Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Regulační algoritmy a jejich implementace v řídicím systému

Regulační algoritmy a jejich implementace v řídicím systému

Jaroslav Jančík, Milan Kučera

Článek popisuje některé složitější regulační struktury (na příkladech technologických zařízení či jejich částí) a ukazuje jejich implementaci při použití PID regulátorů. Informuje dále o možnostech produktu Pertinax (programové „jádro“ provozních řídicích stanic řídicího systému ZAT Plant Suite MP) z hlediska regulačních úloh. Popisuje tzv. regulační knihovnu produktu Pertinax a vlastnosti jejích prvků, zejména několika variant PID regulátorů. Tyto regulační prvky lze spojovat podle potřeby a charakteru dané regulační úlohy do různých struktur a schémat.

1. Úvod

Regulace ve smyslu řízení spojitých veličin ve zpětnovazební smyčce (obvykle s použitím PID regulátoru) patří k nedílné součásti realizací dodávek firmy ZAT, a. s., u mnoha řídicích systémů různých technologických celků a jejich částí. Pro tyto účely jsou v systému Pertinax (základní programový prvek řídicích stanic stanic průmyslového řídicího systému ZAT Plant Suite MP) k dispozici bloky PID regulátorů a dalších pomocných funkcí (selektor, filtr, generátor atd.). Obr. 1. Uvedené bloky byly vytvořeny na podkladě propracované teorie a s respektováním dlouhodobých zkušeností nabytých v praxi. Jejich vývoj pokračuje i v současné době mj. ve spolupráci s katedrou kybernetiky Fakulty aplikovaných věd ZČU v Plzni. K hlavním rysům PID regulátorů v systému Pertinax patří stabilita, robustnost a univerzálnost. Součástí regulační knihovny obsažené v systému jsou i nástroje k naladění parametrů PID regulátorů. Velký význam má při implementaci regulačních schémat v technologických procesech i vysoká odbornost specialistů firmy ZAT v oblasti regulace, která vychází jak z teoretických základů, tak z mnoha rozličných realizačních zkušeností.

2. Regulační struktury

2.1 Obecný regulační obvod
Znalost funkcí a možností bloků regulační knihovny a jejich návazností v rámci celého řídicího systému ovšem představuje jen jednu část předpokladů vedoucích k úspěšnému návrhu regulačního obvodu. Druhou, neméně důležitou částí je schopnost rozpoznat v (reálném) technologickém zařízení základní (teoretické) regulačních struktury – těžko se dosáhne úspěchu např. při použití jednoduchého regulátoru na chemickém reaktoru, který vyžaduje strukturu s kaskádní regulací. Obr. 2. Třetí důležitá část je znalost řízeného technologického zařízení, vlastně procesu, který v něm probíhá (např. proto, že projektant musí vědět, jaké si může dovolit experimenty ve fázi ladění regulátorů, aniž by poškodil technologické zařízení nebo fatálně znehodnotil výrobek).

Následující text je věnován především popisům regulačních struktur s odkazem na typické technologické procesy a zařízení, kde se s těmito strukturami lze setkat. Nejprve si ale na obr. 1 pro pořádek připomeňme známé schéma obecného zpětnovazebního regulačního obvodu, v němž se vyskytuje jednak řízený proces (technologické zařízení) a jednak vlastní regulátor. Na proces působí obecně libovolné poruchy, které brání tomu, aby regulované veličiny zůstávaly na konstantních (požadovaných) hodnotách. O to se snaží regulátory, které s použitím zpětné vazby ovlivňují chování procesu prostřednictvím akčních veličin. V uvedeném obecném schématu regulačního obvodu není nijak specifikován typ procesu, počet ani charakter jednotlivých veličin, ani počet, charakter, vazby a algoritmus regulátorů.

Obr. 3.

Obr. 1. Obecný regulační obvod
Obr. 2. Regulace teploty
Obr. 3. Schéma jednoduché regulační smyčky

Nejčastěji je v praxi v průmyslu používán regulátor typu PID. Základním zapojením bloku PID regulátoru je zpětnovazební regulační smyčka se spojitým výstupem, pro některé regulované systémy s modifikací dvou- či třístavovým výstupem (servo), popř. s doplňkem v podobě zpětné vazby z akčního servočlenu. Regulátor je možné provozovat v manuálním i automatickém režimu, s pevnou i proměnnou žádanou hodnotou; regulátor také vyžaduje efektivní algoritmus vysledování. Jak vstupy, tak i výstupy regulátoru mohou být přepočteny libovolnou výpočetní funkcí realizovanou prostřednictvím „okolního“ schématu z numerických i logických bloků.

Obr. 4.

Obr. 4. Schéma programové regulace
Obr. 5. Cihlářský lis

Obecné schéma podle obr. 1 bude v dalším textu jednotlivě konkretizováno ve smyslu naznačeném v předchozím odstavci. V textu i na obrázcích přitom označuje „R“ blok regulátoru, „S“ regulovaný systém, y regulovanou veličinu (Process Value – PV), u akční zásah regulátoru (Manipulated Value – MV) a w žádanou hodnotu regulované veličiny (Set Point – SP); dále je zřejmé, že výstupy procesu jsou vstupem regulátoru a naopak.

2.2 Jednoduchá regulační smyčka
Jednou z typických (a početně v průmyslu velmi hojně zastoupených) úloh regulace je řízení teploty, resp. její udržení na požadované hodnotě (viz obr. 2, kde je vytápění regulováno průtokem elektrického proudu v topné spirále). Obr. 5. Podobnou úlohou jsou např. regulace polohy hladiny v nádrži, regulace průtoku apod. V těchto případech se uplatňuje jednoduchá regulační smyčka podle obr. 3. Regulátor v tomto případě může být buď obyčejný dvoupolohový (on/off) regulátor s hysterezí, nebo PI regulátor.

2.3 Programová regulace
Pro technologické procesy, při nichž je produkt vyráběn po dávkách, je často požadováno vytvoření programu, podle kterého se mění žádaná hodnota regulované veličiny. Jedná se o relativně malou modifikaci (obr. 4) předchozího schématu z obr. 3, a to navíc provedenou mimo vlastní regulátor: jakožto zdroj požadované hodnoty zde nevystupuje konstanta, ale proměnná veličina, jejíž hodnota se mění podle předem dané křivky v čase (zdrojem je naznačený generátor požadované hodnoty; často se jedná o funkci po částech lineární). Typickým příkladem je komorová pec, kde je předepsán technologický postup vypalování, např. postupné zahřátí, výdrž na dané teplotě a následné postupné zchlazení keramické suroviny pro výrobu zubních protéz.

Obr. 6.

2.4 Systémy s dopravním zpožděním
U systémů s dopravním zpožděním se v podstatě jedná o stejné schéma jako u jednoduché smyčky, ovšem parametricky zkomplikované principiálním zpožděním mezi akčním zásahem a odpovídající odezvou (změnou) regulované veličiny: lze je najít např. v případě, že čidlo teploty není umístěno přímo v ohřívaném médiu, ale třeba na špatně tepelně vodivém plášti nádoby. Jiný typický případ systému s dominantním dopravním zpožděním je regulace tlaku v předústí cihlářského lisu – tento tlak se zde reguluje vlhčením (napařováním) cihlářského materiálu v prostoru míchacích šneků, který je poměrně dost vzdálen od vlastního předústí lisu (viz obr. 5 ukazující reálný monitorovací snímek z cihelny). Tlak v předústí je přitom pouze nepřímým indikátorem plasticity materiálu, která teprve má přímý vliv na kvalitu výsledného výrobku, neboť na ní záleží rozložení tlaku suroviny ve formě, a tím deformace cihly při sušení a výpalu.

Obr. 7.

Obr. 6. Chemický reaktor
Obr. 7. Schéma kaskádní regulace
Obr. 8. Regulace „tanečníku“

Je třeba poznamenat, že k regulaci systémů s velkým dopravním zpožděním nelze použít běžný přístup s PI(D) regulátorem. Optimálně navržený regulátor vykazuje malé zesílení, a tudíž není schopen účinně odstranit vliv poruchy. V případech systému s velkým dopravním zpožděním je vhodné použít regulátor se Smithovým prediktorem ve funkci modelu tak, že regulátor je naladěn na systém bez dopravního zpoždění a reguluje model systému. Výstup tohoto modelu je po zpoždění porovnáván s výstupem fyzického systému.

Obr. 8.

2.5 Kaskádní regulace
Úlohy regulace teploty často vedou i k dalšímu regulačnímu schématu – kaskádní regulaci, která se používá pro systémy s jedním vstupem a několika výstupy. Pokud systém obsahuje výstupy, které rychleji reagují na změnu akčního zásahu, je výhodné je použít pro kaskádní regulaci (pokud bychom zůstali u jednoduché regulační smyčky, bez dodatečných výstupů, dostali bychom typickou úlohu s dopravním zpožděním, často s tak velkým, že jednosmyčkovým regulátorem není řešitelná).

Vždy se postupuje tak, že čím je smyčka rychlejší, tím se nachází hlouběji uvnitř kaskádní struktury. Na obr. 6 je schéma chemické reakční nádoby, ve které je nutné regulovat teplotu. Nádoba je dvouplášťová: vnější prostor je vyhříván horkou kapalinou, která je ohřívána ve výměníku napájeném přehřátou párou. Na odvodu kondenzátu je regulační ventil, kterým lze regulovat výšku hladiny kondenzátu ve výměníku, čímž se mění jeho výkon. Obr. 9. Výška hladina kondenzátu je tedy prvním výstupem, tím, který nejrychleji reaguje na změnu akčního zásahu, tj. otevření regulačního ventilu (jediný vstup systému). Dalším výstupem je teplota kapaliny, která na změny reaguje rychleji než výsledná teplota uvnitř chemického reaktoru, která je třetím a posledním výstupem. Pokud by regulační ventil byl v provedení se servopohonem (další typická struktura vedoucí ke kaskádní regulaci), jednalo by se dokonce o čtyřnásobnou kaskádu. Poznamenejme, že na schématu daného regulačního obvodu v obr. 7 jsou pro jednoduchost uvedeny pouze dva stupně kaskády (není zde zakreslen obvod výměníku).

Obr. 10.

2.6 Systémy s dopřednou vazbou
Pokud regulovaný systém obsahuje výstup, na který má vliv „známá“ (tj. měřitelná) porucha, lze jej využít k zavedení dopředné vazby (poznamenejme, že použitý regulátor musí mít pro tuto veličinu speciální vstup). Na obr. 8 je regulace tzv. tanečníku. Tanečník slouží k vytváření zásoby tkaniny odvíjené z role; jedná se tedy o regulaci jeho polohy. Akčním členem, který ovlivňuje polohu tanečníku, je motor, který odvíjí tkaninu z role prostřednictvím odvíjecích válců. Poruchou, která působí na polohu tanečníku, je rychlost odebírání tkaniny do další části výrobního zařízení, v tomto případě stříhacího stroje, který tkaninu odebírá v cyklech. Osadí-li se odebírací válce snímačem otáček, je k dispozici potřebná měřená porucha dv. Ta se použije k vytvoření dopředné vazby jen s členem příslušného zesílení K (viz obr. 9).

Obr. 11.

Obr. 9. Schéma dopředné vazby
Obr. 10. Regulace hořáku
Obr. 11. Schéma poměrové regulace

Podobným případem je regulace polohy divadelních tahů – jedná se o navijáky s regulovanou rychlostí navíjení a s odměřováním polohy. Tyto navijáky slouží pro změnu kulis na scéně divadla (nad scénou je prostor, kam se kulisy „uklízejí“ v případě, že nejsou na scéně potřeba, a tento úklid je třeba provést co nejrychleji a přitom přesně a s maximální šetrností). V tomto případě je žádaná hodnota vytvářena generátorem (S-křivka polohové regulace) a jako dopředná vazba je do regulátoru zavedena hodnota rychlostního výstupu (aktuálně vypočítaná z derivace polohové S-křivky) přes vypočítaný multiplikativní koeficient.

2.7 Poměrová regulace
V některých případech je nutné udržovat poměr mezi dvěma hodnotami akčních zásahů. Příkladem je regulace výkonu hořáku v peci pro tavení čediče podle obr. 10. Regulovanou veličinou je teplota taveniny. Ta je řízena omezováním průtoku plynu do hořáku a v závislosti na průtoku plynu se musí též měnit množství vzduchu přiváděného do hořáku. To zajišťuje poměrová funkce (určuje optimální poměr směsi plyn : vzduch na základě známého průtoku plynu a je definována „kulisou“). V tomto jednoduchém případě se jedná o funkci jedné proměnné, která je obvykle realizována po částech lineární funkcí. Schéma této regulace je na obr. 11.

Obr. 12.

Obr. 12. Schéma selektorové regulace
Obr. 13. Injektážní čerpadlo

Složitějším případem je regulace Kaplanovy turbíny, jejíž výkon je regulován natočením rotorových lopatek. K dosažení maximální účinnosti je ale nutné natáčet také statorové lopatky. Ty se natáčejí nejen podle úhlu natočení rotorových lopatek, ale také podle spádu vodního sloupce a otáček turbíny. Poměrová funkce má pak tři vstupy – natočení rotorových lopatek, spád a otáčky. V praxi se obvykle používají jen první dva, neboť účinnost je důležitá především při chodu turbíny při jmenovitých otáčkách (které jsou konstantní). Dříve byla tato funkce realizována skutečnou mechanickou kulisou, v současné době je definována číslicově v podobě plochy interpolované přes definované body.

2.8 Selektorová regulace
Selektorová regulace podle schématu na obr. 12 se používá pro systémy s jedním vstupem, ale s několika výstupy. Jednoduchým příkladem je řídicí systém pumpy injektážního čerpadla na obr. 13. Čerpadlo čerpá betonovou směs do připravených vrtů pro zpevnění podloží před vlastní stavbou. Obr. 13. Řídicí systém musí zajistit regulaci na maximální průtok a maximální tlak. Podle toho, jak se mění pohlcování betonové směsi horninou, mění se i poměr mezi tlakem a průtokem. Z regulátorů tlaku a průtoku je tedy v každém kroku vybrán ten, který na výstupu generuje menší zásah, a druhý regulátor musí svůj stav vysledovat.

Jiným příkladem selektorové regulace je již zmíněný systém regulace vodní turbíny (či obecně energetického bloku), kde se uskutečňuje regulace otáček, regulace výkonu, regulace v ostrovním provozu apod. Každý z těchto režimů regulace vyžaduje jiný regulátor. Výstupy regulátorů jsou přes přepínač vedeny na společný akční člen a k přepínání regulátorů (automat/vysledování) dochází podle povelu stavového automatu.

2.9 Adaptivní regulace
Adaptivní regulací se obecně rozumí regulace, která reaguje na změnu parametrů, popř. struktury řízeného procesu změnou struktury a parametrů regulátoru. Adaptivní regulátory jsou předmětem zkoumání samostatného oboru, který zde nebude otevřen. Adaptaci regulace je totiž možné řešit také s použitím bloku, který má parametry PID jako „vstupy“, a je tedy možné jejich hodnoty průběžně měnit např. podle určitého specifického adaptivního algoritmu (obr. 14).

Obr. 14.

Obr. 14. Schéma adaptivní regulace
Obr. 15. Schéma regulačního obvodu v IDE Pertinax

Poznamenejme, že častěji než adaptivní regulace se v průmyslu v současné době používá přepínání regulátorů s různými parametry podle druhu provozu (viz odstavec selektorové regulace, popř. tzv. autotuner – automatické naladění parametrů PID regulátorů, viz dále).

2.10 Obecná regulační schémata
Poslední dva uvedené příklady regulačních struktur jsou již konkrétními ukázkami zcela obecných možností. Základní myšlenkou je umožnit tvorbu obecných regulačních schémat sestavených nejen z bloků regulátorů, ale i dalších (pomocných, numerických, logických atd). Kombinací těchto bloků lze vytvářet i velmi složitá regulační schémata se změnou parametrů i struktury, avšak stále se všemi hlavními výhodami PID regulace, kterými jsou jednoduchá implementace, podpora teorií a dostupné ladicí mechanismy. Jejich tvorba a použití takových schémat závisí na vlastnostech daného technologického procesu a pak již „pouze“ na schopnostech projektanta.

Obr. 15.

3. Regulační knihovna systému Pertinax

Systém Pertinax je softwarové jádro provozních řídicích stanic řídicích systémů značky ZAT (ZAT Plant Suite MP). Skládá se ze dvou „modulů“ – návrhového (IDE) a běhového (Runtime). Návrhový systém je implementován v prostředí operačního systému Windows jako grafický editor schémat, včetně ladicích nástrojů. Schémata jsou tvořena z bloků různých tříd (binární, numerické, zobrazovací, archivační, speciální, konverzní, regulační), které jsou propojeny datovými a řídicími spoji (viz např. obr. 15). Každé schéma má vstupní a výstupní tzv. vlajky, jejichž prostřednictvím je spojeno buď s dalšími schématy, nebo s ovladači řídicího hardwaru (karty I/O a komunikovaná zařízení). Modul Runtime, který takto navržená schémata interpretuje, tj. spouští algoritmy jednotlivých bloků a předává mezi nimi data, je provozován v řídicích stanicích systémů značky ZAT pod operačním systémem OS/9, popř. Linux.

Z hlediska regulace disponuje systém Pertinax bloky s průmyslovými regulátory v různých modifikacích. Všechny regulátory nabízejí bez dalších úprav standardní algoritmus PID regulace (následné značení již odpovídá konkrétní implementaci z obr. 16):

  • vstupy: požadovaná hodnota SP, řízená veličina PV,
  • výstupy: řídicí veličina MV, odchylka DE, příznak saturace SAT,
  • parametry: zesílení P a integrační I plus derivační D časové konstanty, typ regulátoru, limity výstupu,
  • režimy – manuální MAN, automatický AUT, ladění, sledování.
Obr. 16.

Obr. 16. Vnitřní schéma PID regulátoru v systému Pertinax

Uvedený algoritmus je doplněn systémy zamezujícími unášení integrační složky, možností filtrace derivační složky a velmi efektivním algoritmem pro vysledování prostřednictvím vstupu TV (pokud je regulátor ve sledovacím režimu, jeho výstup je roven hodnotě sledovacího vstupu; po přepnutí do automatického provozu se výstup začne měnit z poslední vysledované hodnoty). Dále regulátor obsahuje vstup pro pozastavení integrační funkce (IH), vstup pro připojení dopředné vazby DV, vstup pro hodnotu výstupu při manuálním režimu HV, rychlostní výstup regulátoru DMV (jako derivaci MV). Pro realizaci krokového regulátoru bez polohové zpětné vazby serva je pak navazující pomocný blok SCUV připojen přes výstupy MV, DMV a SAT, které mají v tomto režimu (icotype = SCUV) odlišný význam.

Dostupné varianty regulátorů jsou: spojitý PID regulátor (na obr. 16), spojitý PID regulátor s autotunerem (několik typů) a dále pomocné bloky pro krokový regulátor s polohovou zpětnou vazbou (třístavový výstup), krokový regulátor s rychlostním vstupem, ruční zadávání a šířkovou modulaci výstupu. Vzhledem k tomu, že co do základní funkční schopnosti (tj. parametrizace, propojování vstupů a výstupů do regulačního schématu, spouštění a časování atd.) se všechny regulační bloky shodují s ostatními bloky (numerické, logické, speciální), je možné tvořit i velmi složitá schémata – tedy nejen čistou regulační smyčku, ale i veškerou obecnou logiku a podpůrné algoritmy „okolo“. Celé toto regulační schéma lze sledovat (a ovládat) také z monitorovací úrovně (produkty InTouch a Reliance) přes standardní rozhraní OPC.

4. Použití regulačních bloků a schémat

V podstatě všechny shora uvedené příklady pocházejí z konkrétních regulačních úloh realizovaných firmou ZAT a. s. K referencím společnosti ZAT a. s. v oblasti řízení spojitých technologických procesů dále patří zejména:

  • regulační úlohy elektrárenského bloku (Mělník, Opatovice),
  • regulační úlohy teplárenského bloku (Písek, Dvůr Králové nad Labem),
  • regulace vodní turbíny (Mohelno, Dalešice),
  • řízení divadelní techniky (Stavovské divadlo v Praze, DJKT v Plzni),
  • regulace tlaku v předústí cihlářského lisu (Wienerberger, Heluz),
  • regulace pece a sušárny v cihelně (Wienerberger, Kryry),
  • regulace pohonu vyvažovacího tunelu Škoda Power,
  • řízení experimentální turbíny Škoda Power.

5. Závěr

V článku byly ukázány a popsány některé reálné regulační struktury v relativně izolované podobě – je zřejmé, že v praxi se projektant setká i s dalšími variantami (kaskádní regulace u servopohonu, ekvitermní regulace v budovách atd.) a kombinacemi (např. kaskádní regulace s dopřednou vazbou u regulace hladiny v parním kotli, série regulátorů tahu a rychlosti u válcovací trati apod.). Tento článek však neměl být ani vyčerpávajícím seznamem všech možných regulačních úloh, ani „hlubokou sondou“ do teorie regulace. Měl spíše ukázat právě něco z oblasti praktického know-how projektantů řídicích úloh s návazností na jejich realizaci s použitím univerzálního řídicího systému Pertinax, který zahrnuje rozsáhlou knihovnou regulačních bloků.

Úlohy zpětnovazební regulace jsou integrální součástí mnoha zakázek realizovaných společností ZAT. Pro jejich úspěšné řešení disponuje návrhový systém Pertinax ucelenou řadou komplexních modulů. Úspěch při implementaci regulace v reálných podmínkách je ale dán nejen kvalitou a výkonem regulačních bloků, které společnost ZAT vyvíjí ve spolupráci s Fakultou aplikovaných věd ZČU v Plzni (na základě grantu FI-IM3/056 Metody a algoritmy automatického nastavování průmyslových regulátorů a jejich implementace do řídicího systému ZAT-Plant Suite MP z programu podpory vědy a výzkumu Impuls), ale také znalostmi a zkušenostmi lidí, kteří s těmito nástroji pracují.

Literatura:
[1] Kolektiv autorů ZAT a. s.: Pertinax – Referenční příručka, Rev. 3, 2001.
[2] Kolektiv autorů ZAT a. s.: Pertinax – katalog funkčních bloků, Rev. 2, 2000.
[3] JANČÍK, J.: Regulační algoritmy v řídicím systému ZAT-Plant Suite MP. In: Sborník z konference Automatizace, regulace a procesy – ARaP 2006, Brno, listopad 2006.

Ing. Jaroslav Jančík,
Ing. Milan Kučera, ZAT a.s.,
(jaroslav jancik@zat.cz)