Styring og regulering

Opne bilete i eit nytt vindauge

CC BY-NC

Bilete: NTB scanpix, Corbis

Styring har vi når vi manglar tilbakemelding frå prosessen (det vi ønskjer å styre). Som eit eksempel på styring kan vi tenkje oss at vi ønskjer at temperaturen i eit baderom skal haldast på 25 gradar celsius. I rommet finst det ein omn på 2 kW som vi kan styre med ein brytar plassert på utsida, ved døra inn til badet. Styringa kan då bestå i at vi skrur på og av omnen med jamne mellomrom i håp om at vi vil få 25 ℃ i baderommet, men utan at temperaturen blir målt eller at vi går inn i rommet for sjølv å vurdere temperaturen. Altså får vi inga tilbakemelding.

Eit anna eksempel på styring kan vere kontaktorstyring av ein elektromotor der vi ikkje har tilbakemelding på om motorakslingen faktisk roterer med forventa turtal.

Regulering har vi når vi får tilbakemelding frå prosessen (det vi ønskjer å regulere).

Som eit eksempel på regulering kan vi tenkje oss at vi ønskjer at temperaturen i eit baderom skal haldast på 25 gradar celsius. I rommet finst det ein omn på 2 kW som vi kan betene med ein brytar plassert på utsida, ved døra inn til badet. Vidare er det inne i baderommet montert eit termometer med følar, med vising på utsida over brytaren. Reguleringa består i at vi skrur på og av varmen basert på temperaturen vi les av på termometerskalaen. Altså har vi tilbakemelding på romtemperaturen. Dette vil gi oss ein meir korrekt temperatur enn i eksempelet med styring.

Ei vanlegare og meir nøyaktig løysing vil vere å erstatte personen som betener brytaren og termometeret med ein termostat. Termostaten har innebygd følar (bimetall, temperaturavhengig motstand) og brytar (relé) som skrur omnen av og på. Termostaten fungerer her som både følar og pådragsorgan. Dette kallar vi ei av/på-regulering (diskontinuerleg regulering).

Blokkskjema kan nyttast til å beskrive mange forskjellige prosessar. Vi skal her sjå på eit generelt blokkskjema som inneheld dei vanlegaste blokkene og forklare ein del ord og uttrykk som blir nytta i denne samanhengen.

Prosess

Til no har vi sett på ein temperaturprosess. Det finst mange ulike prosessar som vi ønskjer å regulere slik at vi oppnår best mogeleg drift av eit prosessanlegg. Eit eksempel kan vere separasjon i samband med utvinning av råolje i Nordsjøen. Det som kjem opp av boreholet, er ei blanding av råolje, gass og vatn. Vi ønskjer å skilje dette frå kvarandre før det blir sendt vidare i produksjonsanlegget. Dette blir gjort i ein separator der vi må måle og regulere nivået og trykket i separatoren og dessutan nivået mellom olje og vatn (interface-nivået). Dette krev då tre separate reguleringssløyfer.

Andre prosessar kan vere å regulere temperaturen i ventilasjonsanlegg, pH-verdien i drikkevatn, turtalet til ein elektromotor, utsleppet av klimagassar frå ein fabrikk, gassmengda som blir transportert i eit røyr, posisjonen til ein fjernstyrd undervassbåt, kursen til ei ferje og viskositeten til ein smørjeolje. Som du ser, er lista uendeleg lang, men eksempla viser oss at reguleringsteknikk nytta til prosessregulering, er noko som omgir oss både i det daglege så vel som i avanserte produksjonssystem i industrien.

Pådragsorgan

For å få kontroll med ein prosess må vi kunne regulere den energien som prosessen får tilført. Ulike prosessar har ulike medium som må regulerast.

Vi kan for eksempel regulere temperaturen i eit rom ved å kontrollere den elektriske energien vi tilfører rommet, nivået i ein tank med olje kan regulerast ved å kontrollere oljemengda som blir sleppt inn i tanken i forhold til kor mykje som blir tappa ut, og turtalet til ein motor kan regulerast ved at vi regulerer den tilførde spenninga og frekvensen i eit gitt forhold. Det reguleringsutstyret som er i direkte kontakt med det innstrøymande mediet, kallar vi pådragsorganet. Dette pådragsorganet kan vere ventilpluggen i ein reguleringsventil, krafttransistoren i ein frekvensomformar eller skovlene i ei pumpe.

Forstillingsmekanisme

For at pådragsorganet skal kunne opne og stengje slik vi ønskjer, må vi ha utstyr som kontrollerer pådragsorganet ut frå styresignal frå regulatoren.

Forstillingsmekanismen justerer pådragsorganet slik at vi får den innstraumen vi ønskjer til prosessen. Ulike pådragsorgan har ulike forstillingsmekanismar og er ofte fysisk bygde saman til ein eining. Ei ventilblokk med sete og plugg (pådragsorgan) kan for eksempel vere skrudd saman med ein membranmotor (forstillingsmekanisme) til ein reguleringsventil. Eksempel på forstillingsmekanismar kan vere ein elektromotor som styrer ein ventil, ein elektromotor som styrer ei pumpe, ein pneumatisk sylinder som styrer ein ventil, og ein frekvensomformar som styrer ein elektromotor. Eit anna ord for forstillingsmekanisme er aktuator. Forstillingsmekanismane er ofte tilpassa standard styresignal frå regulatoren.

Føler

For å kunne regulere ein prosess må vi også kunne måle den verdien i prosessen vi ønskjer å regulere.

Ein følar har til oppgave å gi oss eit signal som fortel oss kva verdi vi har i prosessen til kvar tid. Skal vi regulere temperaturen, må vi måle temperaturen i prosessen med ein følar som eignar seg til dette, for eksempel ein temperaturavhengig motstand. Skal vi regulere nivået i ein tank, kan vi med ein membran som endrar kapasitansen i ein kondensator, måle trykket som væska i tanken skaper i botnen av tanken, eller vi kan måle høgda til væskeoverflata i tanken med ein ultralydfølar. Det finst ei mengd ulike følarar for ulike prosessmedium.

For at følarverdien skal kunne forståast av regulatoren eller anna reguleringsutstyr, må dei fysiske verdiane omformast til standardsignal.

Dette er oppgåva til måleverdiomformaren i reguleringssløyfa. Ein temperaturfølar som baserer seg på endring i resistans, blir kopla til ein måleverdiomforma som gjer resistansen om til eit straumsignal som blir forstått av regulatoren. Ein nivåfølar, som baserer seg på endring av kapasitans, blir kopla til ein måleverdiomformar som gjer kapasitansen om til eit straumsignal som blir forstått av regulatoren. Følarar og måleverdiomformarar blir ofte bygde saman til ei eining. Transmitter er eit mykje brukt omgrep for slike einingar.

For at vi skal kunne regulere innstraumen til prosessen ut frå den målte prosessverdien (PV), bruker vi ein regulator. Regulatoren samanliknar målt prosessverdi (PV) med den verdien vi ønskjer (SV). Dersom desse ikkje er like, blir avviket forsterka (PID), og regulatorutgangen (MV) aukar eller minskar styresignalet til forstillingselementet.

Som vi ser på blokkskjemaet, blir det nytta ulike uttrykk og forkortingar i samband med regulatoren:

• Ønskt verdi, skal-verdi og set value (SV) uttrykkjer alle den verdien som det er ideelt at prosessen skal ha.
• Målt verdi, er-verdi og process value (PV) uttrykkjer alle den verdien som til kvar tid er i prosessen.
• Utgangen blir også omtalt som manipulert verdi (etter at avviket er forsterka, det vil seie endra eller manipulert) eller manipulated value (MV).

På frontpanelet til ein regulator og i utstyrsdokumentasjonen finn vi ofte nytta forkortingane SV, PV og MV.

Forsterkaren (PID) bruker ulike ledd for å få til den responsen vi ønskjer i prosessen: Proposjonal-ledd, Integral-ledd og Derivasjons-ledd. Du finn meir om PID-regulering under emnet "Regulatoren og optimalisering" i gjennomføringsdelen av læringsoppdraget.

Her ser vi eit eksempel på bruk av blokkskjema for å beskrive ei nivåregulering som svarer den vi skal gjennomføre som læringsoppdrag. Dette er ei regulering der vi heile tida måler nivået i tanken og regulerer vasstraumen inn i tanken i forhold til forbruket. Dette kallar vi ei kontinuerleg regulering.

Utstyret vi nyttar i reguleringssløyfer, må ”snakke same språket”. Derfor er det utvikla ulike signalstandardar for denne typen utstyr. Standardane blir oppgitt med verdiar frå 0 til 100 %.

Analoge standardar:

• Straum: 4–20 mA, 0–20 mA
• Spenning: 1–5 V, 0–5 V, 0–10 V
• Luft: 0,2–1 bar, 3–15 psi

Digitale standardar:

• Hart
• Profibus
• Fieldbus Foundation
• RS485

Dersom det i ei reguleringssløyfe blir nytta utstyr som har eit anna standardsignal, må vi bruke ein signalomformar. Ein regulator kan for eksempel ha ein utgang 4–20 mA som skal styre ein reguleringsventil med 0,2–1 bar. Vi kan då nytte ein straum-til-luft-omformar (IP-omformar) som gjer om signalet frå 4–20 mA til 0,2–1 bar.

Eit anna eksempel kan vere at ein måleverdiomformar (transmitter) gir ut 4–20 mA til ein regulator som skal ha 1–5 V på inngangen. Dette kan løysast ved at straumsignalet går gjennom ein motstand på 250 ohm, som blir kopla parallelt over regulatorinngangen.

Utstyret i ei reguleringssløyfe kan vere kopla på ulike måtar. I læringsoppdraget vårt tek vi utgangspunkt i utstyr som er toleiarkopla. Det inneber at vi nyttar dei same to leiarane både til spenningsforsyning og signalleiing, noko som er typisk for ei 4–20 mA straumsløyfe.

Ved fireleiarkopla utstyr har vi separat spenningsforsyning og signalleiing.