Procesregeling - Faculty of Bioscience Engineering PDF

G ROENE CHEMIE EN TECHNOLOGIE P ROCESREGELING Dr. ir. Sergei Gusev — [email protected] I NTRODUCTIE ISBN: 9789039527016 ISBN: 9780080480251 2 / 41 I NTRODUCTIE In dit inleidende hoofdstuk zal het volgende worden bestudeerd: To...

G ROENE CHEMIE EN TECHNOLOGIE P ROCESREGELING Dr. ir. Sergei Gusev — [email protected] I NTRODUCTIE ISBN: 9789039527016 ISBN: 9780080480251 2 / 41 I NTRODUCTIE In dit inleidende hoofdstuk zal het volgende worden bestudeerd: Toepassingen van regelsystemen. Welke voordelen het bestuderen van regelsystemen kan hebben. De basiskenmerken en -configuraties van regelsystemen. Analyse- en ontwerpdoelen. Het ontwerpproces. 3 / 41 I NTRODUCTIE Wat is een regelsysteem? In zijn eenvoudigste vorm geeft een regelsysteem een uitgangssignaal (responsie) voor een gegeven ingangssignaal (stimulus). vb. je wilt een kamertemperatuur van 22 °C de kamer warmt geleidelijk aan op dus niet direct 22 °C Een regelsysteem beheert, stuurt of regelt het gedrag van andere apparaten of systemen met behulp van controlelussen. Een regelsysteem bestaat uit subsystemen en processen (of installaties) die worden gecombineerd om het uitgangssignaal van de processen te regelen. 4 / 41 I NTRODUCTIE Voorbeeld: een verwarmer produceert warmte lucht. In dit proces worden subsystemen, brandstof- en luchtkleppen en zijn actuatoren gebruikt om de temperatuur van een ruimte te regelen door de warmteproductie van de verwarmer te sturen. Andere subsystemen, zoals thermostaten, die als sensoren werken, meten de kamertemperatuur. controler: master is de controler en de slave is degene die volgt https://products4engineers.nl/ Wat is de input, welke elementen spelen een rol, taak opsplitsen in stukken 5 / 41  I NTRODUCTIE termostaat die je aanzet voorbeeld omgevingstemperatuur vb. bocht op de weg, wind tijdens het fietsen,.. Inputvariabelen gemanipuleerde variabelen kunnen aangepast worden door het regelsysteem of procesoperator; storingsvariabelen beïnvloeden de procesuitgangen maar kunnen niet aangepast worden door het regelsysteem. Outputvariabelen gemeten variabelen, niet-gemeten variabelen. kan gemeten worden maar is niet het geval 6 / 41 I NTRODUCTIE Er zijn vier hoofdredenen waarom regelsystemen worden gebruikt: Vermogensversterking. Besturing op afstand. Gemak van het ingangssignaal. Storingscompensatie. 7 / 41 I NTRODUCTIE vb. kraan die graaft Vermogensversterking: een lift, waarvan de verplaatsing wordt ingesteld door aan een laag-vermogensknop op de ingang te drukken, waarbij een groot vermogen nodig is om het uitgangssignaal voor de verplaatsing te produceren. Een regelsysteem kan de benodigde vermogensversterking produceren. 8 / 41 I NTRODUCTIE Besturing op afstand: een op afstand bestuurde robot kan worden gebruikt om materiaal op te pakken dat zich in een radioactieve of besmette omgeving bevindt. 9 / 41 I NTRODUCTIE Gemak van het ingangssignaal: in een systeem voor temperatuurregeling bestaat het ingangssignaal uit een positie op een thermostaat. Het uitgangssignaal is warmte. Hier levert een goed positie-ingangssignaal een gewenst thermisch uitgangssignaal. 10 / 41 I NTRODUCTIE Storingscompensatie: Omgevingsomstandigheden zoals wind beïnvloeden de koers van een vliegtuig. Modernere vliegtuigen bevatten vrijwel altijd een automatisch systeem voor regulering van de vlieghoogte, de vluchtrichting, de vlieghellingshoek en de vliegsnelheid. Daarnaast zijn er vaak bijzondere regelsystemen voor starten en landen. 11 / 41 I NTRODUCTIE Automatische sturing Veiligheid: het proces moet veilig te bedienen zijn. Hoe complexer of gevaarlijker het proces, hoe groter de behoefte aan automatische sturing en beveiliging. Stabiliteit: processen moeten stabiel, voorspelbaar en herhaalbaar werken, zonder schommelingen of ongeplande shutdowns. Nauwkeurigheid: betere kwaliteit en lagere productiekosten = rendabiliteit. 12 / 41 I NTRODUCTIE Regelobjectieven Stabilisatie van het systeem. vb. de lift nemen naar het derde verdiep, je wilt dat de ligt vertraagd zodat je kan instappen en dan versneld naar het derde en dan terug Genereren van de gewenste transient responsie. vertraagd Vermindering of eliminatie van de steady-state fout. je hebt de 22 °C bereikt maar na een zekere tijd meet je 23 °C —> steady state fout Robuustheid tegen storingen en variaties in procesparameters. Behalen van optimale performantie. zoveel mogelijk geld opbrengen, zo weinig mogelijk afval,… 13 / 41 I NTRODUCTIE Sturen versus regelen automatisch systeem heeft geen controle over het proces, vb oven die niet meer werkt thermostaat geeft aan 22 °C dus stuurt signaal dat het bereikt is Openlussysteem: geen terugkoppeling = sturing. Geslotenlussysteem: met terugkoppeling = regeling. Beide kunnen worden weergegeven door blokdiagrammen waar blokken geven processen weer terwijl pijlen worden gebruikt om verschillende invoer-, proces- en uitvoerdelen te verbinden. 14 / 41 I NTRODUCTIE Openlussysteem is net als in het begin lukt het, tot een storing met gesloten ogen rijden Het uitgangssignaal of de toestand wordt niet gemeten of teruggekoppeld ter vergelijking met het ingangssignaal of de setpoint. Het systeem reageert niet op storingen. Een openlussysteem heeft geen zelfregulatie of besturingsactie over de uitgangswaarde. Elke inputinstelling bepaalt een vaste werkpositie voor de controller. 15 / 41 I NTRODUCTIE reageert op veranderingen van systemen vb dat Openlussysteem temperatuur zakt van 12 °C naar 5 °C —> stuurt signaal naar ketel met feedforward dus geeft geen eindresultaat mee verschillend van feedback! De oven gaat open en er gaat warmte verloren. De timer gaat door, ongeacht de volledige 20 minuten, maar de pizza wordt niet gebakken op het einde van het proces. Indien storingsdetectie mogelijk is, kan de timer op pause gezet worden en zelfs de tijd van het bakken kan verlengd worden. Er is echter nog steeds geen feedback. 16 / 41 I NTRODUCTIE Set point Feedforward (r ) model Manipulated variable (m) a1 Controlled a2 variable Load (q) Process a3 (c ) Feed-forward (FF) is een vorm van sturing gebaseerd op het anticiperen op de juiste gemanipuleerde variabelen die nodig zijn om de vereiste outputvariabele te leveren. Het wordt gezien als een vorm van open-lus regeling omdat de PV niet direct wordt gebruikt. 17 / 41 I NTRODUCTIE Disturbance (Change in feed flow) f(disturb) Verhoudingsregeling of Feed flow PV ratio-control f(process) T2 FF-control f(control) Fuel- Feedforward flow controller T2 = Outlet temperature is een vorm van FF die als doel heeft de verhouding van twee variabelen op een specifieke waarde te houden. Als het bijvoorbeeld nodig is om de verhouding tussen twee procesvariabelen PVX en PVY te regelen, wordt de variabele PVR bestuurd in plaats van de afzonderlijke PV’s (PVX en PVY ): 18 / 41 I NTRODUCTIE Een systeem met feedback: een operator dient het waterniveau in een tank te controleren terwijl het waterverbruik willekeurig varieert. 19 / 41 I NTRODUCTIE Geslotenlussysteem is een systeem met terugkoppeling Het uitgangssignaal of de toestand van het systeem wordt wel gemeten en teruggekoppeld ter vergelijking met het ingangssignaal of het systeeminstelpunt. Een geslotenlussysteem heeft zelfregulatie en besturingsactie over de uitgangswaarde. De gevoeligheid van een systeem voor externe storingen is kleiner omdat de controller op basis van het feedbacksignaal een compensatie signaal genereert. 20 / 41 I NTRODUCTIE De sensor meet de werkelijke waarde b en stuurt deze vervolgens naar de comparator Σ. De comparator neemt als invoer de gewenste waarde d en de gemeten waarde b. Het foutsignaal e = d − b is de output van de comparator en de input voor de controller. Als de fout niet 0 is, moet de controller actie ondernemen om de plant te beïnvloeden. De controller stuurt zijn commando u naar de actuator. Naast de actie van de actuator f wordt de plant ook beinvloed door storingen d. 21 / 41 I NTRODUCTIE Gecombineerde sturing: FF + FB (procesmodel is vereist voor FF) flow stijgt met constante toevoer van energie —> daling temperatuur Feedforward - afweren van felle plotselinge veranderingen: als het debiet of temperatuur van de inflow stijgt of daalt, wordt het stoomdebiet direct aangepast. Feedback - finetuning: als de uitflow temperatuur toch afwijkt van de setpoint, wordt de stoomklep bijgesteld. 22 / 41 I NTRODUCTIE zo weinig mogelijk afval —> optimalisatie proces Een langzaam bewegend product moet worden geregeld tot een specifiek vochtigheidsniveau als de platen droog zijn —> toevoer gas verminderen De vochtigheidssensor aan het einde van de transportband meet de vochtigheid van het product. Afhankelijk van de gemeten waarde regelt de controller de hoeveelheid warmte die door de oven wordt toegevoegd. Als de waterdebiet verandert, bijvoorbeeld als gevolg van fluctuaties in de waterdruk, kan het misschien 10 minuten duren voordat het product het uiteinde van de transportband bereikt en de vochtigheidssensor reageert. Dit veroorzaakt variaties in productkwaliteit. 23 / 41 I NTRODUCTIE Multi-lusregeling Om de regeling te verbeteren, kan een tweede vochtigheidssensor op een andere regelkring direct na het sproeien van water worden geïnstalleerd. Deze vochtigheidssensor levert een externe setpoint-input naar de controller die wordt gebruikt om het lokale setpoint te compenseren. De lokale setpoint wordt ingesteld op de vereiste vochtigheid na de oven. Lus 1 regelt de toevoeging van water. Lus 2 regelt het verwijderen van water. 24 / 41 I NTRODUCTIE Cascaderegeling condensatie treedt op in de mantel (oranje) zorgt dat manteltemperatuur niet te hoog oploopt Een slave-controller (Controller 2) en sensor bewaken de stoomtemperatuur in de mantel en geven een signaal af aan de regelklep. Een master-controller (Controller 1) en sensor bewaken de producttemperatuur met de uitgang gericht op de slave-controller. Het uitgangssignaal van de master-controller wordt gebruikt om het instelpunt in de slave-controller te variëren, zodat de stoomtemperatuur niet wordt overschreden. 25 / 41 I NTRODUCTIE Omgekeerde of direct werkende regelaars De uitlaatdebiet wordt gemanipuleerd door V2 om het tankniveau te regelen. Dit is directe actie: als de PV toeneemt (waterniveau stijgt), de OP(2) toeneemt (de ERR = SP – PV uitlaatklep wordt meer geopend) om de tank sneller leeg te maken. V1 ERR = PV – SP Direct werkende = PV ⇑ → OP ⇑ dan ERR = PV − SP V2 PV = level De inlaatdebiet wordt gemanipuleerd door V 1 om het SP tankniveau te regelen. Dit is omgekeerde actie: als de PV toeneemt (waterniveau stijgt), de OP(1) afneemt (de PID OP(1) control OP(2) inlaatklep wordt meer gesloten) om de vulsnelheid te verlagen. Omgekeerd werkende = PV ⇑ → OP ⇓ dan ERR = SP−PV 26 / 41 I NTRODUCTIE Er zijn twee fundamentele vormen van sturing: AAN/UIT - De solenoid afsluiter is volledig open of volledig gesloten, zonder tussenstaat. Continu - De servoklep kan bewegen tussen volledig open of volledig gesloten, en kan stoppen op elke tussenstand. verwarming heeft rechtstreeks invloed op de temperatuur 27 / 41 I NTRODUCTIE Het water in de watertank wordt verwarmd met de energie die wordt afgegeven door een eenvoudige stoomspiraal. In de toevoerbuis is een tweevoudige klep en actuator gemonteerd, compleet met een thermostaat, geplaatst in het water in de tank. 28 / 41 I NTRODUCTIE Punt A: de thermostaat gaat aan, de klep gaat volledig open. Het duurt even voordat het stoomcirquit de gewenste temperatuur bereikt en de watertemperatuur beïnvloedt. Punt B: de thermostaat gaat uit en de klep sluit. De warmtewisselaar is echter nog steeds vol met stoom, deze blijft condenseren engeeft zijn warmte af. Watertemperatuur blijft stijgen tot over de bovenste schakeltemperatuur en overschrijdt bij Punt C voordat deze begint te zakken. 29 / 41 I NTRODUCTIE AAN/UIT: - goedkoop - de klep keert terug naar de oorspronkelijke positie bij stroomuitval , procesvariabele oscilleert rond de setpoint Continue: - nauwkeurig, geen oscillaties bij correcte instellingen , duurder dan de AAN/UIT-systeem 30 / 41 I NTRODUCTIE Een voorbeeld van een gecontroleerd proces is pasteurisatie van vers appelsap. Het sap wordt geperst en onmiddellijk verwarmd in een warmtewisselaar met stoom. De pasteurisatieparameters zijn (bijv.) minstens 75 °C gedurende 15 seconden. De stroom door de pasteurisator wordt geregeld zodat de verblijftijd 3 minuten is, rekening houdend met een verwarmingstijd van 5 °C tot 75 °C. 31 / 41 I NTRODUCTIE Aan de uitlaat meet een thermometer de temperatuur die is ingesteld op 80 °C. Zodra de uitlaattemperatuur onder 78 °C daalt, sluit de klep en wordt het sap gerecirculeerd. De klep opent zodra 80 °C is bereikt. Daarom is de thermometer aangesloten op een PLC (programmeerbare logische controller). 32 / 41 I NTRODUCTIE De PLC vergelijkt de gemeten temperatuur met de setpoint (80 °C). Wanneer het verschil -2 °C wordt, sluit de uitlaat en wordt het circulatiecircuit geopend. Tegelijkertijd wordt de stoomklep geopend. Zodra de temperatuur weer 80 °C bereikt, wordt de initiële debiet hersteld. Als de temperatuur boven 85 °C stijgt, wordt de stoomklep gesloten totdat de temperatuur daalt tot 80 °C. Dit om kwaliteitsverlies van het product door oververhitting te voorkomen. 33 / 41 I NTRODUCTIE Responsiekarakteristieken en systeemconfiguraties De druk op de knop van de lift is een stapvormig ingangssignaal. Voor het passagierscomfort moet de lift niet te snel op het ingangssignaal reageren. Het ingangssignaal is wat als uitgangssignaal gewenst is nadat de lift is gestopt. De lift volgt de verplaatsingscurve die met liftresponsie is aangeduid. als schommelingen niet te groot zijn 34 / 41 I NTRODUCTIE Responsiekarakteristieken en systeemconfiguraties Stapresponsie van een regelsysteem met effect van hoge en lage regelaar versterking: Max. amplitude − Setpoint Overshoot (doorschot) = × 100% (1) Setpoint onderschoot wordt gebruikt als overschoot niet mag bereikt worden, systeem gaat wel zeer traag dan 35 / 41 I NTRODUCTIE 95 °C 80 °C Time t1 t2 Heating Cooling t —> tijd voor de verandering van temperatuur (tijdsverandering) De dynamische respons van een proces kan meestal worden gekenmerkt door drie parameters: procesversterking, dode tijd, procesvertraging. temperatuur van thermometer moet geëgaliseerd worden met de temperatuur van het proces 36 / 41 I NTRODUCTIE Dode zone De dode zone (dead band) is een bereik van inputwaarden waar de output nul is (de output is ’dood’) - er vindt geen actie plaats. De dode zone in de regelbereik van actuatoren is het gevolg van mechanische wrijving of speling. De grootte van de dode zone is over het algemeen van 0,5% tot 2% van het volledige bereik van de PV-schommeling en overspant de setpoint. klep heeft tijd nodig om van de positie volledig open naar de positie volledig gesloten te gaan Dode tijd De dode tijd is de vertraging tussen het veranderen van de gemanipuleerde variabele en een merkbare verandering in de procesvariabele. Dode tijd bestaat in de meeste processen omdat weinig of geen echte gebeurtenissen ogenblikkelijk verlopen. Voorbeeld: wanneer de warmwaterkraan wordt ingeschakeld, zal er een bepaalde tijdvertraging zijn omdat heet water uit de ketel langs de buizen naar de kraan loopt. 37 / 41 I NTRODUCTIE Als de dode tijd van een proces de tijdconstante overschrijdt, zal de traditionele regelsystemen niet werken. regeling in stappen verschil in stappen is de dode tijd van het regelsysteem Sample-and-hold-algoritme is gebaseerd op het inschakelen van de controller zodat deze periodieke aanpassingen kan maken, vervolgens de output effectief in een wachttoestand schakelen en wachten op het verstrijken van de procestijd voordat de controller-output opnieuw wordt ingeschakeld. Process variable (PV) Dead time Controller output (OP) Auto Auto Manual Manual Manual Time 38 / 41 I NTRODUCTIE Sample-and-hold-algoritmen worden gebruikt wanneer het proces wordt gedomineerd door grote dode tijden. Sample-and-hold-algoritmen zijn identiek aan de normale algoritmen, behalve dat ze slechts voor korte tijd zijn ingeschakeld. Het enige probleem is dat de controller veel minder tijd heeft om aanpassingen uit te voeren en deze daarom sneller moet doen. 39 / 41 I NTRODUCTIE Responsiekarakteristieken en systeemconfiguraties 40 / 41 I NTRODUCTIE Responsiekarakteristieken en systeemconfiguraties 41 / 41