Prosessi- automaatio

Mitä on prosessiautomaatio? Automaatiolla ohjataan nesteitä jauheita kaasuja energiaa

Sisältö: Säädön idea PI-kaaviot Prosessien yleiset ominaisuudet Säätöpiirin rakenne ja toiminta 2-pistesäätö, liukuva 2-pistesäätö PID-säätö Säätöpiirin viritys

Säätöpiiri se tämäkin Älä hermostu, korvataan sinut auto- maatilla ! Yritän pitää pintaa vakaana ! Ja joku #*$ häiritsee !

Kyllä automaatti jaksaa LV LIC LT

Prosessiautomaation kuvaus Prosessi- ja instrumentointikaaviot PI-kaaviot tärkeimmät prosessilaitteet ja automaatiotoiminnot Säätökaaviot kaikki toiminnot yksikäsitteisesti Toimilohkokaaviot automaatiolaitteiden sisäiset toiminnot

Prosessien yleiset ominaisuudet Prosesseissa on: potentiaali-/energiatasoero virtaus virtausvastus potentiaalienergiavarasto (kapasitanssi) liike-energiavarasto (induktanssi)

Prosessit automaation kannalta Tärkeätä on, miten prosessi vastaa annettuihin herätteisiin, ohjauksiin Automaation kannalta on samantekevää mikä on prosessin fyysinen muoto

Lohkokaavioesitystapa suure 1 Prosessi- laitos 2 Prosessi- laitos 1 Prosessilaitos 1 vaikuttaa prosessilaitokseen 2 suureen 1 välityksellä esim. virtaus, paine, lämpötila

Lohkokaavioesitystapa Kopioituminen Summa Erotus Vahvistus Kaaviosta yhtälöön Yhtälöstä kaavioon

Ohjaus / Säätö Ohjaus Control Säätötekniikkaa Takaisin kytketty säätö Closed Loop Control Feed Back Control Myötäkytketty säätö Feed Forward Control Ohjaus Open Loop Control Säätötekniikkaa

Takaisinkytketty säätö Säätöpiirin rakenne Asetusarvo Ohjausarvo Toimisuure Säädetty suure Säädin + Säätö- elin Toimi- yksikkö Prosessi - Eroarvo Eroelin Mittausarvo Oloarvo Mittalaite 20

SÄÄTÖTAVAT (Vakioarvosäätö) Ohjelmasäätö (Asetusarvosäätö) Sarja- eli kaskadisäätö Suhdesäätö

Testifunktiot Jotta järjestelmästä saataisiin tietoa, siihen pitää vaikuttaa Standardoituja tapoja vaikuttaa prosessiin (yksikköimpulssi) yksikköaskel (yksikköpenger) (yksikkösini)

Säätöelimet Epälineaariset Lineaariset Kaksipiste Liukuva kaksipiste PID 33

Esimerkki: Inhimillinen säätöpiiri Taustahäly Opettaja Ryhmä Säätötekninen haaste: Miten opettajan tulee toimia, jotta taustahäly menisi nollaan?

Esimerkki: Taloudellinen säätöpiiri Tulos Talous päällikkö Talous Säätötekninen haaste: Miten talouspäällikön tulee toimia, jotta tulos olisi positiivinen?

Hyvä säätöpiiri Millainen se on? Ziegler-Nichols: Säädin Prosessi Asetus Mittaus Ensimmäinen ylitys on 4 * toinen ylitys

Hyvä säätöpiiri Viritys askelvastekokeella Ziegler-Nichols: Säädin Manual Prosessi Asetus Mittaus 1. Määritä: Vahvistus, viive, aikavakio 2. Parametrit taulukosta

Kiitokset mielenkiinnosta!

Prosessit - mitä ne ovat? tapahtumia, jotka tapahtuvat määritellyssä ympäristössä (esim. prosessilaitoksessa)

Lohkokaavioesitystapa Kopioituminen

Lohkokaavioesitystapa Summa + A A + B + B

Lohkokaavioesitystapa Erotus + A A - B - B

Lohkokaavioesitystapa Vahvistus 7

PI-kaaviot Sisältää: tärkeimmät prosessilaitteet tärkeimmät instrumentit SFS 5019 Instrumentoinnin piirrosmerkit prosessikuvauksen

Lohkokaavioesitys Harjoitus: Kirjoita alla olevaan lohkokaavioon kussakin linjassa oleva tietosisältö: + + D A 5 - + B C 14

Lohkokaavioesitys Harjoitus: Kuvaa lohkokaaviolla lauseke: A = 3*C + 2*(D+E) + B 14

Suure Jokin mitattavissa oleva ominaisuus

Rakennuksen keskuslämmitys Ohjaus (Open Loop Control) Kolmitie venttiili Kiertovesi- pumppu 20 C Huone H 80 C 50 C 80 C Kattila 30 C 18

Rakennuksen keskuslämmitys Myötäkytketty säätö( Feed Forward Control) ulkolämpötila-anturi TIC 20 C Kolmitie venttiili Kiertovesi- pumppu Huone TV 80 C 80 C 50 C Kattila 30 C Kiertoveden lämpötila riippuu ulkolämpötilasta 18

Rakennuksen keskuslämmitys Takaisinkytketty säätö( Feed Back Control) TIC 20 C Kolmitie- venttiili Kiertovesi- pumppu Huone TV 80 C 80 C 50 C Kattila 30 C Sisälämpötila pidetään haluttuna muuttamalla kiertoveden lämpötilaa 19

Säätöpiirin suureet Suureiden toiminta-alueet Asetusarvo 0 ... +100 % Mittausarvo 0 ... +100 % Eroarvo -100 ... +100 % Ohjausarvo 0 ... +100 % Oloarvo prosessisuure Toimisuureen arvo prosessisuure

- + Säätimen vaikutus + + - - Suora vaikutus - Direct Käänteinen vaikutus - Reverse Asetusarvo Eroarvo Asetusarvo Eroarvo + + + - - - Mittausarvo Mittausarvo 39

Säädin - Toimintatapa Auto Manual Käsi Säätöelin Säätöelin + - Ohjausarvo säätöelimeltä Ohjausarvo käsin 39

Säädin - Ulkoasu Liitännät 100 Toimintatapa Manual / Auto M/A D/R Vaikutus Direct / Reverse Mittausarvo Asetusarvo Ohjausarvo Käsiohjaus Asetusarvon asettelu MSO 20

Säädin - Perusliitännät Mittaus 4 ... 20 mA Ohjaus 4 ... 20 mA Esim. venttiilille Esim. painelähettimeltä Vastus 250 ohm U = I*R 20

Toimiyksikkö Ohjaus- arvo Toimisuure Toimilaite moottori sylinteri Toimielin pumppu venttiili 20

Pneumaattinen kalvotoimilaite ja istukkaventtiili Kuvassa pneumaattinen ohjaus. Jos säädin on sähköinen tarvitaan I/P-muunnin

Muuntimet I/P-muunnin (virta-/paine-muunnin) P I muuttaa virtaviestin 4 ... 20 mA paineviestiksi 20 ... 100 kPa syöttöpaine 140 kPa P virta sisään I paine ulos 22

I/P-muuntimen ominaiskäyrä 100 L ä h t ö s u r e Ominaiskäyrä mita- taan siten, että anne- taan tulosuureelle erilaisia arvoja ja mitataan vastaavat lähtösuureen arvot. Jos pisteet asettuvat suoralle, ominais- käyrä on lineaarinen kPa 20 4 20 mA Tulosuure 22

Analogisen mA - viestin siirto Mittalaite / Lähetin Säädin Testidiodi mA 24 V Suure 4...20 mA LÄHE- TIN 1...5 V 250 ohm esim paine Virtageneraattori

Analogisen mA - viestin siirto Asennoitin/ toimilaite toimielin Säädin mA Ohjaussuure 4...20 mA LÄHE- TIN Kela Voima Virtageneraattori

Säätötavat (Vakioarvosäätö) Asetusarvo annetaan käsin ja pidetään vakiona Vakio Säätöelin + - 23

Säätötavat (Asetusarvosäätö) Tietokone laskee mittaus- ja muiden tietojen perusteella asetusarvoa A*B/C Säätöelin + - 23

Säätötavat Ohjelmasäätö Asetusarvoa muutetaan ennalta määrätyn ohjelman, sekvenssin mukaisesti Säätöelin + - Sekvenssi 23

Säätötavat Sarja- eli kaskadisäätö Jos prosessi voidaan jakaa kahdelle säätöpiirille, käytetään kahta säädintä peräkkäin Apusäädin Prosessi Pääsäädin Säätöelin 1 Säätöelin 2 P1 P2 + + - - 24

Säätötavat Suhdesäätö Suhdesäädössä pidetään kahden suureen suhde haluttuna Mittaus 1 Prosessi 1 Viestin skaalaus Prosessi 2 Säätöelin + - Mittaus 2 25

Yksikköimpulssi Prosessi Yksikkö- impulssi Impulssi- vaste Prosessi Yksikkö- impulssi Impulssi- vaste Yksikköimpulssin pituus on 0, ala on 1 ja korkeus on ääretön (esimerkki kemiallisesta analyysista)

Yksikköimpulssi Esimerkki mittauksesta Putkilinja kolonni Mittaus Injektioruisku 26

Yksikköaskel 1 Prosessi Yksikköaskel Askelvaste Prosessi Yksikköaskel Askelvaste Yksikköaskeleen korkeus on 1 ja nousunopeus on ääretön 26

Yksikköpenger kk=1 Prosessi Yksikköpenger Pengervaste Prosessi Yksikköpenger Pengervaste Yksikköpenkereen nousunopeus eli kulmakerroin on 1 26

Yksikkösini Prosessi Yksikkösini Sinivaste Yksikkösinin amplitudi on 1 Prosessi Yksikkösini Sinivaste Yksikkösinin amplitudi on 1 Kun sinin taajuutta vaihdellaan, saadaan taajuusvaste 26

Yksikköprosessit Nolla-aikavakioinen prosessi Prosessi ei varastoi energiaa Askelvaste: 1 A = vahvistus t 28

Yksikköprosessit Yksiaikavakioinen prosessi Varastoi potentiaalienergiaa Askelvaste: 1 0,63 Muoto: o(t) = 1 - e -t/T jossa T = aikavakio T t 29

Yksikköprosessit Värähtelevä prosessi Varastoi energiaa kahteen, erilaiseen varastoon Askelvaste: Värähtelee vaimenevasti t 28

Yksikköprosessit Moni-aikavakioinen prosessi Varastoi energiaa moneen, samanlaiseen varastoon Askelvaste: Muoto: S t 28

Yksikköprosessit Kuollut aika eli viive Lähtö viivästyy tuloon nähden Askelvaste: Viive t 28

Yksikköprosessit Integroiva prosessi Prosessin lähtö on tulon aikaintegraali (Verrannollinen tulon pinta-alaan) Askelvaste: t 28

Aikaintegraali - mitä se on graafisesti? Signaali 1 t - 2 A = - 2 3 Signaalin aikaintegraali 1 t

Kaksipistesäätö Lähdöllä vain kaksi arvoa: 0 % ja 100 % Lähdön arvo riippuu erosuureen etumerkistä +/- Yksinkertainen toteuttaa Säädetty suure heilahtelee 34

Kaksipistesäätö Säätöelimen ominaiskäyrä Suora vaikutus ohjaussuure O 100 E O Säätö- elin O = 0, jos E < 0 O = 100, jos E > 0 erosuure E hystereesi lepovälys

Kaksipistesäätö Tyypillinen toiminta Ohjaus Asetus Mittaus aika t 36

Liukuva kaksipistesäätö Lähdöllä kolme tilaa: Kasvaa, paikallaan ja laskee Lähdön tila riippuu eroarvon suuruudesta Varsin yksinkertainen toteuttaa, käytössä erityisesti LVI-tekniikassa Oikein viritettynä säädetty suure vakaa/stabiili 35

Liukuva kaksipistesäätö Säätöelimen ominaiskäyrä ohjaussuure O Kasvaa E O Säätö- elin Paikallaan Pienenee erosuure E O kasvaa, jos E >> 0 O pienenee, jos E << 0 O paikallaan, jos E  0 kynnys

Liukuva kaksipistesäätö Esimerkki 230 VAC Sähkö- moottori PV Karan suunta Pressostaatti Vesi Istukkaventtiili 35

Liukuva kaksipistesäätö Tyypillinen toiminta Hystereesi Ohjaus Asetus Mittaus aika t 36

PID-säädin Jakaantuu kolmeen osaan: Käytetyin säädintyppi P - Proportional (vahvistava) I - Integrative (integroiva) D - Derivative (derivoiva) Käytetyin säädintyppi Normaalitapauksissa saadaan riittävän hyvä säätötulos Esimerkki mekaanisesta P-säätimestä 39

PID-säädin Säätöelimen rakenne I-elin + E O + P-elin + D-elin

PID-säädin P - elin Kp*1 1 P-elin I O O = Kp * I + vakio ,jossa Kp = säätöelimen/säätimen vahvistus, käytössä myös vertoalue Xp P-elimen lähtö on suoraan verrannollinen tuloon

Vertoalue XP =1/KP * 100% Ohjaus 100 50 -40 40 Ero E Xp = 80 %

PID-säädin I - elin 1 1 I - elin I O TI O = I:n aikaintegraali/TI , jossa TI = säätöelimen/säätimen intgrointiaika I-elimen lähtö kasvaa tai pienenee, jos tulon etumerkki pysyy samana

PID-säädin D - elin 1 D - elin I O O = I:n muutosnopeus*TD , jossa TD = säätöelimen/säätimen derivointiaika D-elimen lähtö reagoi tulon muutoksiin

PID-säädin Säätöelimen askelvaste I-elin + E + P-elin + O D-elin Jos ero muuttuu, PID-säädin reagoi siihen nopeasti, ja muuttaa lähtöään, kunnes ero poistuu

PID-säädöstä P-elin I-elin D-elin Nopea peruselin, mutta jättää pysyvän säätöpoikkeaman (eron) I-elin poistaa pysyvän säätöpoikkeaman D-elin ennakoi

PID-säätimen viritys Tavoitteena, että säätöpiiri toimii mahdollisimman hyvin Oikeat arvot säätöparametreille KP, TI, TD

Säätöpiirin viritys Askelvastekoe käännepisteen tangentti T2 T1 Mittaussuure M Ohjaussuure O aika t Määritä kolme parametria

Askelvastekoe Määritä: Prosessin vahvistus A = O Prosessin aikavakio T1 Prosessin viive T2

PID-säätimen parametrit Säädin Kp Ti Td P T1/(T2*A) - - PI 0,9*T1/(T2*A) 3,3*T2 - PID 1,2*T1/(T2*A) 2*T2 0,5*T2 T1=aikavakio T2=viive A=prosessin vahvistus

Mekaaninen P-säädin

Yksikköprosessit Prosessit voidaan jakaa pieniin osiin, jotka käyttäytyvät kuudella perustavalla: nolla-aikavakioinen prosessi yksiaikavakioinen prosessi värähtelevä prosessi moniaikavakioinen prosessi kuollut aika eli viive integroiva prosessi 28