Regulace teploty v teplovzdušném tunelu

Regulace teploty v teplovzdušném tunelu (verze 1.0, listopad 2008) 1 Popis úlohy Obr. 1 Celkový pohled na sestavu úlohy Celkový pohled na úlohu je na obr. 1. Jedná se o tunel, kde je zdrojem tepla žárovka a proudění vzduchu lze ovládat ventilátorem. Lze měřit intenzitu světla žárovky, teplotu ve třech místech tunelu a průtok vzduchu dvěmi metodami. 1.1 Regulovaná soustava (teplovzdušný tunel) Pohled na teplovzdušný tunel je na obr. 2. Zdrojem tepla je žárovka, na kterou je vidět průhledem, chladicí vzduch je tunelem proháněn ventilátorem vlevo. Na výstupu vzduchu z tunelu (vpravo) jsou anemometry k určení průtoku vzduchu. Obr. 2 Teplovzdušný tunel 1/9

Pro snímání stavu soustavy slouží následující čidla: 1. fotoodpor snímající jas žárovky, 2. termistor snímající teplotu přímo na skle žárovky, 3. dva termistory různě vzdálené od baňky žárovky ve směru proudění vzduchu, 4. dva termistory tvořící termoanemometr (jeden termistor je umístěn v proudu vzduchu a druhý tak, aby kolem něho bylo minimální proudění; z rozdílu hodnot obou těchto údajů je možno spočítat rychlost proudění a tedy i průtok), 5. vrtulkový anemometr. Teploty snímané termistory jsou ovlivněny jednak proměnným napájecím napětím žárovky, jednak průtokem vzduchu v tunelu. Regulátorem můžeme řídit teplotu ve třech místech tunelu (regulované veličiny), jako akčního zásahu můžeme použít buď příkon žárovky, nebo otáčky ventilátoru. Druhá veličina pak slouží k realizaci poruchy. Poznámka: Protože jsou všechny měřené veličiny značně nelineární a žádná z nich není převáděna do standardních hodnot, tak ani údaje pro regulaci nejsou ve standardních fyzikálních jednotkách. Je třeba je chápat jako signály a pak je možné plně využívat funkcí modelu a zadání úlohy řešit. 1.2 Čelní panel Schéma ovládacího panelu je na obr. 3. Zcela vlevo je umístěn regulátor THP 482. Jeho popis následuje v dalším textu. Pod tímto regulátorem je spínač (P1), který buď zapojuje regulátor (zamáčknut) a umožňuje automatickou regulaci, nebo regulátor odpojuje (vymáčknut) a pak je umožněno ruční měření na soustavě (zjištění přechodové charakteristiky apod.). P4 M1 M2 M3 ma x 0,5 ma x 0,5 ma x 0,5 Fotoodpor T1 T2 P T3 Anemometr 1 P1 Anemometr 2 P2 P3 Ventilátor Žárovka Obr. 3 Schéma ovládacího panelu úlohy Vpravo od regulátoru je umístěno 6 vzájemně se vybavujících tlačítek (P4), které připojují na vstup regulátoru signály z jednotlivých čidel, postupně shora: fotoodpor teplota T1 (na baňce žárovky) teplota T2 (dál od žárovky ve směru proudění vzduchu) teplota T3 (nejdál od žárovky ve směru proudění vzduchu) anemometr A1 (vrtulkový) anemometr A2 (termistorový) Přepínače P2 a P3 slouží k přepínání poruchového signálu při automatické regulaci takto: Pokud regulátor řídí teplotu pomocí příkonu do žárovky ( funkce regulátoru Func je ve stavu HEAt ), je nutno stisknout tlačítko P2. Jako porucha regulačního obvodu slouží ručně ovládaný signál určující otáčky ventilátoru (potenciometrem pod měřícím přístrojem M2 (a stav P2 indikuje LED dioda pod M2) 2/9

Pokud regulátor řídí teplotu pomocí otáček ventilátoru ( funkce regulátoru Func je ve stavu Cool ), je nutno stisknout tlačítko P3. Jako porucha regulačního obvodu slouží ručně ovládaný signál určující příkon do žárovky(potenciometrem pod měřícím přístrojem M3 (a stav P3 indikuje LED dioda pod M3) Není-li regulátor v činnosti, pak na aktuálním stavu přepínačů P2 a P3 nezáleží. Analogový měřící přistroj M1 měří při vypnutém regulátoru signál z čidla podle zvoleného tlačítka na přepínači P4, při zapnutém regulátoru výstupní signál z regulátoru. Přístroje M2 a M3 měří signál pro řízení ventilátoru resp. žárovky. Tyto signály je možné ovládat příslušně označenými potenciometry umístěnými pod M2 a M3. Při vypnutém regulátoru je možno ovládat obě veličiny nezávisle na sobě, při zapnutém regulátoru jen příslušný poruchový signál. Poznámka: Je třeba počítat s tím, že příkon do žárovky je konstrukčně omezen a chladící schopnost ventilátoru je také omezena. Z toho vyplývá, že ukazované hodnoty signálu na regulátoru mají své fyzikální meze. 1.3 Zadní panel Pohled na zadní panel je na obr. 4. V jeho levé části je síťové napájení úlohy, v pravé části je konektor pro propojení signálů mezi ovládací jednotkou a teplovzdušným tunelem, zdířky pro připojení počítače nebo liniového zapisovače a přepínač pro volbu akční veličiny. Časové průběhy měřených hodnot lze buď ukládat do počítače pomocí měřící karty PC16024E a dále zpracovávat v MATLABu (prozatím není odladěno), nebo zaznamenávat analogově na zapisovači. Podle toho je potřeba do zdířek v pravé části panelu zapojit příslušné zařízení. Zároveň je třeba nastavit přepínač ručního ovládání do polohy VENT. v případě, že chceme jako poruchu ručně měnit otáčky ventilátoru, do polohy ŽÁR., jestliže chceme ručně měnit příkon žárovky. Situace je vyznačena na obrázku 5. Obr. 4 Pohled na zadní panel Obr. 5 Zapojení výstupu na liniový zapisovač na zadním panelu (vlevo pro záznam přech. charakteristiky, vpravo pro záznam reg. pochodu) 3/9

1.4 Liniový zapisovač Liniový zapisovač (obr. 6) je dvoukanálový, takže může zaznamenat časový průběh dvou veličin současně. Lze tedy při zjišťování přechodové charakteristiky zaznamenat synchronně průběh vstupu (příkon žárovky, resp. otáčky ventilátoru) a výstupu (zvolená teplota). Při ověřování funkce regulátoru zaznamenává průběh regulačního pochodu pro regulovanou veličinu (zvolená teplota) a poruchy (příkon žárovky resp. otáčky ventilátoru). Obr. 6 Liniový zapisovač Na levém panelu zapisovače se nastavují citlivosti a nulové polohy per pro jednotlivé kanály, na pravém panelu jsou přepínače rychlosti posunu papíru, tlačítka pro posun papíru vpřed a vzad (CHART spouští posun papíru vpřed, REVERSE zpět). Pod nimi jsou tlačítka pro ovládání per (LINE připojuje signál a PEN spouští a zvedá pero). Tlačítko POWER zapojuje zapisovač do sítě.citlivost kanálů a rychlost posuvu papíru je třeba nastavit tak, aby bylo maximálně využito šířky papíru a aby se záznamy daly dobře vyhodnocovat. 2 Regulátor THP 482 2.1 Všeobecný popis a vlastnosti THP 482 je číslicový PSD regulátor řízený mikroprocesorem. Hodnotu regulované veličiny (teplota) lze sledovat na červeném čtyřmístném i, žádaná hodnota regulované veličiny se zobrazuje na zeleném čtyřmístném i. Vstupním signálem je normalizovaný standardní proudový signál 0 20mA nebo 4-20 ma. Regulátor má standardní spojitý proudový výstup 0 20mA nebo 4 20 ma, nebo dvoupolohový výstup (ON/OFF). Je navíc vybaven i alarmovým výstupem, jehož operační režim a prahová hodnota jsou zcela programovatelné pomocí tří tlačítek umístěných na čelním panelu. Dalším doplňkem regulátoru je vestavěná funkce samočinného nastavování parametrů (autotunning). 4/9

2.2 Technické parametry Základní technické parametry regulátoru jsou: dva čtyřmístné e, 7 segmentů LED, 7 mm výška proudový analogový vstup 0 20 ma/4 20 ma vstupní impedance 51 ohmů proudový analogový výstup 0 20 ma/4 20 ma výstup alarmu spínací relé s kontakty 250V stř, 6 A, odporová zátěž vzorkovací čas 250 ms přesnost při 25 C lepší než 0,15% z rozsahu napájení od 90 do 240 Vstř, 50/60 Hz pracovní teplota 0 50 C skladovací teplota -10 - +70 C relativní vlhkost 30 85% (bez kondenzace) montáž do nehořlavého panelu připojení pomocí konektorů FASTON 2.3 Základní funkce regulátoru Po zapnutí regulátoru začne na horním i blikat test a na dolním se zobrazí verze použitého software r2.02. Po několika sekundách se na dolním i zobrazí žádaná hodnota a na horním velikost regulované veličiny. Regulátor pracuje ve třech režimech: Základní režim Přechází se do něj po spuštění a úvodním testování regulátoru. V tomto režimu regulátor pracuje, spodní ukazuje žádanou hodnotu a vrchní skutečnou hodnotu měřené veličiny. Režim nastavování základních veličin Do této úrovně se dostaneme několikavteřinovým držením pravého tlačítka na panelu regulátoru (označené P). Potom začne blikat číslice pro žádanou hodnotu a tuto hodnotu je možno měnit prostředním tlačítkem (šipka nahoru) a případným posunem pomocí levého tlačítka (šipka vlevo). Dalším stiskem tlačítka P můžeme změnit spodní hranici alarmu (je implicitně 0 alarm je nefunkční). Po dalším stisku P můžeme změnit horní hranici alarmu. Po dalším stisku se objeví na horním i nápis PASS a pro vstup do dalšího režimu je nutné vložit číselné heslo. Pokud nevložíme správný kód, pak po dalším stisku P se vrátíme do standardního režimu. Povolené úkony v tomto režimu může provádět běžná obsluha zařízení. Ta by neměla znát kód a tedy může měnit pouze žádanou hodnotu a případně hranici alarmu. Po delší době během níž není stisknuto žádné tlačítko přechází regulátor automaticky do základního režimu. Režim nastavování vnitřních parametrů regulátoru Jedná se o privilegovaný režim, úkony může provádět jen kvalifikovaná osoba. Do tohoto režimu se přechází po vložení hesla, které se nastavuje na dolním i. Funkce regulátoru je pak možné programovat na vyšší úrovni. Toto programování bude popsáno jen velice stručně, podrobný popis najde zájemce v manuálu, který je k regulátoru dodáván. Princip programování je sekvenční, tj. na i se postupně zobrazují jednotlivé programovatelné hodnoty a je možné je měnit. Nastavování funkcí a hodnot parametrů regulátoru se provádí v programovém režimu. Na i se při tom postupně zobrazují hlášení, která se mohou lišit podle požadovaného režimu regulátoru. Jsou uvedena v následujících tabulkách společně s možnostmi reakcí na ně. Do režimu programování se přepneme tak, že podržíme tlačítko P několik sekund až začne blikat hodnota na i. Dalším stisknutím tlačítka P se postupně objevují hodnoty podle tabulek. Jednotlivé položky se nemusí zobrazit vždy, záleží na nastavené konfiguraci. Identifikace příslušné položky je jednoznačně dána textem zobrazeným na horním i. Na dolním i se zobrazuje hodnota parametru před novým nastavením (v tabulce značeno ). 5/9

horní SEtP HSEt dolní popis rozsah žádaná hodnota hystereze u dvoupolohové regulace SPLL..SPHL 0..9999 nastavení od výrobce 1 Po dalším stisku P se zobrazí požadavek na zadání hesla: PASS vložíme kód 0381 a stiskneme P. V případě, že konfigurační parametr ALPr byl nastaven (ve vyšší úrovni programování) na no, zobrazí se ještě parametry uvedené v následující tabulce, jinak se tyto parametry zobrazí až při programování ve vyšší úrovni po zadání hesla. horní dolní AL1 žádaná hodnota alarmu AL1H horní mez okna alarmu 1 AL1L dolní mez okna alarmu 1 HAL1 hystereze alarmu 1 Alb alarm vstupu při měření proudu požadavek na heslo do vyšší úrovně programování (0381) PASS popis rozsah -999..9999/ -99,9..999,9 999..9999/..99,9..999,9 999..9999/..99,9..999,9 0,9999/ 0,0..999,9 0,0..100,0 nastavení od výrobce 1 0 Programování parametrů vyšší úrovně: horní rl1 režim pro alarm 1 RLHB režim alarmu proudu zátěže FAIL dal1 ALPr SPLL SPHL Cont Func nouzový alarm alarm 1 blokovaný programování chráněné dolní mez regulačního rozsahu horní mez regulačního rozsahu typ regulace činnost výstupu 1 Auto automatické doladění konstant PID Pb Int der tcrl rs Unit ScAL StrS EndS pásmo proporcionality integrační časová konstanta derivační časová konstanta doba cyklu 2. výstupu ruční přednastavení jednotky teploty proudový vstup začátek rozsahu konec rozsahu Aout rozsah analogového výstupu OFFt Filt kalibrace sondy konstanta digitálního filtru popis rozsah no = vypnutý (přímý) nc = zapnutý (invertovaný) rl1, rl2, rl12, no No, yes No, yes -999..9999/-99,9..999,9-999..9999/-99,9..999,9 PId = PID, OnOf = dvoupolohová HEAt = topení, Cool = chlazení LoSP = 70% žádané hodnoty SP=při žádané hodnotě 0..9999st.C 0..9999 s 0..9999 s 0..250 s -100..100 C= C, F= F, AbS= K 0..20=0-20 ma 4..20=4-20 ma -999..9999-999..9999 0=0..20mA/0..10 V no0=4..20 ma/ 2..10 V -999..9999/-99,9..999,9 0..20 nastavení od výrobce no no no no -999 999 PId HEAt LoSP 100 500 30 30 50 C 0 0 0 1 6/9

2.4 Nastavení dvoupolohové regulace Stiskneme na několik sekund pravé tlačítko P na regulátoru, postupně přejdeme až na položku PASS, vložíme heslo a postupným stiskem tlačítka P dojdeme až na funkci Cont a prostředním tlačítkem zvolíme OnOF. Další položkou je Func a zde nastavíme buď režim HEAt nebo Cool. Dalším stiskem tlačítka P postupujeme v sekvenci dále až na Filt, což je poslední položka v sekvenci nastavovaných hodnot. Tu nastavíme a po ní se regulátor vrátí do standardního stavu. Opět podržíme tlačítko P a nastavíme žádanou hodnotu (SEtP) a případně hodnotu hystereze (HSEt). Tím je regulátor nastaven. 2.5 Ruční nastavení konstant regulátoru Stiskneme na několik sekund pravé tlačítko P na regulátoru, postupně přejdeme až na položku PASS, vložíme heslo a postupným stiskem tlačítka P dojdeme až na funkci Cont a prostředním tlačítkem zvolíme typ regulace PId. Další položkou je Func a zde nastavíme buď režim HEAt nebo Cool. Dalším stiskem tlačítka P přejdeme na položku Auto, kde zvolíme nabídku no (to znamená ruční nastavení parametrů regulátoru). Další položkou je Pb (nastavení pásma proporcionality), následuje Int (nastavení integrační časové konstanty) a der (nastavení derivační časové konstanty) Dalším stiskem tlačítka P postupujeme v sekvenci dále až na Filt, což je poslední položka v sekvenci nastavovaných hodnot. Tu nastavíme a po ní se regulátor vrátí do standardního stavu. Opět podržíme tlačítko P a nastavíme žádanou hodnotu (SEtP). Tím je regulátor nastaven. 2.6 Automatické nastavení konstant regulátoru Zde je postup trochu odlišný. Nejprve je třeba nastavit žádanou hodnotu, protože regulátor ihned spouští autonomní regulační sekvenci. Stiskneme tedy na několik sekund pravé tlačítko P na regulátoru, nastavíme žádanou hodnotu (SEtP). Pak přejdeme až na položku PASS, vložíme heslo a postupným stiskem tlačítka P dojdeme až na funkci Cont a prostředním tlačítkem zvolíme typ regulace PId. Další položkou je Func a zde nastavíme buď režim HEAt nebo Cool. a Dalším stiskem tlačítka P přejdeme na položku Auto (automatické doladění konstant P, I a D), zvolíme prostředním tlačítkem režim (buď LoSP = 70% žádané hodnoty a nebo SP = při žádané hodnotě). Poslední položkou nastavovací sekvence je opět Filt. Tu nastavíme a po ní se regulátor vrátí do standardního stavu a probíhá sekvence automatického nastavování. V jeho průběhu blikají po stranách e dvě žluté bodové LED diody. Když přestanou blikat, je regulátor automaticky nastaven a začal pracovat. Nejvhodnější je nastavovat konstanty v okolí pracovního bodu. To znamená v praxi nejběžnější provozovaný režim regulace. Každá odchylka může zhoršovat regulační pochod. Také hodnotu filtračního koeficientu je vhodné nastavit na co nejmenší hodnotu (tj. 0 nebo 1). 3 Postup práce 3.1 Uvedení zařízení do provozu Postupně proveďte tyto úkony: Zkontrolujte, jsou-li připojeny propojovací kabely mezi měřenou soustavou, ovládací skřínkou a počítačem. Zkontrolujte, jsou-li všechna zařízení připojena k síťovému napětí. Zapněte ovládací skřínku síťovým vypínačem na zadním panelu, regulátor má být vypnutý (červené tlačítko vymáčknuté). Na měřené soustavě by se měl rozběhnout ventilátor a rozsvítit se žárovka. Pomocí potenciometrů (ventilátor, žárovka) vyzkoušejte funkčnost obou členů. Zapněte regulátor stisknutím červeného tlačítka pod regulátorem. Na i bliká červený nápis test a svítí zelený nápis r2.02 označující verzi použitého software v řídícím 7/9

programu regulátoru. Po několika sekundách blikání ustane a na horním indexu je zobrazena skutečná hodnota měřené veličiny a na spodním žádaná hodnota. 3.2 Ověření činnosti regulátoru v režimu ON/OFF - dvoupolohová regulace Regulujte teplotu T1 na hodnotu určenou v zadání pomocí příkonu do žárovky (režim HEAt). Jako poruchová veličina budou sloužit proměnné otáčky ventilátoru. Sledujte na grafu z počítače a nebo na zapisovači průběh regulované teploty a poruchy. Toto měření proveďte pro hodnotu filtračního koeficientu 0 a 5. Sledujte kolísání žádané hodnoty při obou nastavených hodnotách filtračního koeficientu. Porovnejte četnost zapnutí a vypnutí ohřevu a v protokolu tento jev vysvětlete. 3.3 Ověření činnosti regulátoru v režimu PID - spojitá regulace Regulujte teplotu T2 na hodnotu určenou v zadání pomocí příkonu do žárovky(režim HEAt). Jako poruchová veličina budou proměnné otáčky ventilátoru. Sledujte na grafu z počítače a nebo na zapisovači průběh regulované teploty a poruchy. Sledujte průběh regulační odchylky a akčního zásahu. Pro nastavení P, I a D konstant využijte automatického doladění konstant regulátoru. Toto doladění proveďte pro žádanou hodnotu. Regulační pochod ověřte pro hodnotu filtračního koeficientu 0 a 5. Ověřte, v jakých mezích lze zadávat poruchu, aby regulátor stačil udržet žádanou hodnotu. V protokolu logicky vysvětlete fyzikální hranice poruchy. Do protokolu uveďte hodnoty P, I a D, které regulátor automaticky nastavil. 3.4 Zjištění parametrů regulátoru vyhodnocením přechodové charakteristiky Přechodovou charakteristikou zde rozumíme odezvu regulované veličiny (teploty T1, T2 nebo T3) na skokovou změnu toho vstupu, který je v regulačním obvodu použit pro akční zásah (tj. buď signál ovládající příkon žárovky, nebo signál ovládající otáčky ventilátoru). Měření proveďte v okolí pracovního bodu, regulátor musí být vypnut. Konkrétní konfiguraci regulačního obvodu a potřebné číselné hodnoty zadá asistent. Přechodovou charakteristiku graficky vyhodnoťte, tj. stanovte hodnoty zesílení k, doby průtahu TU a doby náběhu TN. Z výsledků určete hodnoty konstant regulátoru pro zadaný typ a ze zadané tabulky. Zjištěné konstanty nastavte do regulátoru a ověřte a vyhodnoťte regulační pochod stejným způsobem jako v případě automatického nastavení parametrů. Výsledky porovnejte. Tabulka pro určení konstant P, I a D regulátoru z přechodové charakteristiky: typ regulátoru zesílení integrační časová konstanta derivační časová konstanta P TN k TU - - PI 0,9 TN k TU 3,33 TU - PID 1,2 TN k TU 2 TU 0,5 TU 4 Zpracování výsledků Proveďte všechny úkoly uvedené v zadání. V protokolu stručně popište postup práce a případné problémy, které se během ní vyskytnou. Do protokolu přiložte záznamy ze zapisovače se zakresleným postupem vyhodnocení a uveďte příslušné výpočty a zjištěné hodnoty konstant. 8/9

Dále přiložte záznamy regulačních pochodů pro všechny tři režimy (dvoupolohová regulace, spojitá regulace s ručně zjištěnými parametry regulátoru a s automaticky nastavenými parametry regulátoru. Regulační pochody vyhodnoťte a výsledky porovnejte. Poznámky k práci: Je-li regulátor vypnut (červené tlačítko P1 je vymáčknuté), nesvítí jeho. Tlačítka P2 a P3 nejsou ve funkci (nezáleží na jejich poloze). Potenciometrem vlevo je možno ovládat proud do ventilátoru, tento proud je ukazován měřícím přístrojem M2. Potenciometrem vpravo je ovládán proud do žárovky a ten je indikován přístrojem M3. V tomto režimu je možno měřit přechodové charakteristiky soustavy. Je-li regulátor zapnut, potom podle stavu tlačítek P2 a P3 je možno pomocí potenciometrů měnit poruchovou veličinu (P2 - otáčky ventilátoru při nastavení regulátoru do režimu topení, P3 - příkon žárovky při nastavení regulátoru do režimu chlazení) Na zadní stěně ovládací skřínky jsou dvě čtveřice zdířek. Jednoduché zdířky se používají na připojení k počítači pomocí měřicí karty a pro sledování regulačního pochodu za pomocí MATLABu. Další dvě dvojice šroubovacích zdířek slouží pro připojení liniového dvoukřivkového zapisovačetz4620. Jedna křivka zaznamenává průběh výstupu (hodnoty regulované veličiny) a druhá průběh vstupu (skokové změny při záznamu přechodové charakteristiky nebo poruchy při záznamu regulačního pochodu). Signály zapojte do oddělených vstupních zdířek (červené a černé) zapisovače. Páčkový přepínač přepněte na tu veličinu, která odpovídá zaznamenávanému vstupu (VENT.... ovládání otáček ventilátoru, ŽÁR.... ovládání příkonu žárovky). Na zapisovači nastavte vstupní citlivost 0,2 V/rozsah. Rychlost posunu papíru nastavte na 6 cm/min. Posun papíru se spouští tlačítkem CHART vpravo na panelu. Posun papíru spouštějte jen když potřebujete zaznamenat průběh, rovněž tak zapisovací pera (spouštějí se tlačítky PEN A a PEN B). Tlačítka LINE A a LINE B umožňují zobrazit oba průběhy napětí. Průběh zapisovaných hodnot napětí A předbíhá průběh hodnoty B o 10 mm (pera jsou vůči sobě posunuta ve směru časové osy, aby se mohla při záznamu míjet). Je třeba s tím při vyhodnocování počítat. Vzdálenost vodorovných čar předtištěných na záznamovém papíru je také 10 mm a tedy skokovou změnu je nejvhodnější provádět v okamžiku, kdy pero zapisovače právě protíná vodorovnou čáru. Zpracovali: Karel Handa, Bohumil Jakeš, Miloš Kmínek 9/9