Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Multifunkční stanice pro výuku provozního měření a řízení

číslo 7/2006

Multifunkční stanice pro výuku provozního měření a řízení

Laboratoř měřicí a řídicí techniky na VŠCHT Praha (obr. 1) je v současné době převážně vybavena stanicemi, které byly vytvořeny svépomocí ve škole z komerčně dostupných přístrojů a individuálně zhotovených přípravků a součástí. Pro nedostatek vhodných laboratorních stanic se mnoho úloh řeší simulačně na počítačích, a studenti tak ztrácejí kontakt s reálným zařízením, pro praxi velmi potřebný.

Obr. 1.

Obr. 1. Pohled do laboratoře měřicí a řídicí techniky na VŠCHT Praha

Vybavení laboratoře stanicí PCT 40 od firmy Armfield přispívá ke zvýšení efektivity praktické výuky provozního měření a řízení v oboru kontinuálních a vsádkových technologických procesů. Nové laboratorní úlohy komplexně seznamují studenty s analýzou a syntézou regulačního obvodu. Studenti pracují s reálnými modely řízených systémů s rozdílným fyzikálním charakterem. Takovým přístupem se u nich posiluje komplexní pohled a přístup k řešení problematiky provozního měření a řízení. Multifunkční stanice umožňuje výuku základních principů měření a řízení různých procesů a může být snadno rekonfigurována ke sledování teploty, tlaku, průtoku nebo stavu hladiny. S přídavným zařízením je možné rozšířit schopnosti základního modulu o řízení chemického složení média. Stanice je řízena počítačem a dodávaný výukový software s mnoha funkcemi a možnostmi dovoluje zaznamenávat průběh měřených a řízených veličin v reálném čase, studenti mohou měnit parametry modelovaného systému a analyzovat průběh procesu pro různé jeho konfigurace.

Technický popis stanice PCT 40

Pohled na celkovou sestavu multifunkční výukové stanice je na obr. 2. Sestavu tvoří základní modul PCT 40 s přídavnými moduly PCT 41 a PCT 42.

Obr. 2.

Obr. 2. Sestava multifunkčního systém pro výuku provozního měření a řízení (moduly PCT 40, PCT 41 a PCT 42)

Základní modul PCT 40 obsahuje vše, co je potřebné pro experimenty s jednoduchými zpětnovazebními regulačními obvody. Základem modulu je lisovaný podstavec (nosná konzole), na kterém jsou přimontovány provozní nádoby, čerpadla, senzory a další prvky elektrického připojení. Uprostřed nosné konzole je připevněna velká technologická nádoba s proměnným objemem náplně (akrylová nádoba má uvnitř odnímatelný válec, který je určen ke změně objemu nádoby). Malá provozní nádoba vpravo je vybavena elektrickým odporovým topením, termostatem a spirálovým tepelným výměníkem s možností ohřívání nebo chlazení náplně. Dále je k dispozici zubové čerpadlo na horkou vodu, dvě peristaltická čerpadla, proporcionální elektrický regulační ventil a tři dvoupolohové solenoidové ventily. Přístrojové vybavení zahrnuje senzory teploty, tlaku a rozdílu tlaků, průtoku a několik typů senzorů polohy hladiny. Vstupy a výstupy provozních nádob, čerpadel a ventilů lze navzájem propojovat. Konstrukce systému využívá rychloupínací spojovací prvky, které dovolují operativní změnu konfigurace se širokou variabilitou různých měřicích a řídicích obvodů (obr. 3). Stanice je připojena na vodovodní rozvod prostřednictvím tlakového regulačního ventilu s integrovaným filtrem. Průtok vody zařízením se mění v závislosti na nastavení regulátoru. Ke spojení s počítačem je multifunkční stanice vybavena rozhraním USB. Prostřednictvím počítače mohou být nastavovány či řízeny otáčky čerpadel, polohy ventilů a příkon topení.

Obr. 3.

Obr. 3. Regulační ventily a čerpadla s propojovacími hadicemi
Obr. 4. Příklad realizace jednoduchého regulačního obvodu (regulace teploty)

Velká technologická nádoba se používá pro úlohy spojené s měřením a regulací hladiny, a proto je vybavena různými druhy snímačů polohy hladiny (snímač plovákový, vodivostní s nastavitelnou hysterezí spínání a spojitý snímač hydrostatického tlaku s polovodičovými tenzometry). Malá provozní nádoba se používá zejména pro měření a regulaci teploty a vedle termostatu je vybavena třemi termoelektrickými snímači. Se základním modulem PCT 40 lze realizovat tyto typy regulačních úloh:

  • regulace hladiny vody v zásobníku při změnách průtoku na vstupu,

  • regulace průtoku změnami otáček čerpadla,

  • regulace teploty v nádobě změnami topného příkonu (obr. 4),

  • regulace teploty vody nepřímo ohřívané změnami průtoku (chladicího či topného) média ve výměníku.

Obr. 4.

Rozšiřující modul PCT 41 představuje model reaktoru, jehož součástí je nádoba s topnou, popř. chladicí spirálou, míchadlo s elektromotorem a snímač koncentrace pracující na principu měření elektrické vodivosti média.

Modul PCT 42 představuje snímač pH. Vzhledem k tomu, že měření a regulace pH patří v chemii mezi nejčastější průmyslové úlohy, lze multifunkční stanici s tímto modulem využít k realizaci úloh modelujících chování koncentračních směšovačů a chemických reaktorů v chemických a biotechnologických výrobách. S modulem PCT 42 lze realizovat další jednoduché i rozvětvené regulační obvody (obr. 5), a to:

  • jednoduché regulační obvody:
    – regulace složení média v reaktoru změnami průtoku v některém z přítoků,
    – regulace teploty média změnami průtoku topného média,
    – regulace teploty topného média změnami příkonu topení,
  • rozvětvené regulační obvody:
    – poměrová regulace dvou průtoků,
    – kaskádová regulace složení a průtoku,
    – dopředná regulace průtoku,
    – dopředná regulace průtoku kombinovaná se zpětnovazební regulací složení.
Obr. 5.

Řízení multifunkční stanice

Jako řídicí počítač stanice může být použit běžný PC s dostatečným výkonem, popř. s některými speciálními doplňky (karty pro styk s prostředím). Počítač komunikuje s multifunkční stanicí prostřednictvím rozhraní USB a sám tvoří rozhraní mezi uživatelem a modelovým systémem. Prostřednictvím programového vybavení, kompatibilního s operačními systémy Microsoft Windows 98/2000/XP, se na monitoru zobrazují schémata zapojení spolu s hodnotami výstupních signálů senzorů pro jednotlivé měřené veličiny a dále s hodnotami řídicích vstupů (obr. 6, obr. 7). Řídicí bloky poskytují uživateli možnost nastavovat řídicí paramet dvoupolohových i spojitých regulátorů a popř. i manuálně ovládat akční členy. Flexibilita systému dovoluje značnou variabilitu poruchových veličin, a umožňuje tak porovnávat efektivitu použité strategie řízení i hodnot nastavených parametrů řídicích prvků. Software umožňuje ukládat naměřené údaje, vytvářet grafické výstupy i exportovat data ve vhodném formátu.

Obr. 6.

Obr. 5. Příklad realizace rozvětveného regulačního obvodu (regulace pH)
Obr. 6. Panel pro ovládání multifunkční stanice prostřednictvím PC

Součástí softwaru stanice je instrukční nápověda i deset připravených zadání pro laboratorní cvičení. Tato cvičení ilustrují široký rozsah schopností stanice, sahajících od demonstrace provozního měření polohy hladiny, teploty, průtoku či tlaku, přes jednoduchou dvoupolohovou regulaci těchto veličin až po spojité řízení s PID regulátorem. S přídavným zařízením je možné realizovat i snímání koncentračních veličin, realizovat víceparametrové regulace a řízení v rozvětveném regulačním obvodu, popř. využívat pokročilé řídicí strategie. Software obsahuje též ovladač pro prostředí Labview, umožňující uživatelům sestavovat v tomto prostředí vlastní aplikační programy. Pokročilí uživatelé mohou vytvářet vlastní řídicí algoritmy např. pro vyšetřování a řízení nelineárních systémů napsané ve vhodném jazyce, jako je např. C++.

Vlastnosti multifunkční stanice

Multifunkční stanice v provozované sestavě umožňuje modelovat množství technologických procesů a jejich parametrů, s nimiž se uživatel setkává v provozní praxi. Patří sem tyto procesy:

  • kalibrace senzorů,
  • vliv umístění senzoru (jímka teploměru),
  • vliv dopravního zpoždění,
  • řízení přítoku nebo odtoku kapaliny u nádrží,
  • přímý ohřev (vytápění) i nepřímý ohřev nebo chlazení,
  • vsádkový proces, kontinuální proces,
  • vliv časových konstant systému (vliv změny objemu náplně),
  • vliv promíchávání náplně.
Obr. 7.

Obr. 7. Ukázka zobrazení: schéma modelu, naměřené údaje, nastavení regulátoru

Senzory použité v multifunkční stanici lze používat pro dvoupolohové nebo kontinuální snímání těchto veličin:

  • poloha hladiny (plovákový senzor s fixní hysterezí, proporcionální měření hydrostatického tlaku, dvoupolohový vodivostní senzor s nastavitelnou hysterezí),

  • průtok kapalného média (proporcionální turbínkový senzor, průřezová měřidla s clonou),

  • teplota (termoelektrické senzory bez jímky a s jímkou),

  • statický tlak, rozdíl tlaků (proporcionální piezorezistivní senzory tlaku a rozdílu tlaků),

  • koncentrace (snímač elektrické vodivosti roztoku, snímač pH).

V multifunkční stanici lze použít různé typy a strategie řízení, a to:

  • ruční řízení (vliv přímého a reverzního zásahu),
  • dvoupolohové řízení s pevnou a nastavitelnou hysterezí,
  • PID regulace (vliv nastavení konstant regulátoru),
  • vlečná, poměrová kaskádní a dopředná regulace

a porovnávat jejich efektivitu.

Pro ovládání a řízení procesů jsou k disposici tyto akční orgány (veličiny):

  • proporcionální elektrický regulační ventil,
  • dvoupolohové solenoidové ventily pro ovládání toku kapaliny,
  • časově proporcionální ovládání solenoidových ventilů,
  • proporcionální regulace otáček zubového čerpadla,
  • proporcionální regulace otáček peristaltických čerpadel,
  • dvoupolohový spínač odporového topení,
  • časově proporcionální ovládání spínače odporového topení,
  • proporcionální polovodičový regulátor příkonu odporového topení.

Souhrn a závěr

Stručně lze shrnout, že multifunkční stanice pro výuku provozního měření a řízení v sestavě základního modulu PCT 40 s rozšiřujícími moduly PCT 41 a PCT 42 poskytuje moderní způsob výuky provozního měření a řízení zejména v oblasti kontinuálních technologických procesů a nabízí mnoho variant laboratorních úloh modelujících procesy v chemických a potravinářských výrobních a zpracovatelských provozech. Několikaměsíční zkušenost s používáním stanice prokazuje, že nová laboratorní stanice významně přispívá k inovaci laboratorní výuky provozního měření a řízení. Pro její efektivní využití bude dále nutné nalézt vhodné pracovní režimy a sestavit a ověřit pedagogicky optimální zadání úloh pro studenty. S tím souvisí i tvorba učebních textů (návody pro laboratorní cvičení) se souborem vhodných zadání úloh pro posluchače bakalářského i magisterského studia i náměty pro samostatnou tvůrčí práci pokročilých studentů.

Poděkování
Práce vznikla při řešení úkolů podporovaných Rozvojovým projektem MŠMT č. 605/2004 a Výzkumným záměrem č. MSM 6046137306.

Literatura:
[1] Multifunction Process Control Teaching System. Katalog a uživatelská příručka firmy Armfield Limited, 2004. Dostupné na http://www.armfield.co.uk
[2] KADLEC, K.: Multifunction process measurement and control teaching system. In: Summaries Volume 15th International Conference on Process Control 05, Ed. Slovak University of Technology, Bratislava, 2005, p. 137.

doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
ústav fyziky a měřicí techniky
VŠCHT Praha
(karel.kadlec@vscht.cz)