TYPOWE REGULATORY STOSOWANE TYPOWE REGULATORY STOSOWANE
W INŻYNIERII ŚRODOWISKA W INŻYNIERII ŚRODOWISKA --
Wprowadzenie Wprowadzenie
Wykład 4 Wykład 4
REGULATORY REGULATORY
BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
- Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym, że energię niezbędną do działania pobierają za pomocą czujnika z obiektu regulacji.
- Z tego powodu nazywane są również regulatorami bez energii pomocniczej.
- W regulatorze bezpośredniego działania element pomiarowy, regulator, napęd i element wykonawczy najczęściej stanowią jedną całość.
- Zaletą tych urządzeń jest prosta budowa i niski koszt.
- Wadą ich jest mała dokładność regulacji spowodowana
odchyłką statyczną i histerezą oraz możliwość realizacji
wyłącznie regulacji stałowartościowej.
REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
- Zazwyczaj regulatory te wykonywane są jako proporcjonalne P bez możliwości zmiany współczynnika wzmocnienia oraz realizacji regulacji programowej.
- Wartość współczynnika wzmocnienia wynika z konstrukcji regulatora oraz właściwości obiektu regulacji.
- Wartość zadana w regulatorach tego typu
nastawiana jest mechanicznie.
Zastosowanie regulatorów bezpośredniego Zastosowanie regulatorów bezpośredniego
działania działania
Regulatory bezpośredniego działania w systemach inżynierii środowiska stosowane są do regulacji:
– temperatury (termostaty przygrzejnikowe, ograniczniki temperatury powrotu, regulatory temperatury ciepłej wody),
– ciśnienia (regulatory i reduktory ciśnienia), – różnicy ciśnień ( regulatory różnicy ciśnień),
– przepływu (regulatory i ograniczniki przepływu), – poziomu (regulatory poziomu wody).
Wykonywane są również jako wielofunkcyjne regulatory
bezpośredniego działania, na przykład w ciepłownictwie
do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu
wody sieciowej w węźle.
REGULATORY TEMPERATURY REGULATORY TEMPERATURY
• Termostat grzejnikowy wraz z zaworem grzejnikowym tworzy pracujący bez energii pomocniczej regulator temperatury o bezpośrednim działaniu ciągłym typu P.
• Urządzenie sterujące (termostat) składa się z:
• - czujnika temperatury,
• - popychacza
• - oraz zadajnika.
• Zawór grzejnikowy zawierający element nastawczy
(grzybek) stanowi zespół wykonawczy.
Termostat grzejnikowy
Termostat grzejnikowy
Termostat grzejnikowy Termostat grzejnikowy
• W czujnikach termostatów grzejnikowych wykorzystywane są następujące zjawiska fizyczne zachodzące pod wpływem temperatury:
- rozszerzalność cieplna cieczy,
- rozszerzalność cieplna ciał stałych,
- zmiana prężności pary nad powierzchnią cieczy,
- zmiana objętości substancji w czasie krzepnięcia i
topnienia.
Regulator temperatury c.w.u.
Regulator temperatury c.w.u.
bezpośredniego działania bezpośredniego działania
• Termostat z nastawnikiem wartości zadanej, kapilarą oraz czujnikiem temperatury pracującym na zasadzie adsorbcji
.
Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień i przepływu różnicy ciśnień i przepływu
• Urządzenie regulacyjne składa się z regulatora, zaworu regulacyjnego i siłownika.
• Sterowanie zaworem regulacyjnym odbywa się przez wykorzystanie energii przepływającego medium bez konieczności doprowadzania energii zewnętrznej.
• Wzrost różnicy ciśnień zamyka lub otwiera
zawór.
Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień Regulatory bezpośredniego działania różnicy ciśnień ––
zasada działania zasada działania
• Regulowana różnica ciśnień ∆p wytwarza na powierzchni membrany siłownika siłę
Fm = ∆p × A
• Siła ta porównywana jest na trzpieniu grzyba z siłą napięcia sprężyny Fs odpowiadającą wartości zadanej.
• Siła napięcia sprężyny może być regulowana na nastawniku wartości zadanej lub zadana na stałe.
• Jeżeli zmienia się wartość różnicy ciśnień ∆p, a wraz z nią również siła Fm, grzyb zaworu przesuwany jest do momentu, gdy Fm=Fs.
• Dla zadanej powierzchni membrany A stała sprężyny nastawczej określa wielkość współczynnika wzmocnienia Kp oraz zakres proporcjonalności Xp.
• Urządzenia są regulatorami proporcjonalnymi sterowanymi za pomocą medium.
REGULATORY DWUSTAWNE
REGULATORY DWUSTAWNE REGULATORY DWUSTAWNE
• Regulacja dwustawna jest regulacją nieciągłą, w której wielkość sterująca przyjmuje tylko dwie wartości minimalną lub maksymalną, w zależności od tego czy sygnał uchybu jest dodatni czy ujemny.
• Minimalna wartość wielkości sterującej jest zwykle oznaczana jako umowne 0 a maksymalna jako 1.
• Wartość 0 oznacza wyłączenie sygnału wyjściowego z regulatora a wartość 1 pełne włączenie sygnału wyjściowego.
• Przełączenie sygnału sterującego następuje po przejściu sygnału uchybu przez obszar nazywany strefą histerezy.
• Histereza pełni w tym przypadku pozytywną rolę zapobiegania zbyt częstemu działaniu mechanizmu załączającego regulatora (np. styki elektryczne) oraz zmniejsza częstotliwość załączania urządzeń wykonawczych.
Przykładowy przebieg wartości regulowanej w Przykładowy przebieg wartości regulowanej w
układzie z regulatorem
układzie z regulatorem dwustawnym dwustawnym
Histereza H = 2K
τ 0
y(τ)
14°C 12°C
załącz c.o.
wyłącz c.o.
H = 2K
Te
12°C 14°C
Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwoma granicami strefy histerezy.
Jakość regulacji dwustawnej ocenia się na podstawie amplitudy, częstotliwości oraz wartości średniej oscylacji.
Jak wynika z rys. amplituda drgań wielkości regulowanej może być zmniejszona przez ograniczenie szerokości obszaru histerezy. Spowoduje to jednak zwiększenie częstotliwości przełączeń regulatora oraz liczby zadziałań elementów wykonawczych, co może niekorzystnie wpłynąć na trwałość tych urządzeń.
Regulatory dwustawne Regulatory dwustawne
• Regulatory dwustawne są proste w budowie i działaniu oraz niedrogie.
• Najczęściej wykonywane są jako regulatory elektryczne sterujące napędami silnikowymi lub elektromagnetycznymi.
• W klimatyzacji i ciepłownictwie znalazły szerokie zastosowanie jako urządzenia zabezpieczające przed niedopuszczalnym spadkiem lub wzrostem temperatury (termostaty) oraz ciśnienia (presostaty).
• Służą także jako regulatory wilgotności (higrostaty)
oraz regulatory poziomu cieczy.
TERMOSTATY TERMOSTATY
• Termostatem nazywamy urządzenie składające się z czujnika temperatury i regulatora.
• W termostatach najczęściej stosowane są czujniki rozszerzalnościowe:
• bimetalowe,
• prętowe
• lub membranowe.
TERMOSTATY TERMOSTATY
• Różne termostaty elektryczne: a - bimetalowy,
b - prętowy, c – membranowy.
TERMOSTATY TERMOSTATY
• Sprężyna bimetalowa to zwinięte razem dwa metalowe paski o różnej rozszerzalności cieplnej.
• Czujnik prętowy stanowią dwa powiązane ze sobą pręty. Jeden z materiału o dużej rozszerzalności cieplnej, drugi wykonany z inwaru, charakteryzujący się znikomą rozszerzalnością cieplną.
• Czujniki membranowe (ew. z kapilarą)
wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieczy
(nafta) i gazów (butan, fluorowęglowodór np.freon)
oraz zjawisko adsorbcji.
Presostaty
Presostaty -- presostat różnicy ciśnień presostat różnicy ciśnień
Presostat z wyświetlaczem wartości zadanej
Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (również nadciśnienia i podciśnienia), monitorowanie i sterowanie ciśnieniem różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji filtrów i awarii wentylatorów.
Przykłady zastosowania presostatów Przykłady zastosowania presostatów
• Zabezpieczenie kotłów
• Zabezpieczenie agregatów chłodniczych
• Zabezpieczenie wymienników płytowych przed oszronieniem
• Kontrola sprężu wentylatorów
• Kontrola stanu filtrów
Sposób montażu i nastawiania wartości Sposób montażu i nastawiania wartości
zadanej presostatu
zadanej presostatu
Presostat różnicy ciśnień
Presostat różnicy ciśnień -- konstrukcje konstrukcje
Inne konstrukcje są stosowane dla powietrza i gazów oraz inne dla cieczy.
Element pomiarowy:
• Mieszki sprężyste lub membrana z gumy lub silikonu (w zależności od parametrów). Odkształcenie membrany powoduje zwarcie lub rozwarcie styku elektrycznego.
• Półprzewodnikowe oporniki na membranie wykrywają mechaniczne odkształcenie i generują wyjściowy sygnał elektryczny. Ułożenie kilku oporników na powierzchni membrany kompensuje wpływ temperatury.
• Ciśnienie przełączające jest nastawiane w zadanym
zakresie (np. 100...600mbar) poprzez pokrętło regulujące
napięcie sprężyny.
Regulatory cyfrowe
Regulatory cyfrowe
Regulacja DDC przy zastosowaniu Regulacja DDC przy zastosowaniu
mikrokomputera mikrokomputera
• Aktualnie w automatyzacji urządzeń i instalacji technologicznych w inżynierii środowiska są powszechnie stosowane regulatory cyfrowe i sterowniki.
• Regulatorami cyfrowymi nazywane są małe urządzenia mikroprocesorowe głównie realizujące funkcje regulacyjne jak np.: cyfrowy regulator temperatury, cyfrowy regulator przepływu itp.
• Bardziej rozbudowane urządzenia mikroprocesorowe z
przewagą funkcji sterowania nazywane są sterownikami.
Regulacja DDC Regulacja DDC
Do istotnych zalet układów DDC należy możliwość:
- realizacji dowolnie złożonych algorytmów sterowania, włącznie ze sterowaniem optymalnym i adaptacyjnym,
- ciągłego pomiaru i rejestracji wartości dowolnych parametrów procesu,
- przetwarzania danych pomiarowych,
- wykrywania i sygnalizacji stanów awaryjnych,
- zwiększenia dokładności sterowania na skutek dokładniejszej identyfikacji obiektu regulacji.
Cyfrowe układy scalają regulację, sterowanie i optymalizację.
Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera
• Podstawowa różnica pomiędzy regulatorami analogowymi i cyfrowymi polega na tym, że w regulatorach analogowych sygnały analogowe ulegają ciągłej obróbce a w regulatorach cyfrowych następuje zamiana sygnału analogowego na cyfrowy (binarny) następnie obróbka sygnału i ponowna zamiana na sygnał analogowy (rys.).
• Ponadto sygnały w regulatorach cyfrowych są próbkowane co ustalony odstęp czasu (cykliczny charakter pracy).
• Obliczenia cyfrowe wykonywane są tylko dla dyskretnego czasu zamiast w sposób ciągły, potrzebny jest więc impulsator po stronie wejściowej i ekstrapolator po stronie wyjściowej.
Regulator cyfrowy
y
m A/D Mikro- D/Aw
komputer
Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego
RAM chip
EPROM chip
CPU mikro- procesor
Zegar
Moduł
wejścia Moduł
wyjścia szyna danych
szyna adresów szyna sterowania
Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego
(mikrokomputera)
(mikrokomputera)
Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Budowa regulatora cyfrowego (sterownika)
• Mikroprocesor CPU (Central Processing Unit) jest elementem głównym mikrokomputera, który rozumie sformułowane w programie rozkazy i steruje składnikami systemu w nadawanym przez zegar takcie systemowym, w zaprogramowanej kolejności.
• Mikroprocesor komunikuje się z pamięcią, w której przechowywane są programy podstawowe, dane oraz programy użytkowe.
• W pamięci roboczej RAM (Random Access Memory) zapisywane są wyniki pośrednie. Mogą tam być zapamiętywane dane zmienne, jak wartości zadane, nastawy regulatora, harmonogramy czasowe.
• Dane te muszą pozostać w pamięci również po wyłączeniu napięcia sieciowego, dlatego ta część mikrokomputera posiada zasilanie bateryjne.
• W pamięci operacyjnej są zapisane programy wprowadzane przez producenta sterownika, projektanta systemu automatyki lub samego użytkownika. W zależności od sposobu zapisu rozróżnia się następujące rodzaje pamięci stałej: typu EPROM, EEPROM i FLASH EPROM.
Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Budowa regulatora cyfrowego (sterownika)
• Interfejs (PORT) służy do wprowadzenia do regulatora informacji w postaci cyfrowej (binarnej), np. o położeniu łączników oraz wysyłaniu z regulatora cyfrowych sygnałów wyjściowych, np. do przekaźników i lampek kontrolnych. Wyjścia mogą być również podłączone do drukarek raportów roboczych, do nadrzędnego komputera lub do systemu BMS.
• Moduły wejściowe i wyjściowe sprzęgają sterownik z obiektem sterowania. Elementem modułów są przetworniki analogowo-cyfrowe A/C i C/A oraz bloki wejść i wyjść cyfrowych (interfejs).
• Przetworniki stosowane są w celu wprowadzenia do sterownika informacji o wielkości analogowej mierzonej na obiekcie np.
temperaturze, ciśnieniu, wilgotności, napięciu, prądzie itp.
• Sygnały w postaci analogowej muszą być przetworzone na sygnał cyfrowy (binarny), gdyż tylko w takiej postaci sterownik może te informacje wykorzystać
Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Budowa regulatora cyfrowego (sterownika)
• Sterowanie urządzeniami wykonawczymi układu regulacji może być realizowane przy pomocy sygnałów cyfrowych i analogowych. Wszystkie sygnały wychodzące z mikrokomputera mają charakter binarny, dlatego w celu wytworzenia sygnałów analogowych na wyjściu ze sterownika stosowane są przetworniki cyfrowo-analogowe C/A.
