Papildu dalītās diapazona vadība (CSRC): Precīza procesa mainīgo pārvaldība ar diviem aktuatoriem

Kas ir papildinošā dalītā diapazona vadība un kāpēc to izmantot?

Papildinošā dalītā diapazona vadība ir vadības stratēģija, kas izmanto divus aktīvatorus, kas darbojas pretējās virzienos, lai ar augstu precizitāti regulētu vienu procesa mainīgo. Standarta viena vārsta vadība nevar nodrošināt smalku regulēšanu, ja dažādi mediju plūsmas jāmaisās precīzos proporcijās. CSRC šo problēmu atrisina, piešķirot katram aktīvatoram papildinošu lomu: kad viens vārsts atveras, otrs aizveras tajā pašā proporcijā.

Šo pieeju izmanto siltummaiņos, maisīšanas sistēmās, reaktora temperatūras vadībā un gāzes kondicionēšanas iekārtās. Foxboro FCP270 Field Control Processor un Allen-Bradley ControlLogix PLC nodrošina iebūvētas funkciju blokus, kas tieši kontrolierī īsteno dalītā diapazona izejas loģiku.

Vispirms apsveriet, kāpēc viena vārsta vadība šajās lietojumprogrammās neizdodas. Vārsts, kas ir izmērots maksimālai plūsmai, parasti darbojas ar ļoti mazu atvēruma procentuālo daļu. Pie 5% līdz 10% atvēruma plūsmas raksturlīknes kļūst nelineāras, un pozicioniera histerēze izraisa ierobežojumu ciklus. Vadības kvalitāte būtiski pasliktinās šajā zema atvēruma zonā.

Kā darbojas CSRC: Inversā attiecība starp diviem aktīvatoriem

CSRC sistēmā PID kontrolieris rada vienu izejas signālu — 4 līdz 20 mA vai 0 līdz 100% digitālajās sistēmās. Šis signāls tiek vienlaikus nosūtīts abiem vadības vārstiem. Tomēr katrs vārsts reaģē uz atšķirīgu izejas diapazona daļu, un to reakcijas ir pretējas.

Apsveriet tvertnes temperatūras vadības sistēmu, kas izmanto karstā un aukstā ūdens plūsmas. Allen-Bradley 1756-OF8 8 kanālu analogās izejas modulis nodrošina papildinošos signālus abiem vārstu pozicionieriem:

• 1. solis: Aukstā ūdens vārsts darbojas no pilnīgi atvērta pie 0% kontroliera izejas līdz pilnīgi aizvērtam pie 100% izejas. Tas nodrošina maksimālu aukstā ūdens plūsmu, kad procesa temperatūra ir pārāk augsta.
• 2. solis: Karstā ūdens vārsts saņem inversu signālu — pilnīgi aizvērts pie 0% izejas un pilnīgi atvērts pie 100% izejas. Tas nodrošina maksimālu karstā ūdens plūsmu, kad temperatūra ir pārāk zema.
• 3. solis: Pie 50% kontroliera izejas abi vārsti ir atvērti 50%. Tvertnē ieplūst vienādas proporcijas karstā un aukstā ūdens, un iestatītā vērtība tiek uzturēta ar nepārtrauktu regulēšanu ap šo viduspunktu.
• 4. solis: Kad kontroliera izeja mainās, abi vārsti vienlaikus un pretēji pielāgojas. Kopējais plūsmas ātrums paliek relatīvi stabils, kamēr karstā un aukstā ūdens attiecība mainās. Tas nodrošina precīzu temperatūras kontroli bez plūsmas traucējumiem, ko rada viena vārsta sistēmas.

PID konfigurācija Allen-Bradley ControlLogix un Foxboro I/A sistēmās

CSRC īstenošana Allen-Bradley ControlLogix izmanto matemātikas funkciju blokus, lai no PID CV vērtības ģenerētu divus papildinošus izejas signālus. Karstā ūdens vārsta komanda tieši atbilst CV: HV_CMD = CV%. Aukstā vārsta komanda ir papildinājums: CV_CMD = 100% – CV%. Abi signāli tiek nosūtīti neatkarīgiem vārstu pozicionieriem, izmantojot Allen-Bradley 1756-OF8I izolēto analogās izejas moduli.

Turklāt viduspunkta "miera zona" — parasti 45% līdz 55% izejas diapazonā — novērš abu vārstu vienlaicīgu meklēšanu pie iestatītās vērtības. Šajā miera zonā nelielas kontroliera izejas izmaiņas tiek absorbētas, nevirzot nevienu vārstu. Tas būtiski samazina aktīvatoru nolietojumu stabilas darbības laikā.

Foxboro I/A sērija īsteno CSRC, izmantojot iebūvēto SPLT (Split Range) funkciju bloku Foxboro I/A Series FCM10E Fieldbus Communications Module arhitektūrā. Tas pieņem vienu ieeju un rada divas papildinošas izejas ar konfigurējamiem dalījuma punktiem, miera zonām un vārstu raksturlīkņu konfigurācijām. Foxboro SPLT bloks atbalsta arī nesimetrisku dalījumu — piemēram, piešķirot 0% līdz 40% izeju aukstā vārstam un 60% līdz 100% karstajam vārstam, ar miera zonu no 40% līdz 60%.

Nesimetriska konfigurācija ir noderīga, ja divām mediju plūsmām ir atšķirīga plūsmas jauda. Dalījuma punktu pielāgošana, lai atbilstu procesa pastiprinājumam katrā pusē, uzlabo cilpas stabilitāti un samazina pārsniegumu pēc iestatījuma izmaiņām.

Vārstu izmēri, izvēle un drošības konfigurācija

Vārstu izmēri CSRC atšķiras no viena vārsta lietojumiem. Katrs vārsts spēj apstrādāt pilnu projektēto plūsmu pie 100% atvēruma, bet parastā darbība koncentrējas 30% līdz 70% atvēruma diapazonā. Pārlielā izmēra vārsti rada vadības problēmas pie maziem atvērumiem. Pārāk mazi vārsti sasniedz plūsmas limitu pirms kontrolieris sasniedz 100% izeju. Standarta izvēle ir vienādas procentuālās raksturlīknes vārsti — šī raksturlīkne nodrošina konsekventu vadības pastiprinājumu vidējā darbības zonā.

Turklāt abiem CSRC pāra vārstiem jāizmanto saskaņoti pozicionieri ar vienādu precizitāti un histerēzes specifikācijām. Nesaskaņoti pozicionieri rada asimetrisku vadību — cilpa labi darbojas vienā virzienā, bet otrā svārstās. Reaktora temperatūras vadībā vēlamā drošības konfigurācija ir pilnīgi atvērt dzesēšanas vārstu un pilnīgi aizvērt apkures vārstu instrumentu gaisa vai strāvas zuduma gadījumā. Tas virza procesu drošā aukstā stāvoklī.

CSRC cilpas nodošana ekspluatācijā un regulēšana

• 1. solis: Pilnībā atveriet un aizveriet katru vārstu. Pārbaudiet, vai atrastā pozīcija atbilst komandētajai pozīcijai ±2% robežās globusa vārstiem vai ±1% augstas veiktspējas tauriņvārstiem.
• 2. solis: Manuālā režīmā pielietojiet papildinājuma funkciju pie 25%, 50% un 75% izejas. Pārbaudiet, vai vārsts A atveras uz šīm vērtībām, bet vārsts B atveras attiecīgi uz 75%, 50% un 25%.
• 3. solis: Ieslēdziet automātisko vadību ar konservatīvu sākotnējo regulēšanu — proporcionālo pastiprinājumu 0,5 un integrālo laiku 60 sekundes. Novērojiet cilpas reakciju uz nelielu iestatījuma soli 2% līdz 5% diapazona.
• 4. solis: Pakāpeniski palieliniet proporcionālo pastiprinājumu, līdz cilpa sasniedz ceturtdaļas izzušanas reakciju. Samaziniet integrālo laiku, līdz novirze pazūd trīs līdz piecu cilpas ciklu laikā.
• 5. solis: Pārbaudiet reakciju uz lielu iestatījuma izmaiņu — 20% diapazona. Pārliecinieties, ka dalītā diapazona pāreja viduspunkta apgabalā neizraisa triecienu vai svārstības — šī pāreja ir visbiežākais CSRC cilpas nestabilitātes avots.

Tāpēc pievērsiet īpašu uzmanību PID izejas uzvedībai, šķērsojot 50% dalījuma punktu. Jebkāda nepārtrauktība šajā punktā norāda uz neatbilstību starp dalītā diapazona konfigurāciju un faktisko vārstu reakcijas līknēm, kas prasa pielāgošanu pirms cilpas apstiprināšanas automātiskai darbībai.

Nobeigums un ieteikumi darbībai

Papildinošā dalītā diapazona vadība ir spēcīga metode precīzai un stabilai temperatūras un sastāva kontrolei, kur viena vārsta vadība nepietiek. Inversā aktīvatoru attiecība uztur abus vārstus to precīzajā vidējā darbības zonā un nodrošina stabilu kopējo plūsmu. Foxboro I/A sērija un Allen-Bradley ControlLogix piedāvā pārbaudītas iebūvētas īstenošanas, kas vienkāršo konfigurāciju un nodošanu ekspluatācijā. Inženieriem, kas ievieš CSRC, jāpiešķir uzmanība saskaņotam vārstu izmēram, identiskām pozicionieru specifikācijām, simetriskai dalījuma punktu konfigurācijai un rūpīgai regulēšanai viduspunkta pārejā, lai nodrošinātu uzticamu vadības cilpas darbību.

Autors: Wang Jiaqiang ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmās.