Prosessi- automaatio.

Esitys aiheesta: "Prosessi- automaatio."— Esityksen transkriptio:

1 Prosessi- automaatio

2 Mitä on prosessiautomaatio?
Automaatiolla ohjataan nesteitä jauheita kaasuja energiaa

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

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

5 Kyllä automaatti jaksaa
LV LIC LT

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

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

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

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

10 Lohkokaavioesitystapa
Kopioituminen Summa Erotus Vahvistus Kaaviosta yhtälöön Yhtälöstä kaavioon

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

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

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

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

15 Säätöelimet Epälineaariset Lineaariset Kaksipiste Liukuva kaksipiste
PID 33

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

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

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

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

20 Kiitokset mielenkiinnosta!

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

22 Lohkokaavioesitystapa Kopioituminen

23 Lohkokaavioesitystapa Summa
+ A A + B + B

24 Lohkokaavioesitystapa Erotus
+ A A - B - B

25 Lohkokaavioesitystapa Vahvistus
7

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

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

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

29 Suure Jokin mitattavissa oleva ominaisuus

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

31 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

32 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

33 Säätöpiirin suureet Suureiden toiminta-alueet
Asetusarvo % Mittausarvo % Eroarvo % Ohjausarvo % Oloarvo prosessisuure Toimisuureen arvo prosessisuure

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

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

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

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

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

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

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

41 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

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

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

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

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

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

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

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

49 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)

50 Yksikköimpulssi Esimerkki mittauksesta
Putkilinja kolonni Mittaus Injektioruisku 26

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

62 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

63 Kaksipistesäätö Tyypillinen toiminta
Ohjaus Asetus Mittaus aika t 36

64 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

65 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

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

67 Liukuva kaksipistesäätö Tyypillinen toiminta
Hystereesi Ohjaus Asetus Mittaus aika t 36

68 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

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

70 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

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

72 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

73 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

74 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

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

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

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

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

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

80 Mekaaninen P-säädin

81 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