A vezérlés és a szabályozás alapjai: Nyitott és zárt hurkú rendszerek
A technológia és az automatizálás világában gyakran találkozunk a vezérlés és a szabályozás fogalmával. Bár mindkettő irányítási folyamat, lényeges különbségek vannak közöttük, melyek megértése alapvető fontosságú a modern rendszerek működésének megismeréséhez. Ez a cikk a vezérlés és a szabályozás alapjait mutatja be, kitérve működési elveikre, komponenseikre és modern alkalmazásaikra.
Elsőbbségadás sorozat 1. rész: az alapelvek
Mi a különbség a vezérlés és a szabályozás között?
Gyakran összekeveredik bennünk a szabályozás és a vezérlés fogalma, éppen ezért mindenekelőtt tisztáznunk kell e két irányítási folyamat lényegét.
A szabályozás egy zárt kör, melynek feladata egy adott jellemző állandó értéken tartása. Ennek elérésére visszacsatolást alkalmaz a rendszer, egy érzékelő segítségével mért változásra reagál. A szabályozott jellemző értéke visszahat a szabályozó berendezésre. Ebből következik, hogy a szabályozó és a szabályozott berendezés között kétirányú kapcsolat van.
A vezérlés ezzel szemben nyitott kör, nincs visszahatással a vezérelt folyamatra. A vezérelt berendezés nem hat vissza a vezérlőre. A hatások (a szervek közötti kapcsolatok) egyirányúak, a jelek egy irányba terjednek.
Nézzünk meg egy egyszerű példát: egy adott szoba hőmérsékletének beállítását. Vezérlési parancsnak tekinthetjük azt, ha adott mértékben kinyitjuk a radiátort.
Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss
A vezérlés: Nyitott hatásláncú irányítás
A vezérlés nyitott hatásláncú irányítás. A vezérelt berendezés nem hat vissza a vezérlőre. A hatások (a szervek közötti kapcsolatok) egyirányúak, a jelek egy irányba terjednek.
Vezérlési vonal működési vázlata
A működési vázlaton alkalmazott jelképek:
- négyszögek - ezek jelképezik a szerveket, ezeknek irányítási szempontból önálló feladatuk van,
- vonalak - a szervek közötti kapcsolatot jelentik,
- nyilak - a hatásirányt jelképezik.
A négyszöggel ábrázolt szerveket felirattal azonosítjuk. A négyszögek bemenetein, illetve kimenetein lévő jeleket egyezményes rövidítéssel jelöljük. - vezérelt jellemző.
A vezérlőberendezés
A vezérlőberendezés végzi az irányítás feladatát. Önműködő vezérlések esetén ez a berendezés váltja ki az ember munkáját. Feladata a módosított jellemző értékének beállítása olyan értékre, hogy a vezérelt jellemző megfelelő legyen. A vezérlőberendezés részei: vezérlő készülék és a beavatkozó szerv. A vezérlőkészülék kimenőjele a beavatkozó jel, ennek feladata a beavatkozó szerv állapotának megváltoztatása.
A vezérelt berendezés
A vezérelt berendezés a termelést végző műszaki berendezés. A vezérelt berendezés vezérelt jellemzőjének megváltoztatásához az áramló anyagmennyiséget, vagy energiát - ez a módosított jellemző - kell megváltoztatni.
Megbízható INA vezérlés autóba
A szabályozás: Zárt hatásláncú irányítás
A szabályozás zárt hatásláncú irányítás. A szabályozások vezetőjele határozza meg az alapjelképző által előállítandó alapjel értékét. Az alapjelképző szerv állítja elő az alapjelet. Az alapjel értéke határozza meg a szabályozott jellemző értékét.
Szabályozási kör működési vázlata
Az érzékelő szervünk a szabályozott jellemző állapotáról szerez információt. Ennek az információnak, az érzékelő kimenő jelének a neve ellenőrző jel. A szabályozásokban a rendelkező jelet a különbségképző szerv hozza létre. Ez a jel nem más, mint az alapjel és az ellenőrző jel különbsége. Ennek értéke dönti el a beavatkozás nagyságát és irányát. Az erősítő szerv kimenetén jelenik meg a végrehajtó jel. A végrehajtó jel határozza meg a végrehajtó szerv állapotát, helyzetét. A beavatkozó jel a végrehajtó szerv kimenő jele. A beavatkozó szerv bemenő jele. Ennek értéke határozza meg a beavatkozó szerv állapotát, a szabályozott berendezésbe való beavatkozás mértékét. Ez a módosított jellemző. A módosított jellemző értéke befolyásolja a szabályozott jellemzőt.
A szabályzóberendezés
A szabályzó berendezés a szabályozott jellemző értékét a szabályozó berendezéshez tartozó érzékelő szerv figyeli, ez biztosítja a visszacsatolást. A szabályozó berendezés hatásirányban utolsó szerve a beavatkozó szerv, ez változtatja meg a szabályozott berendezésben a módosított jellemzőt.
Kézi és önműködő (automatikus) irányítás
Az irányítási folyamatok lehetnek kézi vagy önműködő (automatikus) jellegűek, mind a vezérlés, mind a szabályozás esetében.
- Az adott folyamat kézi szabályozásakor, a folyamat jellemzőjét ugyancsak az operátor érzékeli és avatkozik be a folyamatba.
- Önműködő (automatikus) a vezérlés, ha az indítójelet valamilyen kapcsoló elem (pl. kapcsoló óra) szolgáltatja.
- Az adott folyamat automatikus szabályozásakor, a szabályozni kívánt jellemző értékét az érzékelő szerv érzékeli.
Automatikus az irányítás, amikor az irányításhoz sem emberi érzékelésre, illetve kiértékelésre, sem emberi beavatkozásra nincs szükség.
A vezérlés és szabályozás modern alkalmazásai
A vezérlés, szabályozás ma már elengedhetetlen egy korszerű épületben. Az épületek energiaköltségének jelentős részét a hűtés és a fűtés teszi ki (csaknem 70 százalék), a többi a szellőztetésre, világításra és egyéb komfortot kielégítő célokra fordítódik. Nem csak bonyolultnak tűnő vezérlő, szabályozó rendszerek léteznek, éppen ezért haladjunk az egyszerűbb megoldásoktól az épületek teljes automatizáltsága felé. Megközelítésünk gyakorlatias szemszögből mutatja be az előforduló problémákat, és arra mutat megoldásokat.
Komplex irányítási rendszerek
Az irányítási rendszerekben a nyitott hurokban üzemelő vezérléseknek és a zárt hurokban üzemelő szabályozásoknak együtt kell működniük. A folyamatirányítási rendszer összetettsége alapján beszélhetünk egyedi gépek (műveletek), gépláncok (műveletláncok), géprendszerek illetve a folyamatok komplex irányításáról. Az egyedi és a komplex irányítás is lehet kézi vagy önműködő, illetve vezérlés vagy szabályozás. A komplex irányítás - széles körben elterjedt - kézi irányítású változata a központi diszpécser-irányítás.
A vezérlések általában logikai feltételek teljesítését biztosítják például a rendszer megfelelő feltételeknek eleget tevő elindításához, leállításához, a korlátok betartásának ellenőrzéséhez, vészhelyzetek kiküszöböléséhez. Hasonlóképpen gyakoriak voltak az egyhurkos mennyiség, nyomás, szint, stb. szabályozások kompakt szabályozókészülékekkel, amelyekben megvalósult a szabályozott jellemző.
Technológiai folyamatok irányítása
A technológiai folyamatok teljesítményének és bonyolultságának növekedése (pl. 50MW-ról 1000MW-ra nőtt az erőművi blokkok egységteljesítménye) egyre kifinomultabb irányítástechnikai megoldásokat igényel. Az ilyen típusú feladatok megoldásához szükséges az irányítástechnikai tervező rendszerben az együttműködéshez szükséges szabályozási és vezérlési blokkok készletének megléte.
Például egy gázturbina az I&C (Instrumentation and Control) programjában lévő indítás lefutó vezérlés működésének megfelelően 7-8 perc alatt (20-30 vezérlési lépést végrehajtva, 8-10 szabályozási kört megfelelő alapjellel ellátva) eléri a 170MW célterhelést, kompenzálva a hálózat termelés - fogyasztás egyensúlyi üzemzavarát.
A PID szabályozó és a lefutó vezérlés
Egy korszerű PID szabályozó áttekintő elvi sémája az 1. ábrán látható. A PID (Proportional-Integral-Derivative) szabályozók a leggyakrabban használt zárt hurkú szabályozó típusok, amelyek számos üzemmóddal rendelkeznek:
- Automatikus (aut) üzemmód. Kézi/aut üzemmód impulzus paranccsal állítható.
- Szelepvezérlő (trace) üzemmód.
- Belső alapjeles üzemmód.
- Külső alapjeles üzemmód. A belső/külső alapjel üzemmód impulzus paranccsal állítható.
A kézi vagy szelepvezérlés üzemmódokból az automatikus üzemmódba való lökésmentes átkapcsoláshoz szükséges, hogy a kézi üzemű - vagy programból jövő - szelepparancs jelet az automatika üzem parancstárolója kövesse.
A lefutó vezérlést és annak blokkjait az IEC61131 szabvány specifikálja. A lefutó vezérlés az üzemeltetés vezető idősorrendben egymásután következő, lépésszerű tevékenységeit valósítja meg az I&C alkalmazásával a technológiai folyamat kezelése céljából. A szabványra azért van szükség, hogy a különböző cégek (Siemens, ABB, Emerson, stb.) által szállított blokk készlet elemei hasonló módon lássák el a funkcióikat.
A lefutó vezérlésben az init blokk (fejblokk) az első, ez aktív az indítás előtt automatika üzemben. Az utolsó blokknak Transition logikának kell lennie, mert innen ugrik vissza a program az Init blokkra feladatának elvégzése után. A blokkok futási sorrendjét a lefutó vezérlés blokksémája rögzíti (2. ábra).
Az indító blokk (initblokk) kezeli a lefutó vezérlés kézi és automatika üzemállapotait, kézi ill. A transition blokkokba kell beírni a továbblépés logikáját. Egy step blokk az aktivizáló jelet a tov bemenetére kapja az előtte lévő transition blokkból. A step blokkhoz megadható egy várakozási idő. Ezen idő letelte után történik a továbblépés vizsgálata, ha a technológia így igényli. Például, indulás után fix szelepállás, majd 10 perc leteltével egy másik művelet következhet.
Az irányítástechnikai program jelekkel dolgozik, amelyek egy funkcióazonosító kódból és egy jelkódból állnak. A szabályozó funkcióazonosító kódja 00GHC10DF001, az _XQ10 jelkód az 1. alapjelének értékét, az _XQ11 a 2. alapjelét jelöli. A 00GHC10EC001 lefutó vezérlés XS01 jele a szabályozót kézi üzembe kapcsolja, majd egy perc eltelte után a 00GHC10EC001_XS03, azaz a 3. lépés következik. 10 perc lejárta után a 00GHC10EC001_XS04 (4. lépés) kerül aktiválásra.
tags: #vezérlés #zártkörű #vezérlés #szabályozás #alapjai