Bezpečnost chemických výrob N111001 Petr Zámostný místnost: A-72a tel.: 4222 e-mail: petr.zamostny@vscht.cz Základní pojmy z regulace a řízení procesů Účel regulace Základní pojmy Dynamické modely regulačních obvodů 1
Reaktor s exotermní reakcí Q[kW] Q r Q r nestabilní ustálený stav Q C stabilní ustálený stav Q C Q C Q r r KA T T T 0 E T Hr V r r0 exp RTT0 T 0 V H r T[K] Reaktor s exotermní reakcí Dynamický systém složení reakční směsi a teplota se mohou měnit v čase Samovolné chování a. reaktor se ustálí ve stabilním ustáleném stavu b. teplota neustále roste ujetí teploty Přinucení reaktoru k jinému chování REGULACE, Řízení procesu 2
Proč řídit provoz zařízení Např. reaktor s exotermní reakcí vyšší teplota = vyšší rychlost reakce při vysoké teplotě nelze dosáhnout stabilního ustáleného stavu Provoz v nestabilním ustáleném stavu s regulací regulace eliminuje vznikající odchylky od ustáleného stavu Kvalita regulace vs. efektivita procesu Často při provozu nesmí dojít k překročení některých limitů (např. teplota) Čím blíže k limitu lze zařízení provozovat, tím vyšší může být efektivita např. rychlost reakce roste s teplotou, ale od nějaké teploty se začnou objevovat nežádoucí produkty 3
Terminologie Cíl regulace (Setpoin - co se má regulací dosáhnout (jaká hodnota) Řízená veličina veličina, jejíž hodnota se regulací upravuje Nastavovaná (akční) veličina veličina, jejíž hodnotu lze přímo nastavit (a ovlivňuje hodnotu řízené veličiny) Akční člen (actuator) zajišťuje změnu nastavované veličiny Senzor zjišťuje hodnotu řízené veličiny Ovladač dává pokyny akčnímu členu Porucha (disturbance) odchylka od normálu, způsobí výchylku řízené veličiny Příklad: řízení auta Cíl regulace: udržet auto na silnici... Řízená veličina: poloha auta na silnici Nastavovaná veličina: úhel otočení předních kol Akční člen (actuator): volant, ruce řidiče Senzor: oči řidiče Ovladač: řidič, mozek řidiče Porucha (disturbance): zatáčka na silnici 4
Příklad: výměník tepla Řízená veličina: teplota výstupního proudu Nastavovaná veličina: průtok chladícího média Akční člen: regulační ventil na přívodu chladiva Senzor: termočlánek na výstupním proudu Porucha: změna teploty vstupního proudu Nejjednodušší regulace Stabilizace vstupů Omezená použitelnost omezené možnosti nastavení podmínek citlivost na poruchy, nestailita 5
Řízení se zpětnou vazbou Porucha Nastavená hodnota + - Ovladač Akční č. Proces Řízená veličina Senzor Princip zpětnovazební regulace Aktuální hodnota řízené veličiny je měřena Aktuální měřená hodnota je porovnána s nastavenou hodnotou Rozdíl hodnot určí akci, která se provede 6
Typy zpětnovazební regulace Řízení On-Off, např. běžný termostat Ruční řízení operátorem PID regulátory obecný regulátor se třemi složkami interpretace odchylky proporcionální, diferenciální a integrální Regulátory založené na modelu model vypočítá optimální regulační zásah pro uvedení systému na požadovanou hodnotu Regulace s dopřednou vazbou Měření hodnot vstupních veličin Analýza poruch model databáze člověk Kompenzace vlivů poruch nastavením akční veličiny 7
Modely regulačních systémů Regulační systémy ovlivňují proces akčním členem s vlastní dynamikou Proces dynamicky reaguje na změny v nastavované veličině Odezva procesu je měřena čidlem s dynamickou charakteristikou Modely regulačních systémů jsou dynamické Automatické měření veličin Čidla termočlánky, tlakové senzory, automatické váhy, konduktometry mají určitou dynamickou charakteristiku Analyzátory periodický odběr a analýza vzorků mají určitou prodlevu 8
Dynamická charakteristika senzoru dt dt s 1 Ts T T s» dynamické chování vyjádřeno časovou konstantou» T skutečná teplota» T s snímaná teplota Dynamický model off-line analyzátoru C s( A C( t ) C( C meas ( A Čas, s 9
Akční člen Pneumaticky řízený ventil pro regulaci průtoku Příklad instalace F 1 F 2 T 1 T 2 3-15 psig Thermowell T Air Thermocouple millivolt signal T sp Pneumatic Controller 3-15 psig Transmitter Air 10
Časová charakteristika akčního členu df dt 1 v F spec F F spec F 0 2 4 6 8 10 Čas, s Dynamický model úrovně hladiny F in L LT F out A c dl dt F in F out 11
Dynamický model úrovně hladiny df dt A out c dl dt s dl dt 1 Fout, spec v 1 Ls F in F F L L out out s akční člen na výtoku ze zásobníku proces (zásobník) senzor Cvičení Nasimulujte časovou závislost výšky hladiny v zásobníku o vodorovném průřezu 1 m 2. Přítok kolísá v rozmezí 9 11 l.s -1 =NÁHČÍSLO()*2+9 Odtok je regulován on/off regulací na 0 nebo 15 l.s -1 tak, aby se výška hladiny v zásobníku držela na 10 m. Časové konstanty dynamických charakteristik senzoru a akčního členu jsou 2 a 10 s 12
PID Regulátory Zavedeny ve 40. letech minulého století jednoduché robustní ověřené Dnes tvoří asi 80 % instalovaných regulátorů proporcionální, diferenciální a integrální složky regulace Rovnice PID regulátoru e( y( y set y řízená veličina e odchylka řízené veličiny 1 t d e( c( Kc e( e( dt D 0 I dt c nastavovaná veličina K c proporcionální zesílení regulátoru τ I integrační čas τ D derivační čas 13
Účinek PID regulátoru 1 c( c t 0 Kc e( e( dt D 0 I d e( dt 1 c( c t 0 Kc e( e( dt D 0 I c nastavovaná veličina e odchylka řízené veličiny s obráceným účinkem d e( dt s přímým účinkem Příklad: regulace hladiny F in L LT LC F out» Pozitivní účinek nastavované veličiny na odchylku» průtok roste, hladina roste» Použít regulátor s přímým účinkem 14
Příklad: regulace hladiny F in L LT LC F out Negativní účinek nastavované veličiny na odchylku průtok roste, hladina klesá Použít regulátor s obráceným účinkem Nasycení regulátoru Akční veličina může pracovat pouze v určitém rozmezí teoretická hodnota c( c max použitá hodnota * c ( c max c( c( c c max min * c ( c( c( c min * c ( c min 15
Vliv proporcionální složky Funkce Posunuje řízenou veličinu směrem k nastavené hodnotě intenzitou úměrnou regulační odchylce Výhody přímý jednoduchý opravný účinek snadná implementace i bez elektroniky Nevýhoda neřeší regulační odchylku v ustáleném stavu (offse Vliv integrální složky Funkce eliminuje dlouhodobé trendy v řízené veličině (offse může být nenulový v ustáleném stavu Výhoda nástroj k eliminaci offsetu Nevýhody způsobuje nestabilitu (oscilace) zpožděná odezva, nutno kombinovat s P- regulátorem 16
Unášení integrace Řízená veličin a Čas Načtení velké integrační odchylky v okamžiku, kdy systém přechází mezi stavy při nasycení regulátoru Unášení integrace Protiopatření vypnutí integrace při změnách stavu zařízení najíždění odstávky vypnutí integrace při nasycení regulátoru 17
Vliv derivační složky Funkce predikuje budoucí stav systému Výhoda zvyšuje robustnost Nevýhody zvyšuje oscilace obsahuje-li měřený signál šum e( d d de( / dt e( současné ( budoucí ( t ) d Filtrování měřených veličin y f ( f y ( (1 f ) y ( t s f Filtrování redukuje dopad šumu metodou klouzavých průměrů Filtrování měření řízené veličiny způsobuje prodlevu v regulaci f- faktor filtrování (0-1) 18
Typické odezvy zpětnovazebního řízení Bez řízení systém dosáhne nového ustáleného stavu Proporcionální zrychlená dynamika systému, menší offset PI eliminuje offset, vyvolá oscilace PID zmenší oscilace zrychlí účinek Proporcionální řízení Čas Bez řízení 19