.5. /i +

Figur 5.5 Utgangssignaler med addisjonspunkt

Det totale overføringsforholdet blir da:

59

I et subtraksjonspunkt, slik det er vist på figur 5.6, blir det totale overføringsforholdet:

h^h}-h2

Figur 5.6 Utgangssignaler til subtraksjonspunkt

5.3 Tilbakekopling Tilbakekopling er et prinsipp som ofte blir brukt i teknikken. En del av utgangssignalet i et system blir da koplet tilbake til inngangen. Figur 5.7 viser et system med tilbakekopling.

Figur 5.7 Tilbakekoplet system

Vi skiller mellom to typer av tilbakekopling: motkopling medkopling

Ved motkopling blir inngangssignalet motvirket av utgangssignalet. Resultatet er at utgangs­ signalet blir svakere. Ved medkopling blir inngangssignalet forsterket av utgangssignalet. Resultatet er at utgangs­ signalet blir sterkere. Om utgangssignalet blir forsterket eller svekket, avhenger av den regneoperasjonen signalene x og z gjennomgår i addisjonspunktet. Dersom signal z blir lagt til signal x, har vi medkopling. Se figur 5.8a. Men dersom signal z blir trukket fra signal x, har vi motkopling. Se figur 5.8b.

Figur 5.8a Medkopling

I begge tilfellene skal vi utlede overføringsforholdet

60

Figur 5.8b Motkopling

=—

Medkopling, se figur 5.8a: z = H 2y E = x + EL- y y = //, (x + H2-y) y = H} • x + y • • EL y(l -H} H2) = x H, x

Motkopling, se figur 5.8b

z=^H2y E — x — Hz - y y= (x - H2y) y = H} x — y H} H2 XI + H} H2) = x h

\

=____

1 - EL Hz

Vi ser at det totale overføringsforholdet øker.

*

=

x

=----- —----1 + H} EL

Vi ser at det totale overføringsforholdet blir mindre.

Men det kan også forekomme at en krets, som vi forutsetter skal gi motkopling, i spesielle tilfeller gir medkopling. Det er for eksempel tilfelle i en reguleringskrets med deler som har en frekvensavhengig faseforskyvning. Her kan det fenomenet oppstå at vi får motkopling ved lave frekvenser og medkopling ved høye frekvenser.

• Eksempel 5.1

Vi har:

Blokkskjemaet på figur 5.9.

Vi skal finne: Det totale overføringsforholdet H, ~

.

x

Figur 5.9

Løsning-.

z = EL y

E=x-z = x-H.-y y = H} EL E — H} • EL- (x — y) y = H\ EL x — EL EL H.- y y(l + EL = x-HrH2 H =—— EL ■ EL x 1 + H । • H2 • 7/3

• Eksempel 5.2

Vi har:

Blokkskjemaet på figur 5.10. y Vi skal finne: Overføringsforholdet 77t = —. x

61

Figur 5.10 Blokkskjematisk framstilling av utvidet system

Løsning:

Vi finner det totale overføringsforholdet slik: For signalstrømmene i retning fra x til y gjelder: y=Hx H, E det vil si: £ =

H\ Hi

0)

E=x—z

Setter vi (1) inn i (2), får vi:

Det tilbakekoplede signalet kan vi uttrykke slik:

z = H4 w = H4(y+H} HyE)

(4)

Setter vi (1) inn i (4), får vi: : = H4(y + iL .V) = //4(l +^l)r H2

(5)

*12

Setter vi (5) inn i (3), får vi:

Samler vi alle ledd som inneholder y på venstre side av likhetstegnet, får vi:

/l2

+ //4 (1 +

‘h

)y

"F 112

+ n4 +

y _ __________ //, _______ ■ x 1 + H2H4 + IL Hy h4

62

H, H. _x _ 1 — ny y iitoi

5.4 Standardisert blokkskjema for et reguleringssystem Figur 5.11 viser hvilke blokker en reguleringskrets kan være bygd opp av ifølge gjeldende standard, og hvilke navn blokkene skal ha. Linjene mellom blokkene viser signalveien.

Reguleringsinnretning —------ \------ ► Anlegg Figur 5.11 Reguleringskrets

Men i dette blokkskjemaet kommer ikke prosessfunksjonen klart fram. Skjemadelen på figur 5.12 gir et klarere bilde.

Fra betjenende element

Utgangsverdi eller produkt Korrigerende element

Til giver

Prosess -----------------

Figur 5.12 Funksjonen til prosessen

Vi ser at det korrigerende elementet får tilført et signal (en enkel linje). En dobbelt linje viser hvordan det korrigerende elementet påvirker energi- eller materialstrømmen til prosessen. Hva som deretter skjer i prosessen, og hva utgangsverdien blir, er også markert med en dobbelt linje. Dersom vi bare tenker på tekniske prosesser, kan den dobbelte linjen som fører fram til prosessinngangen, være en væskestrøm eller en elektrisk strøm. Den dobbelte linjen fra prosessutgangen kan forestille et væskenivå, en temperatur, et trykk e.l. På figur 5.11 måler blokken med betegnel­ sen føler eller sensor utgangsstørrelsen til prosessen, mens blokken måleelement (som vi også kan kalle energiomformer eller transduser) omformer den målte verdien til en standardisert verdi. 63

Vi kan dele det korrigerende elementet inn i to blokker, det betjenende elementet og det korrige­ rende elementet eller aktuatoren. I en ventil kan vi kalle motoren eller magneten som beveger ventilen, for det betjenende elementet og selve ventilen for det korrigerende elementet.

Blokkskjemaet på figur 5.11 kan også brukes i økonomiske prosesser eller produksjonsprosesser. I en produksjonsprosess kan blokkene for eksempel ha de betegnelsene som er brukt på figur 5.13.

Materiale

Konstruksjonsavdeling + produksjonsforberedelse Montasje

- Montasje

Figur 5.13 Blokkskjematisk framstilling av en produksjonsprosess

5.5 Analoge og digitale reguleringssystemer Den delen av reguleringskretsen på figur 5.11 som har betegnelsen reguleringsinnretning, kan være både analog og digital. Når vi har en analog reguleringsinnretning, kan vi bruke skjemaet på figur 5.11. Dersom reguleringsinnretningen derimot er digital, blir blokkskjemaet slik det er vist på figur 5.14. Vi ser at vi etter signalgeneratoren må ha en analog-digitalomformer. Der blir de analoge signale­ ne fra signalgeneratoren omformet til et binært uttrykk. Dette uttrykket angir den målte prosessutgangsverdien. Den ønskede verdien blir også tilført i form av et binært uttrykk, som vi for eksempel kan få ved hjelp av en dekoder.

64

Dekoder

Sammenliknings- Regulerings- Digitalorgan organ analogomformer

Analogdigitalomformer

Aktuator

Prosess

Transmitter

Figur 5.14 Digitalt reguleringssystem

Sammenlikningsorganet bestemmer differansen mellom den målte og den ønskede verdien. Avviket (deviasjonen) blir også angitt som et binært uttrykk. En digital-analogomformer sørger for at det binære uttrykket igjen blir omformet til et analogt signal, som styrer det korrigerende orga­ net. Men det er også mulig å behandle det binære uttrykket før det blir tilført D-A-omformeren. Denne behandlingen avhenger av hva slags type regulering vi vil ha, og finner sted i det digitale reguleringsorganet. Når vi bruker en digital komparator som sammenlikningsorgan, får vi en diskontinu­ erlig regulering. En komparator har tre utganger, X, Y og Z. Bare en av utgangene kan være høy om gangen. Hvilken av de tre som går høy, avhenger av svaret på spørsmålet om den ønskede verdien er høyere, lavere eller lik den målte prosessverdien. Utgangene til en komparator reagerer derfor utelukkende på hvilket fortegn avviket har, og ikke på størrelsen. Derfor snakker vi om en diskontinuerlig reguleringskarakter. Aktuatoren stiller seg inn avhengig av tilstanden til X, Y og Z. Se figur 5.15.

Dekoder

Komparator

Aktuator

utgangsverdi Figur 5.15 Bruk av komparator som sammenlikningsorgan

65

5.6 Reguleringssystemer med forskjellige reguleringsbetingelser Det fins reguleringssystemer som har til oppgave å regulere utgangsstørrelsene til flere prosesser. Som eksempel kan vi nevne klimaregulering (engelsk: air conditioning). Det går ut på å holde temperaturen, luftfuktigheten og luftsammensetningen i et rom på et bestemt nivå. For å kunne utføre disse oppgavene må det plasseres sensorer (givere, følere) i rommet som måler de tre størrelsene. Se figur 5.16. Reguleringsinnretning

Prosess A = sensor - fuktighetsgrad B = sensor - temperatur C = sensor - CO2

Figur 5.16

For at lufta som blir blåst inn i rommet, skal få riktig temperatur, blir den ledet gjennom en varme­ veksler. Se figur 5.17. Varmeveksleren blir matet med varmt vann. Lufttemperaturen blir påvirket ved at tilførselen av varmtvann økes eller reduseres. Fuktighetsgraden regulerer vi med dampmengden vi blåser inn i luftstrømmen. Luftsammensetningen korrigerer vi ved å blåse inn mer eller mindre frisk luft utenfra. Når utetemperaturen er høy, blir varmeveksleren tilført kaldt vann.

B = sensor - temperatur C = sensor - CO2

Figur 5.17 Klimaanlegg

66

5.7 Sammenlikning av datamaskinregulering og PLS-regulering Dersom vi utstyrer kretsen med en mikrodatamaskin, får vi skjemaet på figur 5.18. Vi ser at det er godt samsvar med figur 5.14. Blokkene sammenlikningsorgan og reguleringsorgan er slått sammen til en blokk, mikrodatamaskinen (pC). Vi må likevel understreke at måten inngangsspenningen til D/A-omformeren blir dannet på, er vidt forskjellig på de to figurene.

Sammenlikningsorganet på figur 5.14 er en kombinatorisk kopling. Når en av inngangsvariablene endrer seg, får vi umiddelbart en endring på utgangen. I en mikrodatamaskin er resultatet en følge av et program. Behandlingene finner ikke sted samtidig, men i rekkefølge. Aktuator

MC = mikrodatamaskin D/A = digital-analogomformer A'D = analog-digitalomformer

Figur 5.18 Regulering med mikrodatamaskin

Den ønskede verdien kan stilles inn med en dekoder. Vi kan også taste den inn på datamaskinen. Fordelen med å bruke en mikrodatamaskin er at det er enkelt å endre reguleringsarten. Vi trenger bare å endre programmet og ikke koplingene i reguleringsorganet. Vi sier at vi endrer program­ varen. Dersom vi ønsker å endre reguleringskarakteren på figur 5.14, må vi gjøre inngrep i selve reguleringsorganet. Vi sier at vi må endre maskinvaren. PLS blir ofte brukt som reguleringsorgan. PLS-en er en spesialutførelse av datamaskinen. Figur 5.19 viser en reguleringskrets med PLS. En PLS-regulering skiller seg fra de PLS-styringene vi tidligere har behandlet, ved at et av koplingsmidlene på inngangen blir aktivert av en giver som er plassert i den utgangsverdien av prosessen som blir påvirket av PLS-en. Dermed har vi en sluttet krets. Vi snakker ikke lenger om styring, men om regulering.

D = styremiddel på utgangen

Figur 5.19 Reguleringskrets med PLS

67

PLS-en virker også etter et program. Informasjonen som blir behandlet, og den avgitte informasjo­ nen består av én bit. Reguleringen har derfor diskontinuerlig karakter. PLS-en har flere innganger og utganger.

En mikrodatamaskin arbeider derimot med åttebiters informasjon. Det er viktig å være klar over at i tillegg til en maksimumsverdi og minimumsverdi kan også mellomliggende verdier angis.

Vi kan naturligvis la en mikrodatamaskin virke på samme måten som en PLS, det vil si med enbits informasjon. Men det er umulig for en PLS å arbeide med åttebiters informasjon.

5.8 Oppgaver • Kontrollspørsmål 1 2 3 4 5 6 7

8 9

Hva mener vi med overføringsforholdet til en del i en reguleringskrets? Når har dette overføringsforholdet en bestemt benevning, og når har det det ikke? Hvordan angir vi et addisjonspunkt og et subtraksjonspunkt i et blokkskjema? Hva mener vi med et tilbakekoplet system? Hva kommer det av at motkoplingen, som vanligvis er til stede i en reguleringskrets, kan gå over til medkopling? Hva er forskjellen mellom en digital og en analog reguleringskrets? Hvorfor får vi diskontinuerlig regulering når vi bruker en binær komparator som sammenlikningsorgan? Hva skiller regulering med PLS eller mikrodatamaskin fra en digital regulering? Er en PLS-regulering mer anvendbar enn en regulering med mikrodatamaskin? Begrunn svaret.

• Øvingsoppgaver 1

Gi et eksempel på at et korrigerende organ kan være delt i to. Hva kaller vi delene?

2

Vis med et blokkskjema at vi i noen tilfeller må bruke et addisjonspunkt for å få tilbake­ kopling.

3

Vis at det fins deler som kan ha positiv inngangsverdi og utgangsverdi og likevel ha negativt overføringsforhold.

68

4

Finn overføringsforholdet for systemet på figur 5.20. Vi har disse dataene: =?>,H2 = 40 °C/V og H3 = 0,1 V/°C.

Figur 5.20

5

Finn overføringsforholdet for systemet på figur 5.21. Vi har disse dataene: = ?>,H2 = 20 kPa/V, H. = 0,025 V/kPa og #4 = - 0,2.

Figur 5.21

6

Tegn blokkskjemaet for en digital reguleringskrets. Angi funksjonen til hver av blokkene.

69

6

Reguleringsmidler

6.1

Innledning

6.1.1 Blokkskjemaer for reguleringskretser Når vi snakker om reguleringsmidler, mener vi de delene av en reguleringskrets som har med regulering av prosessen å gjøre. Tar vi utgangspunkt i blokkdiagrammet på figur 6.1, kan vi skille mellom disse hovedfunksjonene i en reguleringskrets: Måling av verdien på utgangen til prosessen og omforming av verdien til et signal som reguleringssystemet kan behandle. Funksjonen blir utført av en sensor som er tilkoplet et måleelement. Måleelementet oversetter signalet fra sensoren til et signal reguleringskretsen forstår. Måleelementet som sørger for signaltilpasningen, blir kalt transmitter. Sørge for at regulering finner sted i den automatiske regulatoren eller prosesstyringen når sammenlikningsorganet konstaterer et avvik (offset) mellom observasjonen til sensoren og den innstilte verdien. Virkningene av den innstilte verdien, sammenlikningsorganet og den regulerende operasjonen kan samles i et datamaskinprogram. Gjennomføre den regulerende operasjonen. Denne funksjonen blir utført av aktuatoren. Det er vanligvis nødvendig med en tilpasning av signalverdien fra den automatiske regulatoren eller prosesstyringen for å kunne styre aktuatoren.

Figur 6.1 Blokkskjematisk framstilling av en konvensjonell reguleringskrets

70

Økonomiske motiver som bedring av virkningsgraden, kontroll over kvaliteten og bedring av konkurranseevnen, og dessuten sikkerhetsbestemmelser og miljølovgivning, stiller stadig større krav til fleksibiliteten til prosesstyringssystemer og prosessreguleringssystemer. Datamaskinteknologien gir oss i dag gode muligheter til å oppfylle disse målsetningene. Kommunikasjonen mellom de forskjellige blokkene på figur 6.1 som er angitt med piler, skjer da digitalt. Sensorene og aktuatorene blir ved denne kommunikasjonsformen ofte utstyrt med D-Aomformere og A-D-omformere. Dermed får vi et blokkskjema slik det er vist på figur 6.2.

Sensor med transmitter

Aktuator med transmitter

Figur 6.2 Blokkskjematisk framstilling av en reguleringskrets med datamaskinteknologi

Når det er behov for kommunikasjon mellom mange forskjellige instrumenter, sensorer, aktuatorer og prosessystemet, er det hensiktsmessig å opprette et bussystem. Forbindelsen mellom sensorene og/eller aktuatorene og regulerings- og styringssystemet blir enklere, og fleksibiliteten større. I måle- og reguleringsteknikken finner kommunikasjon med digitale bussystemer sted på forskjel­ lige nivåer. På instrumenteringsnivå kan bussystemet utføres med et RS232-kommunikasjonssystem, RS485-kommunikasjonssystem eller enfeltbuss. Feltbussen som er et kommunikasjons­ system som foreløpig ikke er internasjonalt akseptert, sørger på den ene siden for kommunikasjon mellom sensorer og aktuatorer som er direkte forbundet med prosessen, og på den andre siden med

Figur 6.3 Blokkskjematisk framstilling av en regulerings- og styrekrets med feltbusskommunikasjonssystem

71

styringssystemer som PLS-er og datamaskiner. Blokkskjemaet på figur 6.3 viser et reguleringseller styringssystem med en feltbuss RS485 eller RS232.

6.1.2 Intelligente systemer eller "SMART "-systemer

Ved bruk av mikroelektronikk er det på området sensorer, aktuatorer og transmittere osv., kompo­ nenter som utfører flere funksjoner. Et eksempel på det er den temperaturkompenserende halvledertrykksensoren på figur 6.4. Sensoren kan måle absolutte trykk, relative trykk og/eller trykk­ forskjeller uavhengig av omgivelsestemperaturen. Trykket og temperaturen blir målt av sensoren. Trykket blir dermed bestemt ved kompensasjon og/eller beregninger ved konstant omgivelsestemperatur. Når forskjellige funksjoner er samlet i én komponent, snakker vi om en intelligent sen­ sor, aktuator eller transmitter. I USA er det vanlig å bruke uttrykket SMART istedenfor intelligent. Uttrykket SMART blir også stadig mer brukt i Europa. I teknikken støter vi ofte på begreper som SMART-sensor, SMART-aktuator og SMART-transmitter. SMART-sensorene er ofte integrerte sensorer, og utgangsverdien ligger derfor mellom 0/1 V og 5 V. Med en standardisert A-D-omformer blir den analoge utgangsverdien gjort om til et digitalt signal.

Tilkoplingsdata Tilkoplings- For­

punkt 1 — 6 —* 4— 2-> 3—

kortelse

+u -Uf

For­ klaring — positiv matespenning -» negativ matespenning -» pos. matesp. for temp. komp. -» positiv utgangsspenning -» negativ utgangsspenning

Kjernen i sensoren består av en silisiumbrikke med fire piezo-motstander. Når brikken blir utsatt for trykk, fører resistansendringen til en endring av utgangsspenningen. Sensoren leveres som integrert krets (IC).

Figur 6.4 Smart-sensor for trykkmåling

72

6.1.3 Oppgaver • Kontrollspørsmål Hvilken funksjon har sensoren i et reguleringssystem? Hvilken funksjon har transmitteren i et reguleringssystem? Hvilken funksjon har aktuatoren i et reguleringssystem? Når snakker vi om et intelligent system eller et SMART-system? Hvorfor er utgangsverdien til en integrert sensor ofte ikke mer enn 5 V?

1 2 3 4 5

• Øvingsoppgaver 1

Tegn blokkskjemaet for en konvensjonell reguleringskrets og angi funksjonen til blokkene.

2

Tegn blokkskjemaet for en reguleringskrets med mikroprosessor eller datamaskin og angi funksjonen til blokkene.

3

Tegn blokkskjemaet for en reguleringskrets med feltbusskommunikasjonssystem og angi funksjonen til blokkene.

6.2

Sensorer

6.2.1 Innledning Det er ingen prinsipiell forskjell mellom en sensor og en føler. I denne boka bruker vi begge betegnelser. I praksis blir nå sensor som regel foretrukket i reguleringsteknikken.

Sensoren er det kunstige sanseorganet som erstatter, eller til og med forbedrer, menneskets sanser i prosessreguleringer og prosesstyringer. Det er ikke mulig å regulere eller automatisere prosesser uten disse kunstige sanseorganene. Menneskenes sanseorganer omfatter: syn optiske inntrykk Øyne hørsel -* akustiske inntrykk Ører —* smak -» kjemiske inntrykk Tunge —* lukt -» kjemiske inntrykk (for eksempel retning) Nese -» berøring -* følelse (temperatur og trykk) Hud -* De observasjonene menneskets sanser gjør, er en samling av mange forskjellige inntrykk som til sammen gir et helhetsbilde. Med øynene er vi nemlig ikke bare i stand til å se forskjell på lys og mørke, men også til å oppfatte farger, fargesammensetninger, intensitet, form, dimensjoner, avstand, tilstedeværelse, antall osv.

73

Den menneskelige sensoren, øyet, er svært dyktig, men kan på grunn av de mange samtidige observasjonene være unøyaktig. Begrensningen til de kunstige sensorene ligger i antall observa­ sjoner. Men vi kan gjøre dem egnet til a foreta raskere og mer nøyaktige observasjoner enn de menneskelige sansene og uavhengig av tid og følelser. Et eksempel er lesing av en stolpekode. Se figur 6.5. Vårt øye er ikke i stand til å lese fordelingen av svart og hvitt i koden like raskt som en sensor, og deretter heller ikke oversette den til prisen eller navnet på et produkt med samme hastighet som en datamaskin.

Figur 6.5 Stolpekode med sensor

Det skal mange forskjellige sensorer til for å erstatte menneskets sanser. Hver sensor egner seg bare til å ta én observasjon med stor nøyaktighet. Det store utvalget av sensorer gjør det vanskelig for oss å dele dem inn eller beskrive dem. Det er heller ikke lett å dele inn funksjonene til våre sanseorganer. Som eksempel kan vi nevne avstandsbedømmelse som blir utført med flere av våre sanseorganer (syn, hørsel, lukt og følelse). Avstand kan også bedømmes av forskjellige kunstige sanseorganer (sensorer). Målemetoden og virkemåten til sensorene blir behandlet i andre fag. I faget styrings- og reguleringsteknikk skal vi begrense oss til kvaliteten og begrepene når det gjelder utgangsverdiene til elektriske sensorsystemer.

6.2.2 Utgangssignalene fra sensorer

De sensorene vi bruker i reguleringssystemer, kan omforme verdiene av målte størrelser til analog, digital eller binær informasjon. Vi snakker om analogt, digitalt eller binært virkende sensorer. Et eksempel på en analogt virkende sensor er strekklappen på figur 6.6. Mekanisk strekkraft eller trykkraft forandrer lengden og tverrsnittet til en leder og dermed resistansen R. Resistansendringen AT? blir brukt som et mål på belastningen.

74

Men resistansendringen AR er også avhengig av omgivelsestemperaturen. Vi måler dermed ikke bare belastningsendringen AP, men også temperaturvariasjonen AP. Den intelligente sensoren på figur 6.4 er i stand til å måle belastningsendringen AP uavhengig av temperaturendringen AP.

F

Figur 6.6 Bøyningsmåling med strekklapp

Et eksempel på en digitalt virkende sensor er den optiske sensoren på figur 6.7, som registrerer forskyvninger. Den kan utføres som en absolutt sensor hvor nullpunktet er fastlagt.

Med en smal lysbunt og forskjellige lyssensorer blir posisjonen til en strimmel omformet til et digitalt signal. Formen på den digitale kodingen avhenger av fordelingen av gjennomsiktige og ikke-gjennomsiktige områder på strimmelen. Oppløsningen blir bestemt av den korteste avstanden mellom to påfølgende områder. Dersom en avstand på 10 cm skal avtastes med en firebits kode, blir oppløsningen 10 cm : 16 = 0,625 cm. Med en åttebits kodeavtaster blir oppløsningen 10 cm : 256 = 0,039 cm. På grunn av den begren­ sede oppløsningsevnen til det optiske systemet er det fordelaktig at bare én bit endrer seg fra det ene området til det andre. Dermed eliminerer vi feil som kan oppstå, fordi mange biter ikke kan endre seg samtidig. Et eksempel på en kode hvor bare én bit endrer seg om gangen, er graykoden

Prinsipp Figur 6.7 Prinsipp og utførelse av en sensor som registrerer absolutte forflytninger

75

Den inkrementelle sensoren som registrerer forflytninger, er et eksempel på en binær sensor. Telling av lyspulser er her et mål for forflytningen. Figur 6.8 viser en slik praktisk utførelse og en optisk strimmel til en sensor som virker etter inkrementprinsippet.

Strimmel

Utførelse

Figur 6.8 Optisk skive og inkrementell sensor

Et annet eksempel på en binær sensor er grensebryteren. Se figur 6.9a, som viser hvordan den er oppbygd og en praktisk utførelse. Den binære sensoren kjenner bare to utgangstilstander: høy eller lav (inn eller ut). Den målte analoge verdien blir omformet til en av disse tilstandene ved hjelp av en triggerkrets. Kjennetegnet, og samtidig en av de viktigste egenskapene ved en binær sensor, er hysteresevirkningen som oppstår ved innkopling og utkopling. Se figur 6.9b. Plasseringen og bredden//til hysteresen kan ofte stilles inn.

Ht

(hysterese)

olnn tn c 0) w

4--------------------------Prosessutgang — Figur 6.9a Binære sensorer

Figur 6.9b Koplingshysterese

6.2.3 Passive og aktive sensorer Den informasjonen som utgangsverdien til en sensor gir, kan være passiv eller aktiv. Se figur 6.10. Passiv informasjon er informasjon uten energiverdi. Eksempler er informasjoner vi får fra sensorer som avhengige motstander (NTC, PTC, PT100) og nivåbrytere. 76

Aktiv informasjon er informasjon med energiverdi. Eksempler er informasjonen vi får fra termoelementer, tachogeneratorer osv. Aktive sensorer gir selv et målesignal. Når vi bruker passive sensorer, må vi ha en energikilde for å få brukbar informasjon (målesignaler). En endring av resistansen må ved hjelp av en strømkilde omformes til en spenningsvariasjon. Nøyaktigheten til den informasjonen vi får, avhenger av kvaliteten på strømkilden. Den informasjonen vi får fra en sensor, har vanligvis en annen benevning (dimensjon) enn den målte størrelsen. Dersom vi bruker et termoelement som sensor, får vi informasjonen uttrykt i mV, mens verdien til den målte størrelsen er i °C. For å kunne fastslå hvilken temperatur som svarer til en bestemt utgangsverdi i mV, må vi ha en referanse, for eksempel 1 mV = 5 °C. Referansen angir forholdet mellom den informasjonen vi får, og den tilførte størrelsen. Referansen til et termoelement kan være fastlagt i: a skalaen til et dreiespolemeter som er gradert i °C b temperatur/spenningstabeller c temperatur/spenningskurver d elektroniske minner til mikroprosessorer eller datamaskiner

Nøyaktigheten til den informasjonen vi får, er avhengig av hvor nøyaktig referansen er, og måten vi leser av referansen på. Figur 6.10 er en blokkskjematisk framstilling av metoder som gir god måleinformasjon ved bruk av aktive og passive sensorer.

Referanse

Figur 6.10a Innhenting av måleinformasjon med passiv sensor

Energikilde

Figur 6.10b Innhenting av måleinformasjon med aktiv sensor

77

6.2.4 Egenskapene til sensorer I analoge sensorer er det et lineært forhold mellom inngangsverdien og utgangsverdien. Se karakteristikken på figur 6.11.

Vi gjør informasjonen fra en aktiv eller passiv føler om til et godt målesignal ved å velge den riktige energikilden og ved å forsterke eller dempe signalet. Det er bestemte egenskaper som kjennetegner et målesignal. Vi kan nevne:

• Følsomhet (S) (engelsk: sensitivity)

Med følsomheten til en lineær sensor mener vi forholdet mellom utgangssignalet Y og inngangssignalet X. Se figurene 6.11 og 6.12.

(6.1)

Inngangssignal "X"

Utgangssignal "X" sensor

Figur 6.12 Følsomheten til en sensor

78

y\ S — \ x/ /

• Følsomhetsfaktor

Ser vi på figurene 6.11 og 6.13, kan vi definere følsomhetsfaktoren (spesifikk følsomhet) slik:

y_ = Aj/ X x

(6.2)

Ax/y

Uttrykket 5 • y/x tolker vi som følsomheten til utgangsverdien Y (Ay) for variasjoner av inngangs­ verdien X (Ax).

y

x

Ly / Y Lx / X

Utgangssignal "Y"

Inngangssignal "X"

Utgangsvariasjon "DY'

Inngangsvariasjon "DX" sensor

Figur 6.13 Følsomhetsfaktoren til en sensor

• Følsomhetsgrense Med følsomhetsgrensen til et målesignal mener vi den minste verdien til inngangssignalet som gir et målbart utgangssignal. Følsomhetsgrensen blir påvirket av elektrisk støy, støysignaler, mekanis­ ke svingninger, klaring, friksjon og dødgang. Vi må klart kunne skille utgangssignaler som skyl­ des den målte størrelsen, fra de signalene de nevnte støykildene gir. Den tilnærmede følsomhets­ grensen er angitt på figur 6.11.

• Oppløsningsevne R (engelsk: resolution) Oppløsningsevnen er et mål på hvor fint en sensor kan stilles inn eller leses av. Med oppløsnings­ evne mener vi den minste endringen Ax av den målte størrelsen X som gir en registrerbar endring av målesignalet. Oppløsningsevnen blir uttrykt i prosent og beregnet med formelen:

R maksk

— ■100%

(6.3)

79

Oppløsningsevnen R har en grenseverdi hvor malesignalet ikke lenger øker kontinuerlig med den malte størrelsen Jf. Oppløsningsevnen går da over til en kvantitetsfeil. Det kan også være feil som oppstår når et analogt signal blir omformet til et digitalt signal. Et tydelig eksempel på det er en sensor hvor det blir brukt et trådviklet potensiometer som følerelement. Slike kvantitetsfeil (oppløsningsfenomener) opptrer også i digitale sensorer (numeriske indikeringssystemer).

Figur 6.14 Kvantitetsfeil ved en digital sensor

• Statisk ikke-linearitet Det fins ingen sensorer hvor utgangsverdien endrer seg lineært med inngangsverdien. Når frekven­ sen ikke har noen innvirkning på ikke-lineariteten, snakker vi om statisk ikke-linearitet. Ved sta­ tisk ikke-linearitet blir det største avviket fra lineariteten til sensoren oppgitt. Figur 6.15 viser den ikke-lineære karakteristikken og angir også hvordan vi bestemmer ikke-lineariteten.

Statisk ikke-linearitet

Figur 6.15 Statisk ikke-linearitet ved en sensor

80

når x er konstant

(6.4)

• Målebredde

Målebredden til en sensor blir bestemt av intervallet X.-X. hvor sensoren kan måle inngangsstørrelsen X med en bestemt nøyaktighet. Se figur 6.16. Xmaks blir bestemt av den tillatte ikkelineariteten til sensoren, som kan overskride den tillatte nøyaktigheten når målesignalene blir svært sterke. Verdien av Xmin blir bestemt av følsomhetsgrensen. Figur 6.16 viser målebredden (engelsk: span) til en sensor.

Med måleområdet, i reguleringsteknikken også kalt range med et engelsk ord, får vi angitt grense­ ne Xmin og® Xmaks , som målebredden ligger mellom, 00

Figur 6.16 Målebredden til en sensor

• Respons Med responsen til en sensor mener vi utgangsverdien ved en gitt inngangsverdi som funksjon av tiden. Når inngangsverdien endrer seg i sprang for deretter å holde seg konstant, vil utgangen etter en viss tid også innta en konstant verdi. Denne reaksjonstiden skyldes selve sensoren. Når senso­ ren har en stor masse, er reaksjonstiden lang. Ved temperaturmåling følger for eksempel en sensor

Figur 6.17 Responsen til en sensor

81

med liten masse (lav varmekapasitet) endringer på inngangen hurtigere enn en sensor med stor masse. Figur 6.17 viser responsen til en sensor som funksjon av tiden når inngangsverdien endrer seg sprangvis.

• Nullpunktforskyvning Nullpunktforskyvning oppstår når prosesstørrelsen har nådd sin nullverdi, mens sensoren frem­ deles angir en positiv eller negativ verdi. Se figur 6.18. Nullpunktforskyvning forekommer ofte når målemetoden ikke er godt kompensert. Et eksempel er måling med et termoelement hvor den kal­ de sveisen ikke er kompensert. Når vi skal måle temperaturen 0 °C med den «varme sveisen», har den «kalde sveisen» samme temperatur som omgivelsene, for eksempel 15 °C. Vi måler da en temperatur på -15 °C. Det vil si at vi har en negativ nullpunktforskyvning. Når den kalde sveisen til et termoelement har en temperatur under 0 °C, måler vi en høyere temperatur enn den virkelige temperaturen. Nullpunktforskyvningen er nå positiv. Vi kan bare tillate nullpunktforskyvning dersom en målefeil på den måten blir kompensert.

Prosessutgang Figur 6.18 Nullpunktsfeil

6.2.5 Oppgaver • Kontrollspørsmål

1 Hvorfor blir sensorer ofte kalt kunstige sanseorganer? 2 Hvor går skillet mellom egenskapene til menneskets sanseorganer og de kunstige sanse­ organene (sensorene)? 3 Hvorfor kan sensorer gjøre mer nøyaktige observasjoner enn menneskets sanseorganer? 4 Hvilke typer av sensorer skiller vi mellom med hensyn til utgangsverdien? Nevn et eksempel på hver type. 5 I hvilke typer av sensorer snakker vi om koplingshysterese? 6 Hva er forskjellen mellom en sensor med absolutt utgangsverdi og en sensor med inkrementell utgangsverdi? 7 Hva er forskjellen mellom passiv og aktiv informasjon?

82

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 22

Hvorfor er sensoren på figur 6.8 en passiv sensor? Hvorfor må vi ha en referanse når vi måler en fysisk størrelse? Hvordan kan vi fastlegge referansen? Hvorfor er måling med en passiv sensor mindre nøyaktig enn med en aktiv sensor? Nevn minst fem egenskaper som kjennetegner et godt målesignal. Angi tydelig som formel forskjellen mellom følsomheten og følsomhetsfaktoren til en sensor. Hvilke faktorer bestemmer følsomhetsgrensen til en sensor? Vi har en sensor som er bygd opp av trådviklede motstander. Hva mener vi med oppløsnings­ evnen til denne sensoren? Hvorfor blir oppløsningsfeilen til en digital sensor også kalt kvantitetsfeil? Hva vil det si at den statiske ikke-lineariteten til en sensor er 2 %? Hva mener vi med begrepet målebredde når det gjelder en sensor? Hva er forskjellen mellom begrepene måleområde og målebredde? Hvorfor har et måleelement som er beskyttet, lengre responstid enn det samme måleelementet uten beskyttelse? Hvorfor virker lang responstid negativt inn på de reguleringstekniske egenskapene til en reguleringskrets? Hva mener vi med nullpunktforskyvning?

• Øvingsoppgaver

1

Figur 6.19 viser kurven R = f(r) for en temperaturfølsom motstand. Bruk kurven og bestem: a følsomheten til sensoren ved -20 °C b følsomheten til sensoren ved 0 °C c følsomheten til sensoren ved +60 °C d følsomhetsfaktoren ved -20 °C og Ar = ±10 °C

Figur 6.19 Kurven R = f(t) for en temperaturfølsom motstand

83

e / g h i j k

6.3

følsomhetsfaktoren ved +60 °C og Ar = ±10 °C ikke-lineariteten til sensoren i % Hvorfor får vi ikke samme svaret på oppgavene a, b og c? Hva vil du si om svarene på oppgavene d og e? Mellom hvilke grenser er måleområdet angitt? Beregn målebredden ut fra svaret på oppgave i. Er det snakk om positiv eller negativ nullpunktforskyvning for karakteristikken på figur 6.19? Begrunn svaret.

Transmittere

6.3.1 Innledning

Da vi så på blokkskjemaene på figurene 6.1, 6.2 og 6.3, støtte vi på transmitteren to steder i prosesstyringen eller reguleringskretsen: 1 som signaltilpasser fra sensoren til prosesstyringen eller regulatoren 2 som signaltilpasser fra prosesstyringen eller regulatoren til aktuatoren Vi skal heretter begrense oss til å se på signaltilpasning fra sensor til prosesstyring eller regulator.

Transmitteren kan utføre disse funksjonene: a forsterke signalet til sensoren b tilpasse signalet på inngangen til sammenlikningsorganet eller i datamaskinstyringssystemet Figur 6.20 er en blokkskjematisk framstilling hvor transmitteren har som oppgave å tilpasse signaler fra sensoren til sammenlikningsorganet.

Prosessverdi

Figur 6.20 Plassering av transmitter mellom sensor og sammenlikningsorgan

84

Quick reference * RTL inputs * 4-20 mA linearized output * No potentiometers * No adjustments * SMD manufactured

Figur 6.21 Transmitter for PT-100

Tilpasning av signaler med en transmitter er mulig i systemer hvor inngangsverdiene og utgangsverdiene er definert. Figur 6.21 viser en transmitter med en inngang for en PT-100 og et utgangs­ signal som ligger mellom 4 mA og 20 mA. Transmittere hvor inngangsverdiene og utgangsverdiene kan innstilles (programmeres) med et programmeringsapparat eller en datamaskin, kalles SMART- tran smitt ere. Figur 6.22 viser en slik transmitter. At signalet til sensoren vanligvis må forsterkes, er lett å forstå dersom vi tenker på å bruke et termoelement som sensor i en temperaturprosess.

En annen grunn til at det er behov for tilpasning, er at produsentene av regulatorer vil gjøre regulatorinngangene så universelle som mulig enten regulatoren er kombinert med et sammenlikningsorgan eller ikke. Transmitteren må derfor sørge for at (det svake) signalet fra sensoren blir tilpasset regulatorinngangen.

Quick reference * Very high accuracy * Programmable with handheld console or PC * RS 485 communication * Dual inputs with mathematical functions * Voltage and current inputs * 0/4-20 mA, 0/1-5 V or 0/2-10 V outputs * Normal and reversed outputs * Adjustable trip point setting * Surface or railmounting acc. to DIN EN 50022 * SMD manufactured

Figur 6.22 Smart transmitter

85

Sensor

Sammenliknings­ organ

Transmitter

Figur 6.23 Funksjonen til en transmitter ved lange avstander

I praksis befinner transmitteren seg ofte langt fra regulatoren. Vi kan i den forbindelse tenke på et oljeraffineri. Lange ledninger fører til store spenningstap mellom sensoren og regulatoren. For å motvirke disse spenningstapene blir utgangen til transmitteren ofte utført som strømkilde. Utgangsstrømmen fra en strømkilde er nemlig uavhengig av belastningsresistansen. Vi kan her betrakte transmitteren som en spenning-strømomformer. På figur 6.23 er dette vist skjematisk. I sammenlikningsorganet, som er en del av regulatoren, blir strømmen ledet gjennom en fast mot­ stand slik at vi igjen får en spenning som er proporsjonal med spenningen fra sensoren.

Disse utgangsverdiene fra transmittere blir ofte brukt: for spenning: (0/1 5)V =, (0/2 -» 10)V = - for strøm: (0/4 -* 20)mA - for pneumatikk: (0/20 —> 100)kPa De nedre grensene på 1 V, 2 V, 4 mA og 20 kPa blir vanligvis valgt når det er ønskelig med en indikasjon på ledningsbrudd. Vi kaller det levende nullpunkt. Ved utgangsverdier med levende nullpunkt må vi ved nullpunktkorreksjon huske på at nullpunktet ikke lenger er null.

6.3.2 Spenning-strømtransmittere I transmittere med elektriske innganger og utganger er den viktigste delen en operasjonsforsterker. Når utgangen er en spenningsutgang, det vil si en E-E-transmitter, kan vi bruke en vanlig operasjonsforsterkerkopling. Se figur 6.24. Med potensiometeret P2 kan forsterkningen stilles inn slik at utgangsspenningen beveger seg mellom 0 og 10 V ved en gitt inngangsspenning. Potensiometer Pl har til oppgave å nullstille utgangsverdien til transmitteren ved hvileverdien til prosessen (nullpunktinnstilling).

Figur 6.24 Prinsippet for en E-E-transmitter

86

Figur 6.25 Prinsippet for en E-I-transmitter

I en E-I-transmitter kan vi også bruke en operasjonsforsterker. Figur 6.25 viser prinsippet. Virkemåten er den samme som for en vanlig ikke-inverterende operasjonsforsterker. Kretsen til tilbakekoplingsmotstanden blir brukt som utgangskrets. Fordi: U U I = -=^og K ° 1ut1 = L2 = L,1’ er Iut = Ff 1

1

Gir vi R. en fast verdi, gjelder også:

Iut = c ■ Uinn

(6.5) \ z

Vi ser at utgangsstrømmen er: proporsjonal med t7jnn uavhengig av resistansen i utgangskretsen På utgangen virker transmitteren som en strømkilde hvor strømstyrken er proporsjonal med inngangsspenningen.

6.3.3 P-I-transmittere

I den petrokjemiske industrien er reguleringssystemene ofte delvis pneumatiske og delvis elektris­ ke (elektroniske). Den brannfølsomme delen blir regulert pneumatisk, mens den sentrale overvåk­ ningen er elektronisk. Det vil si at den er datamaskinstyrt. Det er derfor behov for transmittere med pneumatiske innganger og elektriske utganger. Vi snakker om P-E-transmittere når det dreier seg om pneumatiske innganger og spenningsutganger, og om P-I-transmittere når vi har pneuma­ tiske innganger og strømutganger. Ved bruk av P-I-transmittere blir det pneumatiske signalet på inngangen først omformet til et elektrisk signal. Det kan realiseres i en brokopling med trykkavhengige halvledermotstander (engelsk: PDR = Pressure Dependent Resistor). Se figur 6.26. Utgangsspenningen til brokoplingen blir tilført inngangen på E-I-omformeren. For å bedre lineariteten er det koplet en NTC-motstand i serie med inngangen. Figur 6.26 er en skjematisk gjengivel­ se av en P-I-transmitter.

87

P-omgivelser

Figur 6.26 Inngangskopling til en P-I-transmitter

6.3.4 Analog-digitalomformere De fleste følere avgir et analogt signal. Ved digital regulering og ved bruk av digitale anvisningsinstrumenter må det analoge signalet omformes til et digitalt signal. Denne omformingen finner sted i en A/D-omformer (transmitter). Se blokkskjemaet på figur 6.27. Utgangen til A/D-omformeren inneholder som regel parallell informasjon. Det er derfor nødvendig med en atskilt forbindelse for hver bit. Parallelle digitale signaler egner seg ikke for overføring av informasjon over mer enn 1 m. Plasseringen av A/D-omformeren må derfor velges med stor omhu, eller den parallelle infor­ masjonen må omformes til sekvensiell informasjon. Se P-S-transmitteren på figur 6.28.

u

Sensor

Figur 6.27 A-D-omformer i en sensorkrets

Figur 6.28 viser en utførelse av en transmitter som ved hjelp av en programvarepakke kan kople mange forskjellige inngangssignaler som spenninger, strømmer, termoelementspenninger og PT100-verdier med et datamaskinsystem. Kommunikasjonen mellom transmitteren og datamaskinen foregår sekvensielt enten ifølge RS232-normen eller med en spesialutviklet feltbuss.

88

Quick reference Hardware * Modular, up to 128 channels * Remote, up to 1200m with modems * Internal power supply for 2-wire transmitters * Field changeable input modules * Serial communication, isolated Software * Menudriven, user configurables * Data acquisition and analysis * For use with IBM industrial or PC, or compatibles

Figur 6.28 Transmitter for sekvensiell kommunikasjon

6.3.5 Oppgaver • Kontrollspørsmål

Hva mener vi med en transmitter eller et måleelement? Hvilke funksjoner kan transmitteren utføre? Når snakker vi om en SMART-transmitter? Hvilke utgangsverdier blir ofte brukt i transmittere? Når velger vi en transmitter med levende nullpunkt? Hvilke ulemper har en E-E-transmitter? Når kan vi med fordel bruke en E-I-transmitter? Hvilket prinsipp bygger P-I-transmitteren på? Hva er fordelen ved sekvensiell kommunikasjon i et datamaskinreguleringssystem sammen­ liknet med parallell kommunikasjon? Nevn også en ulempe. 10 I hvilke tilfeller må vi bruke en A-D-omformer? 11 Når bruker vi en P-S-transmitter? 12 Hvorfor kan ikke parallell informasjon overføres over lengre avstander? 1 2 3 4 5 6 7 8 9

• Øvingsoppgaver

1

Tegn og forklar hvordan E-E-transmitteren på figur 6.24 virker.

89

2

Tegn og forklar hvordan E-I-transmitteren på figur 6.25 virker.

3

Forklar hvordan et reguleringssystem med tilhørende transmittere virker i henhold til figur 6.3.

6.4 Sammenlikningsorganer 6.4.1 Innledning

Et sammenlikningsorgan må kunne måle forskjellen mellom den ønskede utgangsverdien og den målte utgangsverdien til en prosess. Figur 6.29 viser hvordan et sammenlikningsorgan i prinsippet virker. Den forskjellen E sammenlikningsorganet måler, blir kalt deviasjon eller offset.

x

E_______ Avvik

Ønsket verdi

Y Målt verdi

Figur 6.29 Prinsippet for et sammenlikningsorgan

I analoge elektriske regulatorer får vi som regel den ønskede verdien X fra et potensiometer. Potensiometeret har en knapp med skalainndeling justert etter den størrelsen som skal reguleres. Den målte verdien Y er den verdien transmitteren avgir. Deviasjonen eller avviket E blir da:

E= X- Y

(6-6)

Verdiene X og Y er ofte av samme art, for eksempel elektriske eller pneumatiske. Men kombina­ sjoner er også mulig. Pneumatiske verdier må da først omformes til elektriske størrelser.

Funksjonelt sett har sammenlikningsorganet i en regulator en viktig og spesiell oppgave. Men i den praktiske utførelsen er sammenlikningsorganet vanligvis en del av reguleringsorganet slik at det er vanskelig å vise til det. Når det blir brukt datamaskin som reguleringssystem, er sammenlik­ ningsorganet opptatt i datamaskinen. Sammenlikningsorganet forekommer da ikke lenger som selvstendig komponent.

6.4.2 Eksempler på analoge sammenlikningsorganer I sammenlikningsorganet skal to verdier trekkes fra hverandre, eller legges sammen dersom de er motstilt. I eksempelet på figur 6.30, som viser et elektrisk sammenlikningsorgan, lar dette seg enkelt realisere ved å seriekople spenningene i motsatt retning. Ulempen ved denne koplingen er at 90

X

Figur 6.30 Prinsippet for et elektrisk sammenlikningsorgan

differansesignalet ikke kan ligge til jord. I et elektronisk sammenlikningsorgan kan koplingen bygges opp omkring en operasjonsforsterker. Se figur 6.31 som viser to eksempler.

Figur 6.31a Differanseforsterker som sammenlikningsorgan

Figur 6.31b Inverterende forsterker og sumforsterker som sammenlikningsorgan

Figur 6.31a viser skjemaet for en differanseforsterker brukt som sammenlikningsorgan. Denne koplingen er fullt brukbar. Ved hjelp av resistansverdiene R. til og med kan vi bestemme den innbyrdes innflytelsen til og U2. Figur 6.31b viser skjemaet for en sumforsterker hvor ett av inngangssignalene først er invertert.

6.4.3 Digitale sammenlikningsorganer Ved digitale sammenlikningsorganer må begge inngangssignalene påtrykkes i digital form. Avviket E er da også tilgjengelig i digital form. Figur 6.32 viser dette skjematisk. Den målte utgangsverdien til prosess Y får vi fra en transmitter med digital utgang. Den ønskede utgangsverdien til prosess X er tilgjengelig i digital form dersom vi utfører innstillingsknappen som kodebryter.

91

Figur 6.32 Digitalt sammenlikningsorgan

Figur 6.33 Heladderer som sammenlikningsorgan

Det vil si at den avgir et digitalt signal i den ønskede koden. Ved digital regulering må verdiene X og Khele tiden være kontinuerlig tilgjengelige, og avviket £ må også kontinuerlig være til stede (parallell informasjon). Sammenlikningsorganet består da av en binær heladderer (engelsk: full adder). Se figur 6.33.

Ved datamaskinregulering skjer i virkeligheten det samme, men vanligvis blir flere kretser avtastet i rekkefølge. Derfor må ønskede og målte prosessutgangsverdier først bli lagret i registre. Programmet (programvaren) bestemmer da når en krets står for tur til å bli sammenliknet. Avtasting av de forskjellige kretsene blir foretatt av en multiplekser. Ved avtastingen må signalene i kretsen moduleres forskjellig i et modem. Den parallelle informasjonen fra A-D-omformeren må omformes til sekvensiell informasjon i en P-S-transmitter. Blokkskjemaet på figur 6.34 viser hvor­ dan signalene blir tilpasset.

Figur 6.34 Signaltilpasninger for et datamaskinstyrt reguleringssystem

6.4.4 Oppgaver

• Kontrollspørsmål 1

92

Hva forstår vi med deviasjon i forbindelse med et sammenlikningsorgan?

2 3 4 5 6

Hva er spesielt med sammenlikningsorganer i datamaskinregulerte systemer? Hvilken ulempe har koplingen til sammenlikningsorganet på figur 6.30? Hvilken oppgave har P-S-transmitteren på figur 6.34? Er innholdet i modem 1 (se figur 6.34) lik innholdet i modem n? Hvor må vi plassere sammenlikningsorganet i blokkskjemaet på figur 6.34? Hva kan vi si om den ønskede prosessutgangsverdien som må tilføres sammenlikningsorganet i oppgave 6?

• Øvingsoppgaver 1

Tegn skjemaet for en enkel elektrisk differansekopling og forklar hvordan den virker.

2

Finn utgangsspenningen når alle motstandene i skjemaet på figur 6.31a har resistansen 10 kQ og U} og U2 er henholdsvis +1 V og +0,5 V.

3

Gjør det samme med skjemaet på figur 6.31b.

4

Forklar funksjonene til blokkene "P/S" og "modem" i blokkskjemaet på figur 6.34.

6.5 Korrigerende organer 6.5.1 Innledning

Et korrigerende organ skal påvirke inngangstørrelsen slik at avviket blir mindre. I praksis blir uttrykket korrigerende organ ofte erstattet av aktuator. Aktuatoren blir vanligvis betjent med et signal som det regulerende organet ikke kan avgi. Signalverdien må da tilpasses med en transmit­ ter. I prinsippet har slike transmittere den motsatte funksjonen av hva de har ved signalpåtrykking til sensorene. Figur 6.35 viser blokkskjematisk plassen til transmitteren med aktuatoren.

Aktuatorene som vi skal behandle i dette kapittelet, er: - elektromotorer - reguleringsventiler - smart power MOS Energi

Figur 6.35 Oppbygningen av et korrigerende organ

93

6.5.2 Elektromotorer

I reguleringsteknikken blir elektromotorer brukt som selvstendig korrigerende organ eller som del av et korrigerende organ. I drivmekanismen for eksempel til sleiden på en dreiebenk, er motoren et selvstendig korrigerende organ. I en motordrevet ventil er motoren en del av det korrigerende organet. Motoren blir da kalt betjenende element og ventilen korrigerende element. Når pumpa i en nivå- eller trykkregulering blir drevet av en motor, er også motoren det betjenende elementet og pumpa det korrigerende elementet. Når vi bruker elektromotorer som korrigerende organ, har vi to målsetninger: Å bringe motorakselen opp i en bestemt hastighet og holde den der. Vi snakker om hastighetsregulering eller turtallsregulering. Eksempler på dette er drift av pumper, platespillere, lydbåndopptakere og liknende. - Å bringe objektet som motorakselen driver, i en bestemt stilling. Vi snakker om posisjonsregulering. Vi må her skille mellom posisjonsregulering ved forskyvning (som vi har ved for­ flytning av sleiden på en dreiebenk, lesehodet i et diskettdrev, skrivehodet til en skriver eller klaffen til en ventil) og posisjonsregulering ved rotasjon (som i parabolantenner eller armene på en robot). Ved posisjonsregulering er motoren ofte det betjenende organet. Figur 6.36 viser prinsippet for en posisjonsregulering hvor det er brukt en likestrømsmotor. I forbindelse med den lave hastigheten som kreves, er motoren som regel utstyrt med en bremseinnretning.

Figur 6.36 Prinsippskjema for en posisjonsregulering

• Motortyper I reguleringsteknikken blir disse typene av elektromotorer brukt: - standardmotorer, som kan være for likestrøm eller for vekselstrøm - spesialmotorer, som skiveankermotorer og trinnmotorer for likestrøm Konstruksjonen og virkemåten til disse motorene blir beskrevet i andre fag.

94

6.5.3 Reguleringsventiler • Generelt Reguleringsventiler blir særlig brukt som korrigerende organ i fysiske og kjemiske prosesser. Konstruksjonen er enkel, og reguleringsventilen er derfor driftssikker og krever lite vedlikehold. Reguleringsventilen kan påvirke gasstrømmer og/eller væskestrømmer. Det er også mulig å regulere faste stoffer i korn- og pulverform. Reguleringsventilen er bygd opp av to hoveddeler, nemlig: ventilhuset med ventil innstillingsmekanismen • Ventilhus og ventil

Ventilhuset er delt i to av en mellomvegg. I denne veggen er det et hull som ventilen kan lukke. Se figur 6.37.1 hullet sitter ventilsetet. Ventilsetet er en ring som kan skrus ut. Ringen er finslipt og polert slik at den har nøyaktig samme form som ventilen, og derfor gir den god tetning. Se figur 6.38. I denne konstruksjonen kan ringen skiftes ut når den blir slitt.

Figur 6.37 Skjematisk framstilling av ventilhus og ventil

Figur 6.38 Ventilsete og ventil

Dimensjonene til reguleringsventilen bestemmes av den maksimale gjennomstrømningen. Det vil si den maksimale stoffmengden som kan strømme gjennom ventilen per tidsenhet. Denne stoff­ mengden avhenger av hulldiameteren D og ventilløftet h. Se figur 6.38. Det går imidlertid tydelig fram av karakteristikken på figur 6.39 at når ventilløftet blir stort, øker kapasiteten lite selv om vi fortsetter å øke ventilløftet. Karakteristikken, som viser kapasiteten som funksjon av tiden, viser at kurven til slutt blir horisontal. Ved flate ventiler skjer dette allerede ved små ventilløft. Forløpet til ventilkarakteristikken avhenger av formen på ventilen. Figur 6.40 viser forskjellige ventilformer.

Valg av materialer i ventil og pakninger avhenger av stoffet som skal transporteres. Pakningen er mest sårbar langs ventilstammen. Det skyldes at ventilstammen stadig er i bevegelse. Når en ventil lekker, er det som regel her.

95

Figur 6.39 Ventilkarakteristikk

Figur 6.40 Ventilprofiler

• Ventilinnstillingsmekanismer Disse mekanismene blir ofte kalt motor selv når det ikke er noen bevegelige deler. Kraften motoren må yte, avhenger av det trykket stoffet blir transportert med. V i kan dele inn ventilinnstillingsmekanismene i disse gruppene: - pneumatisk betjente - hydraulisk betjente - elektrisk betjente - termisk betjente

• Pneumatiske ventilstillere Disse mekanismene er svært robuste og pålitelige. De har stor ytelse og kan brukes i eksplosjonsfarlige rom, noe som ikke er tilfelle med elektriske ventilstillere. Figur 6.41a er en skjematisk framstilling av en pneumatisk ventilstiller. Ventilen er utstyrt med en trykkåpnende mekanisme fordi luft blir tilført under membranen. Figur 6.41b viser symbolet for en

Figur 6.41 Pneumatisk ventilstiller (trykkåpnende)

96

Figur 6.42 Pneumatisk ventilstiller (trykksluttende)

trykkåpnende ventil. Figur 6.42 viser en trykklukkende ventil med symbol. I praksis blir en trykkåpnende ventil ofte kalt ATO (engelsk: Air To Open) og en trykklukkende ventil A TC (engelsk: Air To Close). Trykket på ventilen er p • A, hvor p er lufttrykket og A arealet til membranen.

• Hydrauliske ventilstillere Denne typen blir brukt når det skal svært stor kraft til for å bevege ventilen. Ventilspindelen er da forbundet med et stempel som beveger seg i sylinderen.

• Elektriske ventilstillere

Elektriske ventilstillere kan sette ventilen i bevegelse på to måter: - med en elektromagnet - med en elektromotor

Figur 6.43 viser en gjennomskåret elektromagnetisk ventil. Spolen får bløtstålkjernen til å bevege seg, og når den har oppnådd sin høyeste hastighet, tar den ventilspindelen med (se anslagsknastene på ventilspindel B). En av ventilene er ikke synlig. Ventilspindelen er formet som en nål, slik at den lukker den vertikale kanalen mellom innløp og utløp. Den elektromagnetiske ventilen egner seg særlig godt til av/på-reguleringer. Figur 6.44 viser en ventil hvor innstillingsmekanismen er en elektromotor. På utgangsakselen til reduksjonsgiret er det en eksenterskive A. Den presser ventilspindelen mer eller mindre nedover.

B

E

A = spole B = ventilstamme C = bløtstålkjerne D = kabelinntak E = tilkoplingsklemme

Figur 6.43 Elektromagnetisk ventil

Figur 6.44 Ventil betjent av en elektromotor

97

• Termiske ventilstillere På termoknappene som ofte fins på radiatorer, blir ventilen satt i bevegelse ved at et fast stoff eller en væske utvider seg. Figur 6.45 viser noen muligheter.

a b c d e f

Væskeutvidelse. Damptrykket stiger i belgen. Temperaturen stilles inn ved å øke eller redusere fjærspenningen. Utvidelse av faste stoffer (sammenrullet bimetall). Utvidelse av faste stoffer (gummiblokk). Utvidelse ved smelting. Fyllmaterialet er voks. Kraften blir overført via gummimembranen. Utvidelse ved smelting. Trykket fra den smeltende voksen på gummien presser stempelet nedover.

Figur 6.45 Termiske ventilstillere

6.5.4 Smart power MOS Den såkalte smart power MOS er en integrert halvleder med en temperaturkorrigerende sensor (Se) og en beskyttelsesdiode (Di). Halvlederen har tre tilkoplingspunkter: porten eller styreelektroden G (engelsk: gate), kilden S (engelsk: source) og drenet D (engelsk: drain). Se figur 6.46b. Porten blir brukt som styreelektrode. Belastningen koples i serie med kilde/dren-tilkoplingen. Figur 6.47 viser et skjema hvor en smart power MOS, BTS 110 TEMPFET, er koplet som aktua­ tor. TEMPFET er en temperaturuavhengig FET-kopling. Ved svært lave effekter, for eksempel fra en datamaskinutgang (t/GS maksimum 10 V og IG maksimum 300 uA), kan strømmer ID på mer enn 10 A koples. Figur 6.48 viser karakteristikken til en TEMPFET BTS 110 /D ->■ UDS med UGS som parameter.

98

Quick reference * t/ds = 100 V * /d = 10A * 7?ds (on) = 0,2Q * N-channel (enhancement mode) * temp sensor with thyristor charac. Se = temperatursensor Di = sikringsdiode

Figur 6.46 Intern kopling og tilkoplingspunktene til en smart power MOS BTS 110

Figur 6.47 Smart power MOS koplet som aktuator

Figur 6.48 Karakteristikkene til en BTS 110 (TEMPFET)

99

6.5.5 Oppgaver • Kontrollspørsmål

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Hvilke deler er et korrigerende organ bygd opp av? Hvilken funksjon har hver av disse delene? Hvilke to forskjellige formål blir en elektromotor brukt til som korrigerende organ? Hvilke typer av posisjonsreguleringer har vi? Når blir en reguleringsventil brukt? Hva mener vi med et ventilsete? Hvorfor flater ventilkarakteristikken på figur 6.39 etter hvert ut? Hva er en trykkåpnende ventil? Når blir hydrauliske ventilstillere brukt? Hvilke typer av elektriske ventilstillere har vi? Hvorfor egner en elektromagnetisk ventilstiller seg for av/på-regulering? Nevn noen typer av termiske ventilstillere. Er termiske ventilstillere analogt virkende aktuatorer? Begrunn svaret. Hvorfor er BTS 110 en intelligent aktuator?

• Øvingsoppgaver 1

Forklar hvordan en posisjonsregulering virker ut fra skjemaet på figur 6.36. Hvorfor har potensiometeret plusspenning og minusspenning, og hvorfor ligger midten av potensiometeret til jord?

2

Gå ut fra at figur 6.39 er karakteristikken til en kjegleformet ventil. Tegn forløpet til karakte­ ristikkene for en sfærisk ventil og en hul ventil slik figur 6.40 viser.

3

Hvilke reguleringstekniske prinsipper er innebygd i en termisk ventilstiller for radiatorer?

4

Forklar hvordan koplingen på figur 6.47 virker.

5

Bestem 6.48 når L =77 10 A, LL = 5,5 V, U„Q LNog den forbrukte effekten i BTS 110 på figur D ( S = 6,5 V (for/?DS (on), se figur 6.47, kan 0,175 Q velges). Beregn deretter den opptatte effekten i belastningen. l

d

j

6.6 Prosesstyringer eller reguleringsorganer 6.6.1 Innledning

Prosesstyringen eller reguleringsorganet må omforme avviket til en signalverdi som gir det korri­ gerende organet eller aktuatoren en ny innstilling. Den nye innstillingen til aktuatoren må redusere eller eliminere avviket så raskt som mulig. 100

Ved en direkte regulator finner det ikke sted noen forsterkning i reguleringsorganet. Den energien sensoren leverer, er tilstrekkelig til å bringe det regulerende organet i den nye posisjonen. Nivåreguleringen på figur 6.49 er et eksempel på en reguleringskrets med direkte regulator. Hevarmen øker kraften, men ikke energien.

Figur 6.50 viser en reguleringskrets med indirekte regulator. Flottøren beveger slepekontakten til et potensiometer. Den spenningen potensiometeret avgir, varierer, og blir i reguleringsorganet omformet til et signal som har tilstrekkelig effekt til å drive det korrigerende organet.

Figur 6.50 Indirekte nivåregulering

Den primære funksjonen til reguleringsorganet på figur 6.50 er å forsterke det målte inngangs­ signalet. Et indirekte reguleringsorgan kan også ha som oppgave å gi reguleringen en bestemt karakter. Hva slags regulering vi får, avhenger derfor av oppbygningen og virkemåten til reguleringsorganet. Vi kan dele de forskjellige typene av reguleringer inn i to hovedgrupper: - diskontinuerlig regulering - kontinuerlig regulering

101

En kombinasjon av diskontinuerlig og kontinuerlig regulering opptrer i prosesstyringer og i reguleringer med mikroprosessor eller datamaskin.

6.6.2 Reguleringsorganet ved diskontinuerlig regulering Vi har diskontinuerlig regulering når reguleringsorganet er bygd opp slik at utgangsstørrelsen ikke kan anta alle verdier mellom en minimumsverdi og en maksimumsverdi. På figur 6.51 kan inngangsstørrelsen til reguleringsorganet anta alle verdier mellom minimum og maksimum, men utgangsstørrelsen har bare to verdier, nemlig minimum og maksimum. For å få maksimal utgangsverdi må inngangsstørrelsen overstige en bestemt verdi. Vi kaller dette av/på-regulering. Utgangssignalet er binært.

Inngangsstørrelse

Utgangsstørrelse

Figur 6.51 Diskontinuerlig regulering (av/på)

Inngangsstørrelse

Utgangsstørrelse

Figur 6.52 Diskontinuerlig regulering (tre stillinger)

Det fins også reguleringsorganer hvor forholdet mellom inngangsstørrelsen og utgangsstørrelsen forløper slik figur 6.52 viser. Her kan utgangsstørrelsen anta tre forskjellige verdier. Utgangsverdien endres når inngangsstørrelsen passerer en bestemt verdi. Reguleringen som et slikt reguleringsorgan gir, kaller vi tretilstandsregulering. Denne typen regulering er også diskontinuer-

lig-

En spesiell form for diskontinuerlig regulering er tidsproporsjonal regulering. Utgangsstørrelsen til reguleringsorganet har her diskontinuerlig karakter. Det vil si at verdien enten er minimal eller maksimal. Men middelverdien til utgangsstørrelsen er kontinuerlig og endrer seg direkte propor­ sjonalt med inngangsverdien. Det fins to typer av tidsproporsjonal regulering: - pulsbreddemodulert regulering - frekvensmodulert regulering 102

Figur 6.53 Tidsproporsjonal regulering med pulsbreddemodulasjon

Figurene 6.53 og 6.54 viser hvordan utgangsstørrelsen til reguleringsorganet oppfører seg ved for­ skjellige verdier av inngangsstørrelsen. Vi ser at ved pulsbreddemodulert regulering fører en endring av inngangsstørrelsen til at pulsbredden 7\ endrer seg, mens periodetiden T holder seg konstant.

Ved frekvensmodulert regulering holder pulsbredden I\ seg konstant, mens periodetiden Fendrer seg under påvirkning av inngangsstørrelsen. Endring av periodetiden betyr også frekvensendring, derav navnet frekvensmodulert regulering. Ved de nevnte formene for tidsproporsjonale regule­ ringer gjelder at middelverdien til utgangsstørrelsen til reguleringsorganet er direkte proporsjonal med inngangsstørrelsen. Denne middelverdien følger av forholdet TJT. Vi ser at ved tidspunktet t har kvotienten, i likhet med inngangsstørrelsen, en liten verdi. Etter tidspunktet er den imidlertid betydelig større. Ved digital regulering er vi også tilbøyelige til å snakke om diskontinuerlig regulering. Bitene i det digitale ordet som reguleringsorganet avgir, kan nemlig bare være enten på logisk 0 (lav) eller logisk 1 (høy). Men fordi hver bit har forskjellig vekt, må utgangsstørrelsen til D-A-omformeren rimeligvis følge inngangsstørrelsen. Denne utgangsstørrelsen blir amplitudemodulert av inngangs­ størrelsen slik figur 6.55 viser. Hvor nøyaktig utgangsspenningen til D-A-omformeren følger inn­ gangsstørrelsen, avhenger av vekten til den minst signifikante biten (LSB). De store sprangene i utgangsspenningen på figur 6.55 skyldes at vekten er ganske høy. Når vekten er lav, er sprangene i utgangsspenningen mindre.

103

Inngangsstørrelse

O-akse

Figur 6.55 Utgangsspenningen til en D-A-omformer ved forskjellige verdier av inngangsstørrelsen ved digital regulering

6.6.3 Reguleringsorganet ved kontinuerlig regulering

Reguleringsorganet kan være utført slik at utgangsstørrelsen kan gjennomløpe alle verdier mellom minimum og maksimum. Når reguleringsorganet er slik, snakker vi om kontinuerlig regulering. Vi har forskjellige typer av kontinuerlig regulering. De viktigste er: - proporsjonal regulering (P-regulering) proporsjonal integrerende regulering (PI-regulering) - proporsjonal differensierende regulering (PD-regulering) - proporsjonal integrerende differensierende regulering (PID-regulering) Ved P-regulering virker reguleringsorganet slik at utgangsstørrelsen har nøyaktig samme form som inngangsstørrelsen som funksjon av tiden. Betegnelsen proporsjonal går på at utgangsstørrel­ sen er direkte proporsjonal med inngangsstørrelsen. Ulempen ved P-regulering er det vi kaller statisk avvik. Når det ikke er ønskelig med statisk avvik, kan vi bruke en PI-regulering. I reguleringsorganet er det da i tillegg til den proporsjonale kretsen en integrator som opphever det statiske avviket.

Ulempen med en integrator i reguleringskretsen er at stabiliteten blir dårligere. For å gjøre denne ulempen mindre uten å miste fordelene med PI-regulatoren, bruker vi en PID-regulator. I tillegg til den proporsjonale og den integrerende kretsen inneholder PID-regulatoren en differensiator. Reguleringen får dermed en antesiperende karakter. Utgangsverdien til differensiatoren avhenger nemlig av hvor raskt inngangsverdien endrer seg. I en reguleringskrets betyr det at en raskt stigende deviasjon fører til høyere styreverdier for det korrigerende organet. Figur 6.56 er en blokkskjematisk framstilling av en P-regulator hvor en I-regulering og en D-regulering kan koples inn.

104

Figur 6.56 Blokkskjema for P-(og I- og D-) regulering

6.6.4 Mikroprosessoren eller datamaskinen som reguleringsorgan

Regulering med mikroprosessor eller datamaskin er i prinsippet diskontinuerlig regulerende prosesser. Inngangssignalene fra sensorene blir nemlig vanligvis avtastet og lagret i arbeidslageret (RAM) til datamaskinen. Ved hjelp av data fra arbeidslageret kan datamaskinen med programmet foreta beregninger og ta beslutninger. Disse beslutningene blir igjen lagret i arbeidslageret. Deretter blir utgangssignalene lest ut av arbeidslageret, og utgangene gir nye signaler til de korrigerende organene (aktuatorene). Inngangssignalene blir deretter lest inn på nytt osv. Figur 6.57 viser et slikt forløp. Syklustiden for alle disse behandlingene er så kort at det i virkeligheten er snakk om en kontinuerlig prosess. Når forskjellige prosesstørrelser må reguleres og sikrings- og alarmoppgaver må utføres samtidig med reguleringen, er det verdt å overveie om vi skal bruke en mikroprosessor eller datamaskin. Vi må tenke på at reguleringer med forskjellige transmittere, aktuatorer, sensorer og multiplekssystemer blir svært komplekse. Som vi nevnte allerede i avsnitt 6.1.1, er det fullt forsvarlig å base­ re styrings- og reguleringssystemer for prosesser på datamaskinteknologi. Figur 6.58 gir en oversikt over reguleringsutstyr i en fingert prosess koplet til en datamaskin.

Run -» programkjøring (databehandling) O + I -* IO-slag I + IG + Run + = + OG = 1 syklus

I -* 0^ IG OG —

oppkalling av inngangsdata styring av utgangene lagring i inngangsminnet lagring i utgangsminnet

Figur 6.57 Forløpet til en syklus

105

Figur 6.58 Oversikt over reguleringsutstyret i en tenkt prosessbedrift, som via et ringledningssystem er koplet til en sentral prosessdatamaskin

6.6.5 Oppgaver • Kontrollspørsmål

1 Hvilke to funksjoner kan et kontrollorgan ha? 2 Hva ligger i begrepene direkte og indirekte regulator? 3 Hvilke to hovedgrupper kan vi dele reguleringer inn i? 4 Hva er forskjellen mellom av/på-regulering og tretilstandsregulering? 5 Hvilke to grupper kan vi dele tidsproporsjonale reguleringer inn i?

106

6 7 8 9 10 11 12 13 14

15

Hva kan vi si om forholdet TJT for to forskjellige tidsproporsjonale reguleringer når vi går ut fra at inngangsstørrelsen til regulatoren (avviket) er den samme i begge tilfellene? Hva avhenger nøyaktigheten til en digital regulering av? Nevn tre typer kontinuerlig regulering. Hva er ulempen ved en P-regulering? Hva mener vi med statisk avvik? Med hvilken regulering kan vi motvirke statisk offset? Når bruker vi PID-regulering? Hvorfor er regulering med datamaskin i prinsippet diskontinuerlig regulering? Hva mener vi i reguleringsteknikken med et multiplekssystem? Forklar i denne forbindelse begrepet syklus. På hvilke steder i reguleringsskjemaet på figur 6.58 er modemet en demodulator?

• Øvingsoppgaver 1

Vis med en tegning hvordan utgangsspenningen til et reguleringsorgan forløper når vi har pulsbreddemodulasjon og avviket er: - mellom og f2: 10 % av maksimum - mellom t2 og t3: 80 % av maksimum - mellom t og t4: 50 % av maksimum Avstanden mellom disse tidspunktene er fem periodetider.

2

Som oppgave 1, men nå er det snakk om frekvensmodulasjon. Pulsbredden er 0,1 ganger avstanden mellom tidspunktene.

3

Forklar i detalj hvordan prosessreguleringen på figur 6.58 virker.

107

7

Prosessreguleringer

7.1 Prosess og regulering

7.1.1 Innledning

I avsnitt 1.4 gav vi en forklaring på hva begrepet prosess innebærer. Vi kan kort sammenfatte det slik:

En prosess er den delen av en automatisk reguleringskrets hvor fysiske og/eller kjemiske endringer foregår, og/eller hvor omforming av energi eller informasjon finner sted. Vanligvis danner en prosess den sentrale delen av reguleringskretsen. Prosessen er bindeleddet mellom det korrigerende organet og måleorganet.

Prosessen blir tilført kjent informasjon, nemlig momentanverdien til det korrigerende organet. Signalet fra prosessen er den malte verdien. En prosess har derfor alltid en inngangsvariabel og en utgangsvariabel. Se figur 7.1. Mellom disse størrelsene er det et bestemt forhold. I enkle prosesser, det vil si prosesser med bare én inngangsvariabel, kan dette forholdet fastlegges i en formel. Dersom det er flere inngangsvariabler som samtidig og i kombinasjon påvirker utgangsvariabelen, snakker vi om en multivariabelprosess. Dette emnet faller utenfor rammen av denne boka.

Inngangs­ variabel

Prosess

Utgangs­ variabel

Figur 7.1 Kjennetegn ved en prosess

Reguleringsteknisk sett blir prosessen oppfattet som en «black box», hvor bare inngangsverdiene og utgangsverdiene og forholdet mellom dem er av interesse. I praksis kan vi se på en prosess som et anlegg hvor omforming av materialer eller energi finner sted. I moderne reguleringsteknikk blir også informasjon oppfattet som materialer. Fra denne synsvinkelen er en prosess også leverandør og behandler av informasjon. Vi tenker da på lommeregnere, måleinstrumenter og prosessdatamaskiner.

108

Vanligvis er reguleringen underordnet prosessen. I moderne kjemisk og fysisk industri kan prosessene være svært komplekse og forholdet mellom inngangsvariablene og utgangsvariablene temmelig innviklet. Det kan ofte by på problemer å beherske prosessen. For å oppnå den ønskede regulerbarheten, og dermed beherske prosessen, blir den ofte delt opp i delprosesser. Delprosessene blir mindre komplekse og dermed enklere å regulere. Typen av prosess er avgjøren­ de for hva slags regulering som egner seg best. Det er med andre ord en sammenheng mellom type av prosess og reguleringsart.

7.1.2 Forholdet mellom prosess og regulering

Som eksempler på prosesser og delprosesser og den måten de best kan reguleres (beherskes) på, kan vi nevne prosesser med: tilbakekoplende regulering framoverkoplende regulering kaskaderegulering forholdsregulering dupleksregulering programregulering følgeregulering I de neste avsnittene skal vi gjennomgå praktiske eksempler på disse typene av regulering.

7.2 Eksempler på prosessregulering

7.2.1 Prosess med tilbakekoplende regulering Prosess med tilbakekoplende regulering er den mest vanlige kombinasjonen. Figur 7.2 viser det generelle blokkskjemaet for et slikt prosessanlegg. Den typiske egenskapen til denne reguleringen er at prosessverdien må endre seg målbart før reguleringsorganet kan justere prosessen via det korrigerende organet. Det tar derfor alltid en viss tid før prosessverdien reagerer på en eventuell forstyrrelse.

Klimaanlegget for et rom eller for en hel bygning er et eksempel på en prosess med tilbakekoplen­ de regulering. Prosessen består av to delprosesser: - regulering av temperatuen - regulering av luftfuktigheten

109

Kraftforsyning

Figur 7.2 Blokkskjema av en prosess med tilbakekoplende regulering

Figur 7.3 viser prinsippet for et klimaanlegg. Temperaturføleren avgir en spenning eller en strøm som avhenger av den målte temperaturen. I temperaturregulatoren blir den sammenliknet med den innstilte ønskede temperaturen. Dersom det er en differanse, blir varmtvannstilførselen til varme­ veksleren endret. Varmeveksleren sørger for at lufta som blir blåst inn i rommet av vifta, blir varmet opp eller avkjølt etter behov. Når fuktighetsgraden er for lav, blir det blåst inn damp i lufta til den ønskede fuktighetsgraden er oppnådd.

Figur 7.3 Prinsippet for et klimaanlegg

7.2.2 Prosess med framoverkoplende regulering

En framoverkoplende regulering, også kalt antesipert regulering, blir blant annet brukt når en tilbakekoplende regulering reagerer for tregt på en forstyrrelse på grunn av lang dødtid. Prosessverdien vil da stadig svinge. For å hindre dette blir den tilbakekoplende reguleringen kombinert med en framoverkoplende regulering. 110

Et typisk eksempel på en prosess med lang dødtid er temperaturregulering av en bygning med termostat. Vi kan tenke oss en mørk, kald vintermorgen hvor termostaten har stilt inn reguleringen på fullt og sola plutselig bryter gjennom. Bygningen tar da opp mye varme utenfra, mens den avgir lite varme til omgivelsene. Etter en viss tid signaliserer termostaten, som er plassert på det kaldeste stedet i bygningen, at temperaturen stiger. Men på grunn av den minimale utstrålingen er det frem­ deles mye varme i veggene slik at temperaturen vil fortsette å stige ennå en tid. Denne uønskede stigningen kan unngås dersom det er montert en ultrafiolettføler på taket. Den avgir for eksempel et signal etter at sola har skint i fem minutter. Signalet sørger da for at varmetilførselen til radiato­ rene blir stoppet før termostaten i bygningen varsler en temperaturstigning. Figur 7.4 viser prinsip­ pet for et slikt anlegg.

Figur 7.4 Blokkskjema av reguleringssystemet til en prosess med tilbakekoplende og framoverkoplende regulering

Figur 7.5 Prinsippet for prosessen til en varmeveksler med tilbakekoplende og framoverkoplende regulering

111

Et annet eksempel på en tilbakekoplende og en framoverkoplende regulering er reguleringen av en varmeveksler. Figur 7.5 viser prinsippet for denne reguleringen. Føleren T måler temperaturen til varmtvannet som blir tappet, og er begynnelsen på den tilbakekoplende reguleringen. Dersom det plutselig blir tappet mer vann, vil ikke temperaturen synke så mye med en gang at føleren øker damptilførselen via den tilbakekoplende regulatoren. Strømningsføleren F vil imidlertid reagere umiddelbart på at avtaket av varmtvann øker, og sørge for økt damptilførsel via regulatoren før vanntemperaturen har sunket nevneverdig.

7.2.3 Prosess med kaskaderegulering

Ved kaskaderegulering er det snakk om regulering innenfor en regulering, det vil si en slags «nestet» regulering. Kaskaderegulering blir brukt i prosesser med to eller flere inngangsvariabler som er avhengige av hverandre. Blokkskjemaet på figur 7.6 viser prinsippet for kaskaderegulering.

Hastighetsregulering av en likestrømsmotor med stor effekt er et eksempel på kaskaderegulering. Figur 7.7 viser prinsippet for denne reguleringen. Turtallet blir målt med en tachogenerator. Spenningen tachogeneratoren avgir, blir sammenliknet med spenningen W som er et mål på det ønskede turtallet. Via reguleringsorganet og endeforsterkeren PA blir feltstrømmen til motoren påvirket slik at det ønskede (nominelle) turtallet blir oppnådd ved nominell belastning. Dersom belastningen plutselig blir større fordi motormomentet (T = c • (f> • øker, vil ankerstrømmen øke før tachogeneratoren signaliserer at hastigheten avtar. Føleren i ankerkretsen registrerer umiddel­ bart belastningsøkningen og gir et signal til sluttforsterkeren. Den regulerer feltstrømmen slik at turtallet holder seg tilnærmet lik det innstilte nominelle turtallet. Kaskaderegulering er også en kombinasjon av en framoverkoplende og en tilbakekoplende regulering.

112

Figur 7.7 Kaskaderegulering for en likestrømsmotor

7.2.4 Prosess med dupleksregulering

I motsetning til kaskaderegulering er det ved dupleksregulering snakk om en føler, en regulator og to korrigerende organer. Se prinsippskissen på figur 7.8. Kraftforsyning

Figur 7.8 Prinsippet for dupleksregulering

Et vanlig eksempel på dupleksregulering er temperaturregulering av et galvaniseringsbad. Ved oppstart må badet varmes opp til en bestemt temperatur for at resultatet skal bli godt. Men den elektriske strømmen gjennom badet gjør at temperaturen stadig vil fortsette å stige selv uten ekstern oppvarming. Badet må avkjøles. Figur 7.9 viser prinsippskjemaet for reguleringen.

113

Figur 7.9 Regulering av temperaturen i et galvaniseringsbad

7.2.5 Prosess med forholdsregulering Det dreier seg her om prosesser med to eller flere inngangsvariabler hvor utgangsverdien avhenger av forholdet mellom inngangsvariablene. Prinsippskjemaet på figur 7.10 viser at det er to følere med bare én regulator og dermed bare ett korrigerende organ.

Kraftforsyning

Figur 7.10 Prinsippet for forholdsregulering

Et nærliggende eksempel på forholdsregulering er regulering av brennstofftilførselen til ildstedet til for eksempel en dampkjel. Forbrenningen er optimal når det er et bestemt forhold mellom tilførselen av brennstoff og luft. Den tilførte luftmengden blir regulert i hovedreguleringen avhengig av dampbehovet. Den nødvendige brennstoffmengden blir da regulert med en forholds­ regulering. Figur 7.11 viser hvordan prinsippet virker i et kjelanlegg.

114

Figur 7.11 Forholdsregulering av et kjelanlegg

Start

Forvask Forvask

2 kg

5 kg

Hovedvask

Vask

Vask

Skylling

2 skyllinger

Bløtnmgsmiddel ja

S4 nei

En skylling

Etterbehandling

Bløtning

Vannledning

Uttak Figur 7.12 Prinsippet for programprosessen i en vaskeautomat

Slutt

115

7.2.6 Prosess med programregulering I en programprosess er gangen i prosessen delt opp i et antall sekvensielle enheter. Rekkefølgen (sekvensen) blir bestemt av en eller flere velgere. Velgerne kan være brytere eller sensorer. Når et valg er gjort, ligger rekkefølgen i resten av programprosessen fast.

Vaskeautomaten er et eksempel på en programprosess. Se prinsippskjemaet på figur 7.12. Med bryterne Sl og S2 kan vi velge om vi vil ha forvask eller ikke, og om vi skal vaske 2 kg eller 5 kg tøy. Med bryter S3 velger vi temperaturen og med bryter S4 om vi vil ha bløtningsmiddel eller ikke.

7.2.7 Posisjonsstyringer og reguleringer

Et kjent eksempel på posisjonsstyring er styring av lese- og skrivehodet til et diskettdrev. I diskettdrevet roterer disketten, som er en tynn skive av kunststoff belagt med et magnetisk materiale, drevet av en motor med konstant hastighet (engelsk: constant speed motor = csm). Figur 7.13 viser den mekaniske delen av diskettdrevet.

Figur 7.13 Diskettdrev

Etter at disketten er stukket inn og låst med et håndtak, beveger sentreringskonusen seg nedover. Den koniske formen gjør at disketten blir sentrert og koplet til drivakselen på drivmotoren. Lesehodet er montert på en vogn som beveger seg i en føring radialt langs disketten. Vogna blir vanligvis drevet av en trinnmotor og en aksel med trapesgjenger som beveger seg uten slark i en 116

mutter. Fordi trinnene i motoren er fastlagt, kan den totale forflytningen av hodet beregnes ved å telle antall trinn. Det er ikke nødvendig med tilbakekopling. Vi har her åpenbart med en styring å gjøre. Ved posisjonering av lese- og skrivehodet i et platelager (harddisk) har vi posisjonsregulering. Platelageret har en lagringskapasitet som er mange ganger større enn kapasiteten til en diskett.

Platelageret består vanligvis av en stabel av harde skiver som blir drevet av en motor. Skivene roterer så hurtig at det danner seg en luftpute mellom hode og skive. Det er nødvendig for å unngå «kollisjon». På grunn av den høye sportettheten kreves det en ytterst nøyaktig posisjonering. Det er ikke mulig med en trinnmotor. I stedet blir det derfor brukt et posisjoneringssystem med tilba­ kekopling, det vil si regulering, og ikke styring. Figur 7.14 viser et enkelt blokkskjema for en slik følgeposisjonsregulering.

Figur 7.14 Blokkskjema av posisjonsregulering ved innstilling av lese- og skrivehodet i et platelager

Nummeret på det sporet vi søker, blir tilført subtraktoren som et binært ord. Nummeret på sporet der lese- og skrivehodet befinner seg, er tilgjengelig fra en teller med en optisk føler (transduser). Ved justering blir telleren nullstilt når hodet står i spor 0. Hver gang hodet passerer et spor, gir føleren en puls som øker telleren med en. Telleren angir dermed hele tiden sporet hvor hodet befinner seg. Det binære ordet som subtraktoren avgir, angir posisjonsavviket. Av dette blir den ønskede hastigheten avledet. Hastigheten avtar dermed etter hvert som posisjonsavviket blir mindre. Dermed unngår vi at hodet går forbi den søkte posisjonen fordi hastigheten er for stor. Transduseren består av et raster som er festet til en sleide og en fast oppstilt fotofølsom sensor. Den faste sensoren har også et raster, et parallellraster eller et moaré-raster. Se figur 7.15.

Ved bevegelse blir det generert en trekantspenning i parallellrasteret og en sinusformet spenning i moaré-rasteret. Begge rastertypene har sine fordeler og ulemper. Nøyaktigheten til posisjoneringen avhenger av hvor nøyaktige rasterne er.

117

Fast raster

Fast raster Bevegelig x raster

a parallell

Bevegelig x raster

b moaré

Figur 7.15 Transduser med parallellraster og moaré-raster

7.3 Oppgaver * Kontrollspørsmål

1 Hvordan definerer vi begrepet prosess? 2 Hva er forskjellen mellom enkle og multivariable prosesser? Nevn minst to eksempler av hver. 3 Hva er forskjellen mellom overføringsforholdet og forsterkningen til en prosess? 4 Tegn prosesskjemaet for et klimaanlegg, og forklar hvordan det virker. 5 Hvorfor blir en framoverkoplende regulering også kalt antesipert regulering? 6 Vis med et eksempel at antesipert regulering uten tilbakekoplende regulering som regel fungerer dårlig. 7 Påvis den antesiperte virkningen til reguleringen av varmeveksleren på figur 7.5. 8 Hva mener vi med kaskaderegulering? Når blir den brukt? Tegn prinsippskjemaet for en kaskaderegulering. 9 Hvilke to reguleringer på figur 7.7 er avhengige av hverandre? 10 Hvilke fordeler har kaskaderegulering? 11 Tegn prinsippskjemaet for en dupleksregulering. Finn et annet eksempel på dupleksregulering enn det som er nevnt i avsnitt 7.2.4. 12 Studer figur 7.12. Tegn deretter selv programmet til en vaskeautomat. 13 Ved siden av den følgeprosessen som er nevnt i avsnitt 7.2.7, kan også en Jf-f-skriver betrak­ tes som en følgeprosess. Tegn styringsskjemaet for skriveren.

118

8

8.1

Karakteristikkene til prosess og regulator

Innledning

8.1.1 Reguleringsteknisk eksempel

Vi innleder dette kapittelet med et eksempel for at det skal bli lettere å forstå problemene ved regulering av prosesser.

En gassoppvarmet ovn blir «belastet» med en ladning som ikke er konstant. Se figur 8.1. Gassbrennere bringer ovnstemperaturen opp til det ønskede nivået. Ovnstemperaturen kan stilles inn med ventilen K som regulerer gasstilstrømningen. Temperaturen i ovnen måles med termoelementet Th. Prosessen er her omforming av energi. Vi får temperaturen i ovnen til å stige ved at vi forbrenner gass. Når vi i dette kapittelet snakker om ovnsreguleringssystem, er det denne basiskoplingen vi sikter til.

x 100% Figur 8.1 Ovnsreguleringssystem

119

8.1.2 Temperaturlikevekt

I ovnsreguleringssystemet på figur 8.1 oppstår temperaturlikevekt når den ønskede verdien er lik den målte verdien. Reguleringsspenningen (deviasjonen) X- Y er da lik null. Reguleringskretsen har sin nullpunktverdi (bias). Men det er flere forhold som kan virke inn på reguleringskretsen, slik at den målte og den ønskede verdien ikke lenger er sammenfallende: Ovnsbelastningen kan endre seg. Varmeoverføringen fra ovnen til omgivelsene, det vil si varmestrålingen, kan endre seg fordi forskjellen mellom innetemperaturen og utetemperaturen endrer seg. Den ønskede verdien X kan bli endret.

8.1.3 Avvik (offset, deviasjon) De vekslende omstendigheter som ovnsreguleringssystemet må fungere under, kaller vi forstyrrel­ ser. Vi får forstyrrelser når: ovnsbelastningen endrer seg utetemperaturen endrer seg den ønskede verdien blir endret

Ved slike endringer vil den målte verdien avvike fra den ønskede. Vi får et avvik (engelsk: offset).

avvik = ønsket verdi - målt verdi => E = X - Y

8.1.4 Statiske og dynamiske egenskaper For å anskueliggjøre den virkningen en forstyrrelse har på en prosess, bruker vi karakteristikker som: statiske karakteristikker, som er tidsuavhengige dynamiske karakteristikker, som er tidsavhengige Vi antar at det oppstår en forstyrrelse i ovnsreguleringssystemet på tidspunktet f. Det tar en viss tid før avviket igjen har nådd en minimumsverdi. Dersom avviket når minimumsverdien ved tids­ punktet tx, blir tidsforsinkelsen:

Karakteristikker hvor denne tidsforsinkelsen kommer til uttrykk, kaller vi dynamiske karakteristik­ ker.

120

I dette avsnittet skal vi begrense oss til statiske karakteristikker. Det vil si at tidsforsinkelsen ikke blir tatt med i betraktningen. På figurene 8.2a og 8.2b blir ovnsreguleringen på figur 8.1 omgjort til et enkelt blokkskjema. Går vi ut fra at forløpet er lineært, kan vi regne det korrigerende organet til prosessen og giver, omformer og sammenlikningsorgan til regulatoren. Når vi snakker om statiske karakteristikker, er det derfor tilstrekkelig med de statiske egenskapene til bare to blokker, proses­ sen og regulatoren.

Gassmengde m3/h

Forhåndsinnstilling

Figur 8.2 Forenklet blokkskjematisk framstilling av ovnsreguleringssystemet

8.1.5 Inngangs- og utgangsstørrelsene til prosess og regulator

Når vi setter sammen prosessen med korrigerende organ og regulator med føler osv., kan vi gi inngangsstørrelsene til prosessen og regulatoren andre navn.

I reguleringseksempelet med ovnen kan inngangsstørrelsen til prosessen, som tidligere ble uttrykt i m3 gass per time, nå uttrykkes i utgangsstørrelsen til regulatoren, for eksempel mA. Se figur 8.2a. Når utgangssignalet til regulatoren er minimalt, er ventilen K lukket og gassmengden (m3 gass/h) minimal. Når utgangssignalet til regulatoren er maksimalt, er ventilen K åpen og gassmengden (m3 gass/h) maksimal. Fordi utgangssignalet i mA er proporsjonalt med gassmengden i m3/h, kan vi se på mA som inngangsstørrelsen til prosessen.

Som inngangsstørrelse til regulatoren kan vi i ovnsreguleringssystemet velge prosessutgangsverdien (°C). Inngangsverdien til regulatoren er gitt som fysisk størrelse, nemlig °C.

121

8.2 De statiske egenskapene til prosessen 8.2.1 Prosesskarakteristikken

Den statiske prosesskarakteristikken angir forbindelsen mellom inngangsverdien, det vil si den regulerende størrelsen, og den tilhørende utgangsverdien, det vil si den regulerte størrelsen. Se figur 8.4. Den regulerende størrelsen i ovnsreguleringssystemet er gassmengden per time kontrollert av regulatoren med normert utgangsverdi fra for eksempel 4 til 20 mA. Den regulerte størrelsen i ovnsreguleringssystemet er ovnstemperaturen i °C. Figur 8.3 klargjør begrepene regulerende og regulert størrelse. (m3/h) Regulerende størrelse

4 —20 mA

Regulert størrelse Prosess

~

i

। 1 । I I I I---------------- 1 I I--------------------------------- 1 Regulator |-------- 1

Figur 8.3 Begrepene regulerende og regulert størrelse

Regulert størrelse temperatur (°C)

Når den statiske prosesskarakteristikken skal opptas, blir tilbakekoplingen via regulatoren brutt. Inngangen til prosessen blir deretter påtrykt signaler som stemmer overens med utgangsverdien til regulatoren. For hvert påtrykt inngangssignal blir utgangsverdien til ovnen målt med et termo­ element. Den statiske prosesskarakteristikken viser forholdet mellom inngangsverdien, det vil si den regulerende størrelsen, og den tilhørende utgangsverdien, det vil si den regulerte størrelsen. Se figur 8.4.

Prosess

Regulerende størrelse (mA) Regulerende størrelse P ------------------------- ► Figur 8.4 gasstrøm (%) Prosesskarakteristikk

122

Når det er stor forskjell mellom ovnstemperaturen og omgivelsestemperaturen, øker varmestrå­ lingen til omgivelsene. Forløpet til prosesskarakteristikken blir av den grunn ikke helt lineært. Vi ser imidlertid bort fra de avvikene som dermed oppstår, og tegner prosesskarakteristikken som en rett linje.

Prosessoverføringsforholdet Hp finner vi av uttrykket: A regulert størrelse A regulerende størrelse

_ A utgangsverdi prosess A inngangsverdi prosess

I karakteristikken på figur 8.4 er: 60 C - 50 C 12mA — lOmA

= 5°C/mA

Prosesskarakteristikken blir gjengitt som en rett linje slik at overføringsforholdet Hp er det samme for et hvilket som helst punkt på linjen. Vi kan fastlegge prosesskarakteristikken i denne likningen:

utgangsverdien y = startverdien + Hp(P — Po) hvor:

Hp = overføringsforholdet Pt - inngangsverdien til prosessen Po = den nedre grensen til regulatoren

I vårt eksempel er: H - 5 °C/mA og P - 4 mA. Setter vi inn i likningen ovenfor, får vi: T-prosess = 20 °C + 5 °C/mA • (P. - 4)mA.

• Eksempel 8.1 Finn utgangsverdien til prosessen når inngangsverdien er 13 mA.

Løsning:

T-prosess = 20 °C + 5 °C /mA (13 - 4)mA = 20 °C + 45 °C = 65 °C

• Eksempel 8.2 Finn inngangsverdien til prosessen når utgangsverdien er 95 °C.

Løsning:

95 °C = 20 °C + 5 °C (Pi - 4)mA 95 °C = 20 °C + 5 • P. °C/mA - 20 °C 95 °C = 5 • P °C/mA

Inngangsverdien P blir da:

95 C

5'C/mA

= 19 mA

123

8.2.2 Endringer av prosessbelastningen

Ovnsreguleringssystemet er beregnet på å varme opp en bestemt belastning. Dersom det opptrer avvik fra den nominelle belastningen, vil temperaturen enten stige eller synke. Når belastningen er større enn den nominelle, synker temperaturen dersom prosessinngangssignalet er uforandret. Blir belastningen mindre, øker temperaturen. Se figur 8.5. Overføringsforholdet H endrer seg. Figur 8.5 viser tre prosesskarakteristikker ved forskjellige belastninger: a nominell belastning b større belastning enn den nominelle c mindre belastning enn den nominelle

Prosessforsterkningsfaktoren H blir da:

a

Hp'(nom) =

50 C - 40 C

lOmA — 8 mA

//p''(>nom)

//p'"(