Styring og regulering

Styring har vi når vi mangler tilbakemelding fra prosessen (det vi ønsker å styre). Som et eksempel på styring kan vi tenke oss at vi ønsker at temperaturen i et baderom skal holdes på 25 grader celsius. I rommet finnes det en ovn på 2 kW som vi kan styre med en bryter plassert på utsiden, ved døren inn til badet. Styringen kan da bestå i at vi skrur på og av ovnen med jevne mellomrom i håp om at vi vil få 25 ℃ i baderommet, men uten at temperaturen måles eller at vi går inn i rommet for selv å vurdere temperaturen. Altså får vi ingen tilbakemelding.

Et annet eksempel på styring kan være kontaktorstyring av en elektromotor der vi ikke har tilbakemelding på om motorens aksling faktisk roterer med forventet turtall.

Regulering har vi når vi får tilbakemelding fra prosessen (det vi ønsker å regulere).

Som et eksempel på regulering kan vi tenke oss at vi ønsker at temperaturen i et baderom skal holdes på 25 grader celsius. I rommet finnes det en ovn på 2 kW som vi kan betjene med en bryter plassert på utsiden, ved døren inn til badet. Videre er det inne i baderommet montert et termometer med føler, med visning på utsiden over bryteren. Reguleringen består i at vi skrur på og av varmen basert på temperaturen vi leser av på termometerets skala. Altså har vi tilbakemelding på romtemperaturen. Dette vil gi oss en mer korrekt temperatur enn i eksempelet med styring.

En vanligere og mer nøyaktig løsning vil være å erstatte personen som betjener bryteren og termometeret med en termostat. Termostaten har innebygd føler (bimetall, temperaturavhengig motstand) og bryter (relé) som skrur ovnen av og på. Termostaten opptrer her som både føler og pådragsorgan. Dette kalles en av/på-regulering (diskontinuerlig regulering).

Blokkskjemaer kan benyttes til å beskrive mange forskjellige prosesser. Vi skal her se på et generelt blokkskjema som inneholder de vanligste blokkene og forklare en del ord og uttrykk som benyttes i denne sammenhengen.

Prosess

Til nå har vi sett på en temperaturprosess. Det finnes mange ulike prosesser som vi ønsker å regulere slik at vi oppnår best mulig drift av et prosessanlegg. Et eksempel kan være separasjon i forbindelse med utvinning av råolje i Nordsjøen. Det som kommer opp av borehullet, er en blanding av råolje, gass og vann. Vi ønsker å skille dette fra hverandre før det sendes videre i produksjonsanlegget. Dette gjøres i en separator hvor vi må måle og regulere nivået og trykket i separatoren samt nivået mellom olje og vann (interface-nivået). Dette krever da tre separate reguleringssløyfer.

Andre prosesser kan være å regulere temperaturen i ventilasjonsanlegg, pH-verdien i drikkevann, turtallet til en elektromotor, utslippet av klimagasser fra en fabrikk, mengden gass som transporteres i et rør, posisjonen til en fjernstyrt undervannsbåt, kursen til en ferje og viskositeten til en smøreolje. Som du skjønner, er listen uendelig lang, men eksemplene viser oss at reguleringsteknikk benyttet til prosessregulering, er noe som omgir oss både i det daglige så vel som i avanserte produksjonssystemer i industrien.

Pådragsorgan

For å få kontroll med en prosess må vi kunne regulere den energien som prosessen får tilført. Ulike prosesser har ulike medier som må reguleres.

Vi kan for eksempel regulere temperaturen i et rom ved å kontrollere den elektriske energien vi tilfører rommet, nivået i en tank med olje kan reguleres ved å kontrollere oljemengden som slippes inn i tanken i forhold til hvor mye som tappes ut, og turtallet til en motor kan reguleres ved at vi regulerer den tilførte spenningen og frekvensen i et gitt forhold. Det reguleringsutstyret som er i direkte kontakt med det innstrømmende mediet, kalles pådragsorganet. Det kan være ventilpluggen i en reguleringsventil, krafttransistoren i en frekvensomformer eller skovlene i en pumpe.

Forstillingsmekanisme

For at pådragsorganet skal kunne åpne og stenge slik vi ønsker, må vi ha utstyr som kontrollerer pådragsorganet ut fra styresignal fra regulatoren.

Forstillingsmekanismen justerer pådragsorganet slik at vi oppnår ønsket innstrøm til prosessen. Ulike pådragsorganer har ulike forstillingsmekanismer og er ofte fysisk bygget sammen til en enhet. En ventilblokk med sete og plugg (pådragsorgan) kan for eksempel være skrudd sammen med en membranmotor (forstillingsmekanisme) til en reguleringsventil. Eksempler på forstillingsmekanismer kan være en elektromotor som styrer en ventil, en elektromotor som styrer en pumpe, en pneumatisk sylinder som styrer en ventil, og en frekvensomformer som styrer en elektromotor. Et annet ord for forstillingsmekanisme er aktuator. Forstillingsmekanismene er ofte tilpasset standard styresignal fra regulatoren.

Føler

For å kunne regulere en prosess må vi også kunne måle den verdien i prosessen vi ønsker å regulere.

En føler har til oppgave å gi oss et signal som forteller oss hvilken verdi vi har i prosessen til enhver tid. Skal vi regulere temperaturen, må vi måle temperaturen i prosessen med en føler som egner seg til dette, for eksempel en temperaturavhengig motstand. Skal vi regulere nivået i en tank, kan vi med en membran som endrer kapasitansen i en kondensator, måle trykket som væsken i tanken skaper i bunnen av tanken, eller vi kan måle væskeoverflatens høyde i tanken med en ultralydføler. Det finnes en mengde ulike følere for ulike prosessmedier.

For at følerens verdi skal kunne forstås av regulatoren eller annet reguleringsutstyr, må de fysiske verdiene omformes til standardsignaler.

Dette er oppgaven til måleverdiomformeren i reguleringssløyfa. En temperaturføler som baserer seg på endring i resistans, kobles til en måleverdiomformer som gjør resistansen om til et strømsignal som blir forstått av regulatoren. En nivåføler, som baserer seg på endring av kapasitans, kobles til en måleverdiomformer som gjør kapasitansen om til et strømsignal som blir forstått av regulatoren. Føler og måleverdiomformer bygges ofte sammen til en enhet. Transmitter er et mye brukt begrep for slike enheter.

For at vi skal kunne regulere innstrømmen til prosessen ut fra på den målte prosessverdien (PV), bruker vi en regulator. Regulatoren sammenligner målt prosessverdi (PV) med ønsket verdi (SV), og hvis disse ikke er like, forsterkes avviket (PID), og regulatorens utgang (MV) øker eller minsker styresignalet til forstillingselementet.

Som vi ser på blokkskjemaet, benyttes ulike uttrykk og forkortelser i forbindelse med regulatoren:

• Ønsket verdi, skal-verdi og set value (SV) uttrykker alle den verdien som det er ideelt at prosessen skal ha.
• Målt verdi, er-verdi og process value (PV) uttrykker alle den verdien som til enhver tid er i prosessen.
• Utgangen omtales også som manipulert verdi (etter at avviket er forsterket, det vil si endret eller manipulert), manipulated value (MV).

På en regulators frontpanel og i utstyrsdokumentasjonen benyttes ofte forkortelsene SV, PV og MV.

Forsterkeren (PID) bruker ulike ledd for å få til ønsket respons i prosessen: Proporsjonalledd, Integral-ledd og Derivasjons-ledd. Du finner mer om PID-regulering under emnet "Regulatoren og optimalisering" i gjennomføringsdelen av læringsoppdraget.

Her ser vi et eksempel på bruk av blokkskjema for å beskrive en nivåregulering tilsvarende den vi skal gjennomføre som læringsoppdrag. Her har vi en regulering der vi hele tiden måler nivået i tanken og regulerer vannstrømmen inn i tanken i forhold til forbruket. Det kalles en kontinuerlig regulering.

Utstyret vi benytter i reguleringssløyfer, må ”snakke samme språk”. Det er derfor utviklet ulike signalstandarder for denne typen utstyr. Standardene oppgis med verdier fra 0 til 100 %.

Analoge standarder:

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

Digitale standarder:

• Hart
• Profibus
• Fieldbus Foundation
• RS485

Hvis det benyttes utstyr i en reguleringssløyfe som har et annet standardsignal, må vi bruke en signalomformer. En regulator kan for eksempel ha en utgang på 4–20 mA som skal styre en reguleringsventil med 0,2–1 bar. Vi kan da benytte en strøm-til-luft-omformer (IP-omformer) som gjør om signalet fra 4–20 mA til 0,2–1 bar.

Et annet eksempel kan være at en måleverdiomformer (transmitter) gir ut 4–20 mA til en regulator som skal ha 1–5 V på inngangen. Dette kan løses ved at strømsignalet går gjennom en motstand på 250 ohm koblet parallelt over regulatorinngangen.

Utstyr i en reguleringssløyfe kan være koblet på ulike måter. I læringsoppdraget vårt tar vi utgangspunkt i utstyr som er tolederkoblet. Det betyr at vi benytter de samme to lederne både til spenningsforsyning og signalledning. Dette er typisk for 4–20 mA strømsløyfe.

Ved firelederkoblet utstyr har vi separat spenningsforsyning og signalledning.