Šiuolaikinių technologinių procesų tikslai negali būti pasiekti be valdymo sistemų pagalbos. Tai pirmiausia apsprendžia komplikuota šių procesų dinamika. Pateikiamos tipinės valdymo sistemos konfigūracijos, kurios gali būti įvairios, priklausomai nuo to, kokia informacija apie procesą yra naudojama priimti valdymo sprendimams ir kaip šie sprendimai yra realizuojami.
Valdymo sistema turi įėjimo ir išėjimo kintamuosius. Tokios sistemos reakcija yra aprašoma išėjimo kintamojo nuo įėjimo kintamojo priklausomybe. Tokios priklausomybės tarp vieno ar kelių kintamųjų paprastai aprašomos matematinėmis lygtimis, kurios yra pagrįstos fizikiniais dėsniais. Reakcijas galima nustatyti eksperimentiškai.
Pagrindinis sistemos, su įėjimo ir išėjimo kintamaisiais, kūrimo ir vaizdavimo blokine schema privalumas yra tas, kad sistemai modeliuoti (kurti) nereikia specialios įrangos, o taip pat galima susidaryti bendrą vaizdą apie visą sistemą. Tipinio technologinio proceso valdymo sistemos esmė yra stebėti proceso kintamuosius, rasti sprendimus kaip reguliuoti manipuliuojamus įėjimus ir kaip juos efektyviai realizuoti technologiniame procese, kad gauti pageidaujamą išėjimą.
Kai šių užduočių atlikimą užtikrina žmogus rankiniu būdu, tai kalbama apie rankinio valdymo sistemą (manual control system). Kai tai atliekama automatiniu metodu, t.y. įvairių įrengimų pagalba, tai kalbama apie automatinio valdymo sistemą (automatic control system). Jei tokios sistemos įrengimus valdo kompiuteris, tada visa tai vadinama kompiuterinio valdymo sistema (computer control system). Visoms sistemoms, išskyrus rankinio valdymo (su tam tikromis išimtimis) reikalinga tam tikra įranga, kuri užtikrintų tikslų, aukščiau minėtų užduočių, atlikimą. Susipažinsime su technologinių procesų valdymo sistemų pagrindais.
Sistemos Apibrėžimas ir Automatizavimas
Automatizacija - kompleksas techninių, organizacinių bei kitokių priemonių gamybos procesams vykdyti, žmogui tiesiogiai nedalyvaujant jų valdyme. Pastaruoju metu stiprėjant ekonominei konkurencijai daugumoje chemijos, biochemijos, naftos perdirbimo, popieriaus, plieno ir t.t. pramonės įmonių efektyvumui didinti vis plačiau diegiami kompiuteriai ir kompiuterių tinklai, kurie naudojami duomenų iš įvairių procesų surinkimui, duomenų apdorojimui, bei šių procesų valdymui.
Pagrindiniai Elementai
- Jutikliai (sensors): Informacijos apie išėjimo kintamųjų būklę nustatymui.
- Valdikliai (controllers): Elementas, priimantis valdymo sistemoje sprendimus.
- Perdavimo įtaisai (transmitters): Signalams iš jutiklių į valdiklius ir atvirkščiai perduoti.
- Vykdymo elementai (final control elements): Vykdo komandas, kurias duoda valdikliai.
- Kiti įrangos elementai (other hardware elements): Signalų konvertavimui iš vieno tipo į kitą.
Valdomasis kintamasis bet kokioje sistemoje gali būti veikiamas įvairių įėjimo signalų. Toks poveikis, dėka kurio valdomasis kintamasis keičiamas taip, kad atitiktų nustatytą vertę (pageidaujamą vertę), yra vadinamas valdančiuoju kintamuoju.
Reikia pažymėti, kad tik tam tikra dalis kintamųjų (išėjimo ar įėjimo) gali būti išmatuoti, tuo tarpu tam tikra dalis - ne. Tie proceso kintamieji, kuriuos galima išmatuoti tiesioginiais matavimais, yra vadinami matuojamais kintamaisiais (measured variables), likę kintamieji vadinami nematuojamais kintamaisiais (unmeasured variables).
Nepaisant to, kad išėjimo kintamieji yra apibrėžti kaip matuojami, galimi atvejai, kai išėjimo kintamieji nėra matuojami tiesiogiai (technologiniame procese neįdiegta tam reikalinga įranga), o kartais imami pavyzdžiai ir apdorojami laboratorijose ir pan.
Valdiklis yra visos valdymo sistemos kertinis elementas, kuriame padedant sumontuotai įrangai atliekamos užduotys reikalaujančios tam tikro ‘intelekto’. Valdiklio įranga gali būti pneumatinės (operuojama suspausto oro signalais) arba elektrinės (operuojama elektriniais signalais) prigimties. Šiuolaikinėse technologinių procesų valdymo sistemose labiau paplitę yra elektroniniai valdikliai. Pneumatiniai ir elektroniniai valdikliai yra naudojami palyginti paprastoms operacijoms atlikti.
Signalams iš jutiklių į valdiklius ir atvirkščiai perduoti yra naudojami perdavimo įtaisai. Valdymo signalai gali būti perduodami kaip suslėgto oro signalai arba kaip elektriniai signalai. Pneumatiniai perdavimo įtaisai yra naudojami pirmuoju atveju, o elektriniai perdavimo įtaisai - antruoju.
Vykdymo elementai vykdo komandas, kurias duoda valdikliai. Prie tokių elementų yra priskiriami įvairūs valdymo vožtuvai (paprastai pneumatiniai). Jie būna įvairių dydžių ir formų, taip pat, priklausomai nuo atliekamos operacijos, gali būti kelių padėčių.
Siunčiant informaciją iš proceso į valdiklį ir atgal, dažnai susiduriama su signalų konvertavimo iš vieno tipo į kitą problema. Pavyzdžiui, reikia elektroninio valdiklio elektrinį signalą versti į pneumatinį valdymo vožtuvo signalą. Elementai, kurių pagalba atliekamas toks signalų konvertavimas, vadinami signalo keitikliais (transducers). Jie būna įvairių tipų ir pritaikomi įvairioms signalų transformacijoms.
Sistemoms, kuriose naudojami kompiuteriai, reikalingi analoginiai - skaitmeniniai, A/S (Analog-to-Digital, A/D) ir skaitmeniniai - analoginiai, S/A (Digital-to-Analog, D/A) signalo keitikliai. Jie reikalingi todėl, kad visoje valdymo sistemoje yra naudojami analoginiai signalai (elektros įtampa arba pneumatinis slėgis), o kompiuteris gali priimti ir išsiųsti tik skaitmeninius signalus (binarinius skaičius).
Tokie kintamieji kaip slėgis, temperatūra ar srautas dažnai turi būti reguliuojami (valdomi) dideliuose įrenginiuose ar sistemose. Reguliavimas neturi keistis net ir tada, kai atsiranda kažkokių sistemos sutrikimų. Toks reguliavimas dažniausiai atliekamas uždarojo kontūro valdikliu. Valdymo inžinerija sprendžia visas problemas, kurios susijusios su tokiu reguliavimu.
Valdomas kintamasis iš pradžių yra išmatuojamas. Išmatuota vertė valdiklyje yra palyginama su pageidaujama kintamojo verte ar pageidaujamos vertės kreive. Šio palyginimo rezultatas apsprendžia, kokie veiksmai turėtų būti atlikti. Galiausiai, reikia rasti tinkamą vietą sistemoje, kur būtų galima paveikti valdomąjį dydį (pavyzdžiui. šildymo sistemos vykdiklis), Todėl būtina žinoti ir suprasti sistemos elgseną.
Uždarojo kontūro sistemos yra universalios, t.y. Tūrio srautas yra nustatomas reguliavimo sklende, esant pastoviam slėgiui, tūrio srautas tiesiogiai priklauso nuo reguliavimo sklendės padėties. Priklausomybė tarp reguliavimo sklendės ir tūrio srauto yra nustatomas arba fizikinėmis lygtimis, arba eksperimentiškai. Ši sistema gali būti valdoma nustatant reguliavimo sklendės padėtį. Tuo būdu nustatomas pageidaujamas tūrio srautas. Tačiau jei tiekiamas slėgis yra nepastovaus dydžio, tai tūrio srautas bus taip pat nepastovaus dydžio. Šioje atviroje sistemoje nustatymas atliekamas rankiniu būdu.
Standartas DIN 19226 apibrėžia uždarojo valdymo kontūrą kaip procesą, kuriame valdomasis kintamasis yra nuolat stebimas ir lyginamas su nustatytu kintamuoju (nuostatu). Nuo šio palyginimo rezultato priklauso, kaip bus paveiktas sistemos įėjimo kintamasis, kad būtų gautas pageidaujamas išėjimo kintamasis, nepaisant įvairių trikdžių.
Tarkime, kad turime palaikyti išėjimo kintamojo dydį (išėjimo kintamasis), kuris atitiktų nuostatą (nustatytąjį kintamąjį). Iš pradžių atliekamas matavimas, kuris verčiamas elektriniu signalu. Šis signalas perduodamas į valdiklį ir palyginamas su nustatyta verte. Palyginimas vyksta atimant išmatuotą dydį iš nustatytojo. Gautas rezultatas vadinamas nuokrypiu. Tam, kad, įvertinus nuokrypį, automatiškai būtų valdoma reguliavimo sklendė, reikalingas elektros variklis. Šiuo atveju elektros variklis yra vadinamas valdančiuoju elementu, kuriuo galima valdyti valdomąjį kintamąjį.
Valdiklis perduoda signalą vykdančiajam elementui, priklausomai nuo nuokrypio. Jei nuokrypio dydis yra didelis ir neigiamas, vadinasi išmatuotas tūrio srautas yra didesnis nei nustatyta vertė (nustatyto kintamojo vertė), todėl sklendė yra priveriama. Jei nuokrypio vertė yra didelė ir teigiama, vadinasi išmatuotas tūrio srautas yra mažesnis nei pageidaujamas, todėl sklendė yra atidaroma.
Jei poveikis sistemai yra staigus ir didelis, tai įtaka sistemos įėjimo kintamajam yra labai didelė. Be to, skirtingoms sistemoms (valdymo sistemoms) yra taikoma skirtinga valdymo strategija. Sistemos, kurių reakcija yra lėta, turi būti derinamos atsargiai ir apgalvotai, iš anksto numatant galimas pasekmes. Ir tai tik viena iš daugelio valdymo inžinerijos problemų, su kuriomis susiduria inžinieriai kurdami uždarojo valdymo kontūro sistemas.
Priklausomai nuo ryšių tarp sprendimų priėmimo ir informacijos surinkimo bei sprendimų įgyvendinimo struktūros, proceso valdymo sistemos konfigūracija gali turėti kelis skirtingus variantus. Supažindinsime su labiausiai paplitusiais procesų valdymo sistemų konfigūracijos variantais.
Valdymo Sistemos Konfigūracijos
Valdymo Sistema su Grįžtamuoju Ryšiu (Feedback Control)
Valdymo sistemos esmė yra ta, kad išmatuota objekto išėjimo reikšmė yra gražinama, pateikiama valdikliui. Sprendimai, kurie priimami remiantis tokia grįžtamojo ryšio informacija, vėliau yra realizuojami proceso valdymo sistemoje. Todėl tokios sistemos vadinamos grįžtamojo ryšio valdymo sistemomis (feedback control systems). Tokios struktūros sistemos yra vienos iš paprasčiausių ir labiausiai paplitusių technologinių procesų valdymo sistemų.
Esant tokiai valdymo sistemos struktūrai, trikdis veikiantis procesą pirmiausia turi paveikti proceso išėjimą, kad galėtume formuoti valdantį poveikį įėjime, t.y. sprendimas, kaip pakeisti įėjimo kintamąjį, kad ši būsena pasikeistų.
Grįžtamojo ryšio schema
Valdymo Sistema su Trikdžio Kompensavimu (Feedforward Control)
Pavaizduota situacija, kai apie trikdį yra sprendžiama ne iš išėjimo, o informacija apie jį yra siunčiama tiesiai į valdiklį. Esant tokiai valdymo sistemos konfigūracijai, valdiklio sprendimas yra priimamas dar prieš trikdžiui paveikiant procesą (sprendimas į priekį, ‘feed forward’).
Pagrindinė tokios valdymo sistemos konfigūracijos savybė yra trikdžio matavimas vietoje išėjimo kintamojo, kurį norime reguliuoti, matavimo. Ši savybė yra pagrindinis tokios sistemos privalumas. Taigi, valdiklis gauna informacija apie trikdį ir kompensuoja jį (remdamasis apytikriu proceso matematiniu modeliu) dar šiam nepaveikus proceso. Deja valdiklis negali nustatyti tokios kompensacijos efektyvumo, kadangi informacija apie proceso išėjimą į valdiklį nėra teikiama.
Trikdžio kompensavimo schema
Programinio Valdymo Sistema (Open-Loop Control)
Šiuo atveju valdiklio priimami sprendimai nepriklauso nei nuo proceso būsenos nei nuo trikdžių. Valdiklio sprendimai yra iš anksto suprogramuota proceso valdymo strategija.
Taip sistema vadinama todėl, kad valdiklis priima sprendimus neteikiant pirmenybės jokiai informacijai apie įėjimo ir išėjimo kintamuosius, t.y. informacijos srauto iš proceso į valdiklį nėra ir ‘uždaras ratas’, kaip grįžtamojo ryšio valdymo sistemos atveju, nesusidaro. Vienas iš labiausiai paplitusių tokios atviros valdymo sistemos pavyzdžių yra paprastas laiko relės pagrindu veikiantis įrenginys naudojamas šviesoforuose.
Svarbiausi proceso kintamieji, kuriais operuoja valdymo sistema turi tam tikras reikšmes, kurias reikia pastoviai palaikyti. Tos reikšmės dar yra vadinamos uždavimo reikšmės (set points). Tokių iš anksto užduotų reikšmių palaikymas yra pagrindinis proceso valdymo (rankinės ar automatinės) sistemos tikslas. Kai valdymo sistema tiktai kompensuoja trikdį ir tuo būdu palaiko išėjimo reikšmę ties jos uždavimo reikšme, toks valdymas vadinamas reguliavimas trikdžio atžvilgiu (regulatory control).
Efektyvių valdymo sistemos kūrimas yra pagrindinis procesų valdymo inžinieriaus tikslas Žemiau pateikiami etapai ir principai, kurių būtina laikytis kuriant efektyviai veikiančias valdymo sistemas.
Valdymo Sistemos Kūrimo Etapai
- Proceso įvertinimas ir valdymo tikslų nustatymas.
- Proceso kintamųjų parinkimas. Kurie bus naudojami pasiekti valdymo sistemos tikslams, aiškiai apibrėžtiems 1-jame etape.
- Valdymo struktūros parinkimas. Valdymo sistemos struktūros pasirinkimas priklauso nuo valdymo uždavinio, keliamo technologiniam procesui, prigimties.
- Valdiklio algoritmo kūrimas (controller design).
Norint išspręsti kiekviename etape numatytas užduotis ir sėkmingai sukurti proceso valdymo sistemą procesų valdymo inžinieriui reikia pilnai suprasti visą technologinį procesą, o taip pat žinoti pagrindinius procesų dinamikos ir valdymo principus.
Efektyvių valdiklių projektavimas yra pagrindinis uždavinys, kurį reikia išspręsti, norint sėkmingai valdyti procesus chemijos, biochemijos, energetikos ir kitose pramonės šakose. Priimant racionalius proceso valdymo sprendimus, reikia žinoti, kaip proceso išėjimai reaguoja į proceso įėjimus. Ši problema yra pagrindinė kalbant apie procesų dinamiką. Dėl šios priežasties procesų dinamikos pagrindai turi būti nagrinėjami prieš pasirenkant procesų valdymo algoritmus.
Sistemos dinaminė reakcija (dar vadinama reakcijos kreive - time respond) yra labai svarbus aspektas. Tai yra išėjimo kintamojo (valdomojo kintamojo) charakteristika laikui bėgant, kuri priklauso nuo įėjimo kintamojo pokyčio. Sistemos reakcija į įėjimo kintamojo staigų pasikeitimą yra vadinama šuoline reakcija.