ПИД регулятор и управление температурой при использовании дискретного клапана.

    Рассматриваемая тема статьи охватывает целый ряд часто задаваемых вопросов, связанных с управлением температурой, путем регулирования подачи теплоносителя через теплообменник при помощи клапанов:
       - Можно ли использовать ПИД регулирование для управления дискретным (соленоидным) клапаном?
       - Как быстро выйдет из строя электромагнитное реле или клапан?
       - Насколько точным будет подобное регулирование?
       - Чем ПИД регулирование в этом случае будут лучше переключения по гистерезису?

                          Баки и соленоидные клапаны

    Подобные вопросы показывают, что информации по данной тематике крайне мало и инженеры не совсем представляют особенности использования такого решения и требований, предъявляемых к применяемому оборудованию, в отличии от управления клапанами с непрерывным регулированием. Надеемся, наша статья прояснит ситуацию с данным типом управления и поможет решить часто возникающие инженерные задачи, напрямую связанные с данной темой.

   Общий тезис: использовать ПИД регулирование процессов нагрева и охлаждения при помощи электромагнитных дискретных клапанов можно и нужно, но с учетом ряда ограничений и особенностей.

   Ограничения.

    В первую очередь сам объект\процесс которым мы управляем должен обладать значительной инерционностью и не требовать «быстрых» изменений своего состояния или же возмущения, влияющие на процесс, так же происходят достаточно медленно. Ярким примером является пищевая емкость (резервуар-охладитель), используемая для брожения\ферментации, расположенная в обычном промышленном помещении: температура окружающего воздуха в помещении от 18 до 25 С (в зависимости от времени года и времени суток), сам процесс брожения\ферментации дает повышение температуры от 1 до 1,5 С, требуется поддерживать температуру 5…8 С путем подачи холодной воды с кулера в рубашку охлаждения. Сходными свойства обладают процессы, связанные с охлаждением емкостей для хранения продуктов (молочных, брожения – пива, сидра, вина, сусла, соусов и т.д.), подогревом для варки, созревания или поддержания заданных свойств продуктов.

                                                                         ASCON TECNOLOGIC KUBE KM1 охлаждение бака схема

   Во-вторых, используемый ПИД регулятор на уровне алгоритма должен поддерживать данный тип управления. Это легко определить по наличию параметров в которых задается длительность циклов нагрева и охлаждения, а также соотношению мощности между ними. Понять физический смысл этих параметров легко:

  Считаем, что нас устраивает точность поддержания в dT = 2°C. Если мы хотим увеличить температуру с 20 до 22°C, открыв клапан контура нагрева, нам понадобится 30 секунд. С другой стороны, если мы хотим снизить температуру с 20 до 18 °C, открыв клапан контура охлаждения, нам понадобится 60 секунд. Исходя из этого мы получаем три параметра: нагрев 30 секунд, охлаждение 60 секунд и соотношение между ними 2 (60 сек/30 сек).

   Этими параметрами мы задаем регулятору возможности нашей системы для учета их при его авто настройке и работе. Так же желательно, что алгоритм ПИД регулирования был реализован на основе алгоритма с двумя степенями свободы (СТА 4/2006. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. Виктор Денисенко) и имел функцию компенсации перерегулирования (обычно на базе нечеткой логике), что хорошо сказывается на качестве регулирования и ресурсе силовых элементов системы.

   В-третьих, нужно учитывать ресурс реле и клапанов при такой работе. В среднем ресурс встроенных в терморегулятор электромеханических реле при максимальной индуктивной нагрузке составляет 100 000 гарантируемых срабатываний. В хорошо спроектированных системах этого ресурса хватает на срок до 6-7 лет работы, до замены прибора. Если этого ресурса недостаточно, тогда лучше использовать модели регуляторов с транзисторными выходами и промежуточные твердотельные реле. Хорошим подспорьем в контроле оставшегося ресурса работы является функция регулятора обеспечивающая подсчет количества срабатываний или времени под нагрузкой (состояния выхода включен) выходной цепи управления.

        ASCON_KUBE_counters.png ASCON_Inspst.png

   Особенности.

   Как было уже упомянуто, нужно достаточно хорошо оценить возможности контура нагрева и охлаждения по влиянию на температуру контролируемой среды\процесса и ни коем случае нельзя подбирать клапаны «с запасом» по проходному сечению.

   ПИД регулирование для подобной системы в многих случаях более оптимально с точки зрения выработки ресурса элементов системы, так как регулятор в этом случае работает не по жестким рамкам границ гистерезиса, а с учетом динамики изменения температуры.

   Использования ПИД регулирования позволяет использовать функцию предупреждения LBA (Loop Breake Alarm, отказ элементов цепи управления), которая еще до критического отклонения параметров процесса может предупредить о неисправности элементов системы, например: об отказе клапана или управляющего реле, отсутствии давления теплоносителя и т.п.

                                                                                    ASCON LBA Loop Breake Alarm - опеределение не исправности управляющего контура нагревателя или охладителя

   Решение задачи.

   Мы предлагаем для решения таких задач использовать универсальные регуляторы ASCON TECNOLOGIC серии KUBE следующих моделей:

                                                  ASCON TECNOLOGIC KM1 в шкафу управления с подключенным датчиком и клапаном

    - KM1-HCRR-D-- корпус 48х48, универсальный аналоговый вход поддерживающий типы сигналов K (ТХА), J (ТЖК), T (ТМКн), R (ТПП13), S (ТПП10), Pt100, Pt1000, мВ, мA, В, 1 дискретный вход, 1 универсальный дискретный вх/вых, 2 рел. выхода (4 и 2 А), питание 100-240 В~;

    - KM1THCRR-D-- корпус 48х48, универсальный аналоговый вход поддерживающий типы сигналов K (ТХА), J (ТЖК), T (ТМКн), R (ТПП13), S (ТПП10), Pt100, Pt1000, мВ, мA, В, 1 дискретный вход, 1 универсальный дискретный вх/вых, 3 релейных выхода (4, 2, 2 А), встроенный таймер, питание 100-240 В~;

   - KM1-HCRR-DS- корпус 48х48, универсальный аналоговый вход поддерживающий типы сигналов K (ТХА), J (ТЖК), T (ТМКн), R (ТПП13), S (ТПП10), Pt100, Pt1000, мВ, мA, В, 1 дискретный вход, 1 универсальный дискретный вх/вых, 2 рел. выхода (4 и 2 А), порт RS485 с протоколом Modbus RTU, питание 100-240 В~.

    Они отвечают всем выше перечисленным требованиям к алгоритму ПИД регулирования, включая функции Fuoc управление перерегулированием с использованием нечёткой логики и LbA (Loop Breake Alarm, отказ элементов цепи управления), а также есть защита от кратковременной подачи питания, счетчики наработки самого прибора и исполнительного механизма с выдачей уведомительного сообщения по достижению заданного значения.

    И пусть вас не пугает настройка коэффициентов ПИД – в KUBE это легко решается функцией интеллектуальной автоматической настройки EVOTune, выполняемой буквально в одно действие.

    К дополнительным преимуществам использования KUBE в таких задачах можно добавить:

       - 3-х цветный дисплей для отображения состояния процесса;

       - функцию компенсации установки датчика температуры;

       - переключение между режимами автоматического управления и индикации одним нажатием кнопки на пульте;

       - возможность удаленного переключения режима работы по дискретному входу;

       - переходник для подключения регуляторов к ПК и переносу параметров между ними;

       - интерфейсы связи с верхним уровнем: RS85 и Ethernet с протоколом Modbus.

    В случае необходимости ООО “КоСПА” готово взять на себя изготовление системы управления на базе регуляторов KUBE и ее наладку.

    Смотрите так же нашу статью: Управление клапанами и задвижками (МЭО) в системах регулирования технологического процесса.