Контур управления
Контур управления является фундаментальным строительным блоком систем управления в целом и промышленных систем управления в частности. Он состоит из датчика процесса , функции контроллера и конечного элемента управления (FCE), который управляет процессом, необходимым для автоматической регулировки значения измеряемой переменной процесса (PV) для достижения значения желаемой уставки (SP).
Существует два общих класса контуров управления: открытый контур и закрытый контур. В системе управления с открытым контуром управляющее воздействие контроллера не зависит от переменной процесса. Примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером . Управляющее воздействие — включение или выключение котла. Переменная процесса — температура здания. Этот контроллер управляет системой отопления в течение постоянного времени независимо от температуры здания.
В системе управления с замкнутым контуром управляющее воздействие контроллера зависит от желаемой и фактической переменной процесса. В случае аналогии с котлом это будет использовать термостат для контроля температуры здания и обратной связи сигнала, чтобы гарантировать, что выход контроллера поддерживает температуру здания близкой к установленной на термостате. Контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие для управления переменной процесса на том же значении, что и заданное значение. По этой причине контроллеры с замкнутым контуром также называются контроллерами с обратной связью. [1]
Открытый и закрытый контур
По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с замкнутым контуром (обратная связь).
При управлении с открытым контуром управляющее воздействие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «регулируемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, так что тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры здания. Управляющим воздействием является включение/выключение котла, но управляемой переменной должна быть температура здания, но это не так, поскольку это управление котлом с открытым контуром, которое не дает замкнутого контура управления температурой.
В управлении с замкнутым контуром управляющее воздействие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры здания и, таким образом, обратной связи сигнала, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает температуру здания на уровне, установленном на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер применяет управляющее воздействие для выдачи выходного сигнала процесса, соответствующего «опорному входу» или «заданному значению». По этой причине контроллеры с замкнутым контуром также называются контроллерами с обратной связью. [2]
Определение замкнутой системы управления согласно Британскому институту стандартов : «система управления, имеющая контрольную обратную связь, причем сигнал отклонения, сформированный в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремиться свести отклонение к нулю». [3]
Аналогично; « Система управления с обратной связью — это система, которая стремится поддерживать заданное соотношение одной системной переменной к другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». [4]
Другие примеры
Примером системы управления является круиз-контроль автомобиля , который представляет собой устройство, предназначенное для поддержания скорости автомобиля на постоянном желаемом или заданном водителем уровне. Контроллером является круиз-контроль, установкой — автомобиль, а системой — автомобиль и круиз-контроль. Выход системы — скорость автомобиля, а само управление — положение дроссельной заслонки двигателя , которое определяет, какую мощность выдает двигатель.
Примитивный способ реализации круиз-контроля — просто заблокировать положение дроссельной заслонки, когда водитель включает круиз-контроль. Однако, если круиз-контроль включен на участке неровной дороги, то автомобиль будет двигаться медленнее при движении в гору и быстрее при движении под гору. Этот тип контроллера называется контроллером с открытым контуром , потому что нет обратной связи ; никакое измерение выходного сигнала системы (скорости автомобиля) не используется для изменения управления (положения дроссельной заслонки). В результате контроллер не может компенсировать изменения, действующие на автомобиль, такие как изменение уклона дороги.
В замкнутой системе управления данные от датчика, контролирующего скорость автомобиля (выход системы), поступают в контроллер, который непрерывно сравнивает величину, представляющую скорость, с опорной величиной, представляющей желаемую скорость. Разница, называемая ошибкой, определяет положение дроссельной заслонки (управление). Результатом является соответствие скорости автомобиля опорной скорости (поддержание желаемого выхода системы). Теперь, когда автомобиль едет в гору, разница между входом (измеренной скоростью) и опорной непрерывно определяет положение дроссельной заслонки. Когда измеренная скорость падает ниже опорной, разница увеличивается, дроссель открывается, и мощность двигателя увеличивается, ускоряя транспортное средство. Таким образом, контроллер динамически противодействует изменениям скорости автомобиля. Центральной идеей этих систем управления является контур обратной связи , контроллер влияет на выход системы, который, в свою очередь, измеряется и возвращается обратно в контроллер.
Приложение
На прилагаемой схеме показан контур управления с одним входом PV, функцией управления и выходом управления (CO), который модулирует действие конечного элемента управления (FCE) для изменения значения управляемой переменной (MV). В этом примере показан контур управления потоком, но это может быть уровень, температура или любой из многих параметров процесса, которые необходимо контролировать. Показанная функция управления является «промежуточным типом», таким как ПИД-регулятор , что означает, что она может генерировать полный диапазон выходных сигналов в любом месте между 0-100%, а не просто сигнал включения/выключения. [1]
В этом примере значение PV всегда совпадает с MV, поскольку они последовательно соединены в трубопроводе. Однако, если бы подача от клапана была в бак, а функция контроллера заключалась в контроле уровня с помощью клапана наполнения, PV будет уровнем бака, а MV будет потоком в бак.
Функция контроллера может быть дискретным контроллером или функциональным блоком в компьютеризированной системе управления, такой как распределенная система управления или программируемый логический контроллер . Во всех случаях схема контура управления является очень удобным и полезным способом представления функции управления и ее взаимодействия с установкой. На практике на уровне управления процессом контуры управления обычно сокращаются с использованием стандартных символов на схеме трубопроводов и приборов , которая показывает все элементы измерения и управления процессом на основе схемы потока процесса . [5]
На детальном уровне схема соединений контура управления создана для отображения электрических и пневматических соединений. Это значительно облегчает диагностику и ремонт, поскольку все соединения для одной функции управления находятся на одной схеме.
Маркировка контура и контрольного оборудования
Для обеспечения уникальной идентификации оборудования каждый контур и его элементы идентифицируются системой «маркировки», а каждый элемент имеет уникальную идентификационную метку. [6]
На основе стандартов ANSI / ISA S5.1 и ISO 14617-6 идентификация состоит из 5 букв.
Первая идентификационная буква — для измеренного значения, вторая — модификатор, третья указывает на пассивную/считываемую функцию, четвертая — активную/выходную функцию, а пятая — модификатор функции. Затем следует номер цикла, который является уникальным для этого цикла.
Например, FIC045 означает, что это контроллер индикации расхода в контуре управления 045. Это также известно как идентификатор «тега» полевого устройства, который обычно присваивается местоположению и функции прибора. Тот же контур может иметь FT045 — который является датчиком расхода в том же контуре.
| Письмо | Столбец 1 Измеренное значение | Модификатор столбца 2 | Столбец 3. Считывание/пассивная функция | Столбец 4 Выходная/активная функция | Столбец 5 Модификатор функции |
| А | Анализ | Тревога | |||
| Б | Горелка, сжигание | Выбор пользователя | Выбор пользователя | Выбор пользователя | |
| С | Выбор пользователя - обычно проводимость | Контроль | Закрывать | ||
| Д | Выбор пользователя - обычно плотность | Разница | Отклонение | ||
| Э | Напряжение | Датчик | |||
| Ф | Скорость потока | Соотношение | |||
| Г | Выбор пользователя (обычно калибровка/калибровка) | Газ | Стекло/измерительное/смотровое | ||
| ЧАС | Рука | Высокий | |||
| я | Текущий | Указывать | |||
| Дж. | Власть | Сканировать | |||
| К | Время, график работы | Скорость изменения времени | Станция управления | ||
| Л | Уровень | Свет | Низкий | ||
| М | Выбор пользователя | Средний / промежуточный | |||
| Н | Выбор пользователя (обычно крутящий момент) | Выбор пользователя | Выбор пользователя | Выбор пользователя | |
| О | Выбор пользователя | Отверстие | Открыть | ||
| П | Давление | Точечное/тестовое соединение | |||
| В | Количество | Суммировать/интегрировать | Суммировать/интегрировать | ||
| Р | Радиация | Записывать | Бегать | ||
| С | Скорость, частота | Выключатель | Останавливаться | ||
| Т | Температура | Передача | |||
| У | Многовариантный | Многофункциональный | Многофункциональный | ||
| В | Вибрация, механический анализ | Клапан или заслонка | |||
| Вт | Вес, сила | Ну или зонд | |||
| Х | Выбор пользователя - обычно двухпозиционный клапан типа XV | Ось X | Вспомогательные устройства, неклассифицированные | Несекретно | Несекретно |
| И | Событие, состояние, присутствие | Ось Y | Вспомогательные устройства | ||
| З | Положение, размер | Ось Z или безопасность | Исполнительный механизм, драйвер или неклассифицированный конечный элемент управления |
Для условного обозначения любого оборудования в промышленных системах применяется стандарт МЭК 61346 ( Промышленные системы, установки и оборудование и промышленные изделия — Принципы структурирования и справочные материалы).
Ссылки
- ^ ab Cooper, Douglas. "Control Guru". Терминология Control Guru . Получено 16 сентября 2017 г.
- ^ "Обратная связь и системы управления" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Серия набросков Шаумса, McGraw-Hill 1967
- ^ Майр, Отто (1970). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, MA США: The Colonial Press, Inc.
- ^ Майр, Отто (1969). Истоки управления с обратной связью . Клинтон, MA США: The Colonial Press, Inc.
- ^ "Схема трубопроводов и КИП P&ID". Process Flow Systems . Архивировано из оригинала 20 июля 2020 г. Получено 16 сентября 2017 г.
- ^ "Компоненты контуров управления и символика ISA" (PDF) . Приборы и системы управления - основы управления процессами . Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2018 г. . Получено 16 сентября 2017 г. .
