Kompakt szabályozók 1. rész

1.0 Bevezetés

Két, kb. 80 oldalas zsebkönyvet tartok a kezemben, amelyet Németországban adtak ki 1968-ban és 1970-ben. A könyvek a kor technikai fejlettségi szintjén igen egyszerűen leírják a szabályozások megtervezéséhez és megvalósításához szükséges tudnivalókat.

A két könyv:
- N. Labordus: Temperature Control? Why not.
- N. Labordus: Process Control? Why not.

Magyarországon nem tudunk ilyen könyvről sem hazai szerzőtől, sem fordításban. Célszerűnek látszik hát az említett könyvekhez hasonló magyar anyag megjelentetése. Ehhez a PID.hu ideális fórumot biztosít. 
Örömünkre szolgál a PID.hu azon célja, hogy a magyar felhasználókkal megismertesse a magyar fejlesztéseket, gyártmányokat is, hogy azok a valós műszaki paraméterek + az ár alapján választhassanak eszközöket feladataik megoldására.

2.0 Tervezett témáink:

• A folyamatszabályozás alapjai
  
• A PID szabályozás
  
• Mikroprocesszoros kompakt szabályozók
  
• A szabályozók hangolása
  
• Szabályozás idő-alapjel függvény szerint (program szabályozók)
  
• A kompakt szabályozók kiegészítő elemei
  
• Kompakt szabályozók különleges alkalmazásai: hálózatok
  
• Kompakt szabályozók különleges alkalmazásai: motoros szelep
  
• Kommunikáció, adatgyűjtés, nyomtatás
  
• Alkalmazási példák
• Szabályozástechnikai értelmező kisszótár (magyar - angol)

3.0 Szabályozók - ma:

A régi, egyszerű szabályozókat a használati útmutató szerint egy átlagos műszerész is el tudta indítani, ellenben a mai mikroprocesszoros csodák leírásait az ebben járatlan szakember el se tudja olvasni. Ráadásul a fogalmakat az állandó fejlődés miatt nem lehet szabványosítani, így ugyanaz az elnevezés néha más gyártónál más fogalmat takar.

Mit tehet az, aki egy korszerű mikroprocesszoros kompakt szabályozót vásárolt?
Mindenekelőtt örülnie kell annak, hogy a szabályozója nagyon univerzális. Ma egy ilyen szabályozó magában foglalja egy 30 évvel ezelőtti műszergyár összes típusának valamennyi képességét. Emiatt ennek beállítása (konfigurálása), beépítése és hangolása szakértelmet igényel. A folyamatba beillesztett szabályozó kezelése viszont már egyszerű, a beállítástól függően csak néhány gombnyomást igényel.
A HAGA szabályozók használati útmutatójában a magyar elnevezések és ezek nemzetközileg leggyakrabban alkalmazott angol megfelelői is ott vannak. Ezért e cikkekben ezeket fogjuk használni.

A folyamatszabályozás alapjai:

A szabályozás megértéséhez a folyamat (szakasz) tulajdonságaival is foglalkoznunk kell. Végezzünk el egy kísérletet! Tegyünk fel akkora mennyiségű vizet a gáztűzhelyre, amelyet a láng nem tud felforralni! Ábrázoljuk a hőmérsékletet egy olyan diagramban, amelynek vízszintes tengelye az idő! Az ábrán láthatjuk, hogy a hőmérséklet változásának sebessége nem egyforma. Az elégett gáz mennyiségét állandónak vehetjük, tehát azt várhatnánk, hogy a melegedés sebessége is állandó lesz. Mi az ok? A kis láng meggyújtása után az edény aljának fel kell melegednie, hogy a hőt átadhassa a víznek. Ezután a víz is elkezd melegedni és hőjét átadja a hőmérőnek. Ezek az idők összeadódnak és a hőmérő csak késlekedéssel jelzi a folyamat állapotát. A fűtés folytatódik és hőmérséklet emelkedik. A melegedés miatt az edény a környezetét is melegíti. Ezt a hőt hőveszteségnek nevezzük. Amikor a hőveszteség egyenlő lesz a gázláng hőtermelésével, a melegedés T1 hőmérsékleten megáll. Nyissuk a gázcsapot és fűtsünk nagyobb lánggal! A jelenség megismétlődik, de az új egyensúlyi hőmérséklet (T2) magasabb lesz. Vizsgáljuk meg, mi történik a két egyensúlyi állapot között! A piros vonal lassan emelkedik, majd belesimul az új egyensúlyi helyzetet jelképező vonalba. Sehol nem látunk olyan jellegzetes pontot, amelyre azt mondhatnánk, idáig tart a késlekedés és itt kezdődik az új egyensúlyi állapot. A folyamat jellegét a két egyensúlyi helyzet közötti viselkedés határozza meg.

A szakasz paramétereinek meghatározása:

(PID.hu megjegyzés: A szakaszt holtidős, egytárolós arányos taggal közelítjük. Röviden: HPT1) Megrajzoljuk a görbe azon érintőjét amely a legnagyobb hőmérséklet emelkedési sebességhez (inflexiós pont, kékkel jelölve) tartozik. (Ott van a legnagyobb meredekség, ahol az érintési pontnál az érintő a görbe két oldaláról indul.) A nevezetes érintő metszi az egyensúlyi állapotokat jelképező egyeneseket.

A kimetszett szakaszok nevei az 3. ábra szerint: Holtidő (th) ami az első töréspont előtt mérhető. A "holtidő" elnevezés sajnos mást is jelent a szabályozástechnikában. Jobb lenne a feléledési idő, vagy a késlekedési idő elnevezés. Angolul: delay time.

Kiegyelítési idő (tk) az az idő, amely a két töréspont között mérhető. Angolul: equalization time. Az egyszerű magyarázat szerint a HPT1-gyel közelíthető szakaszokat szabályozhatóság alapján osztályozhatjuk a kiegyenlítési idő (tk) és a holtidő (th) hányadosa alapján:

Ez az osztályozás természetesen hozzávetőleges, de általában használható. A "nehezen szabályozható" kategóriára összetettebb, finomabban beállított szabályozást kell tennünk.

James Watt 1782-ben szabadalmaztatta a gőzgépek centrifugális szabályozóját. Ekkor született meg a gépesített nagyipar. Az 1940-es években a kutatók már összefoglalták a szabályozástechnika tudományos alapjait. Ma a szabályozástechnika önálló tudomány, amelynek eredményeit az ipar hasznosítja.

Véleményem, hogy ma a mikroprocesszoros kompaktszabályozók a szabályozástechnika egyik legfontosabb készülékei. Az elnevezés nem sokat árul el a széleskörű alkalmazhatóságról, az "autó" elnevezés is megilleti a 20 éves, szétesett TRABANT-ot és az új MERCEDES-t is, pedig van köztük némi különbség. Ezért hasznos egy kicsit elidőzni a témánál. A szabályozó működési elve a 3. ábrán látható. Bármilyen szabályozó megfelel a definíciónak, ha a vázlat szerint épül fel és PID algoritmussal állítja elő a beavatkozójelet. Ezt azért hangsúlyozzuk, mert léteznek olyan szabályozók, amelyek kívülről megtévesztésig hasonlítanak egy processzoros PID szabályozóra, de nem azok!

A digitális technika ugyanis részben megkönnyítette, részben megnehezítette az elmélet megvalósítását. A folyamat analóg jeleit digitalizálni kell és az elméleti képleteket is digitálisra kell átalakítani. Mindkét feladat nehéz és bizony veszélyeket rejt magában. Ennek szemléltetésére nézzünk egy primitív példát: Legyen egy digitális eszköznek két bemente és egy kimenete. Az egyik bemente legyen a szorzandó, például 5, a másik a szorzó. A kimeneten (kijelzőn) jelenjen meg a szorzat. A program ellenőrzése közben kiderül, hogy 5x5=23. Az eredmény mindig kettővel kevesebb. A sors kifürkészhetetlen szeszélyei miatt :o) ugyanis a programozó nem képes a matematikai képletet algoritmizálni, inkább a végeredményhez mindig hozzáad kettőt. Kívülről nézve ez egy kiváló mikroprocesszoros szorzógép. Ez nem vicc, találkozhatunk olyan mikroprocesszoros szabályozóval, amelybe műszerkönyve szerint 1-20 értékű számot (eltolás) kell beírni ahhoz, hogy pl. a kemence hőmérséklete megegyezzen az alapjellel.

Még két alapvető ismeret:

1. Nem minden számjegyes kijelzésű szabályozó mikroprocesszoros. Sok analóg van még a piacon. Ezek szolgáltatásban gyengébbek, nem célszerű ezeket modern berendezésbe beépíteni.

2. Nem minden számjegyes kijelzés nélküli szabályozó analóg. A régi kezeléshez ragaszkodó felhasználóknak gyártanak analóg kezelésű (analóg feel) mikroprocesszoros szabályozókat is (pl. HAGA). Ezek között található olyan is, amelynél a hagyományos módon, skálán lehet beállítani az alapjelet. Ezek a szabályozók ettől még mikroprocesszoros programszabályozók. Tervezés, vásárlás előtt érdemes megnézni, hogy a műszerkönyvben egyértelműen le van-e írva, hogy az egy mikroprocesszoros PID szabályozó. Legyen gyanús, ha valamilyen fura eljárást (pl. eltolás) javasol a pontosság fokozására. A tisztességes PID algoritmusnak nem kell mankó a pontos beálláshoz!