Tipy, jak používat systém s uzavřenou smyčkou

Tipy, jak používat systém s uzavřenou smyčkou

Přehled: Jaké faktory byste měli brát v úvahu při rozhodování, zda použít řízení s otevřenou nebo uzavřenou smyčkou?

K příkladům systémů s uzavřenou smyčkou patří udržování teploty v peci, řízení výšky hladiny v nádrži nebo regulace průtoku a tlaku v procesu. Dalšími příklady může být udržování poloh nebo krouticího momentu servosystému anebo řízení pH či poměru chemických látek v kriticky významném roztoku. U většiny těchto příkladů se vyžaduje použití určitého algoritmu PID (proporcionální–integrační–derivační) společně s analogovými řídicími veličinami pro akční členy a analogovou zpětnou vazbou ze senzorů. 

U většiny postupů průmyslového řízení se vyžaduje určitý druh vztahu příčina–následek mezi akčními členy a senzory. Zpětná vazba však vždy nemá typickou analogovou podobu, jako je signál 4–20 mA nebo 0–10 V. Například převodníky a dekodéry jsou typickým senzorem u uzavřené poziční nebo rychlostní smyčky a interval u algoritmu PID je mnohem rychlejší než typická procesní smyčka. Také u řízení krouticího momentu se může využívat kombinace pozičních informací s proudovým odběrem servomotoru, čímž vznikne zcela nové řídicí schéma. Zpětná vazba ze snímacích zařízení je často kritickým faktorem pro zajištění bezproblémového chodu procesu. 

Dokonce i kriticky nevýznamné procesy, jako je plnění nádrže nebo zásobníku na „přibližně plný“ objem, vyžadují diskrétní senzory zajišťující, aby kapalina v nádrži nepřetekla. Senzory pro kritickou horní mez typu „high-high“ (HH) mohou být napevno připojeny k řídicím prvkům a fyzicky vypnout čerpadlo nebo zavřít ventil, aby zabránily přetečení. Stejný scénář lze použít pro signály kritické dolní meze typu „low-low“ k ochraně před poškozením odstředivého čerpadla. 

Za uzavřenou smyčku lze často považovat i diskrétní systémy. Mechanické akční členy, jako jsou pneumatické nebo hydraulické válce, mají obecně senzory na konci zdvihu signalizující dosažení konečné příkazové pozice. Namísto monitorování pozice akčního členu při každém přírůstkovém kroku se obvykle využívá časovač signalizující poruchu, když akčnímu členu trvá příliš dlouho dosažení jeho konečné pozice. 

Níže jsou uvedeny faktory, které je nutno vzít v úvahu při rozhodování, jak nebo jestli vůbec se má smyčka v procesu uzavřít: 

  • Náklady na senzory: Ve výše uvedeném příkladu plnění nádrže vodou pravděpodobně stačí použít diskrétní senzor výšky hladiny k aktivaci čerpadla/ventilu s určitým softwarovým algoritmem pro zajištění plynulého řízení. I v takovém případě se nejspíše použije napevno připojená záloha, jako je již zmíněný senzor typu HH. Analogové senzory jsou typicky dražší než diskrétní senzory, a to z důvodu snímacího prvku a vstupní karty řídicího prvku. V rozsáhlém procesu mohou být tyto náklady značné. 
  • Stalo se již zvykem zajistit, aby byly všechny možné procesní informace dostupné pro zobrazení v systému SCADA, i když nejsou pro proces kriticky významné. Nakonec je cena snímacích zařízení pro řízení jen zlomkem celkové ceny instalace. Pro výrobce OEM, kde mohou být nízké ziskové marže, by však náklady byly významným konkurenčním faktorem. 
  • Bezpečnost: Pokud hrozí nebezpečí úrazu nebo usmrcení pracovníků, je nutné vědět o procesu co nejvíce informací. Uzavření smyčky pomocí teploty nebo tlaku u systému kotlů může pro místní pracovníky znamenat rozdíl mezi životem a smrtí. Kromě toho, že smyčka musí být uzavřena pro přesné řízení a monitorování, předpisy často vyžadují použití redundantních systémů a certifikovaných hořákových systémů instalovaných kvalifikovanou třetí stranou. 
  • Poškození produktu: Některé produkty, jako jsou křemíkové plátky s polovodiči, vyžadují přesné řízení teploty, času, pozice a dávkování chemikálií. Selhání kteréhokoli z těchto vzájemně provázaných řídicích systémů může znamenat ztrátu celého plátku s tisíci integrovanými obvody nebo procesory. 
  • Zde opět nelze šetřit na senzorech a přesném řízení smyčky. Totéž platí i u výroby farmaceutických produktů a lékařských zařízení. Uzavření smyčky má vliv na zajištění bezpečnosti a chrání před poškozením drahých produktů. 
  • Kritický význam/důležitost shody dílů: Záleží od určité míry na tom, jak křupky a většina bonbonů vypadají? Už jste někdy dostali pytlík dílů k sestavení a našli jste šroub či matici navíc nebo v horším případě vám jeden díl chyběl? To jsou příklady situací, kdy důsledky méně přesného řízení nejsou tak závažné. Namísto neustálého monitorování a řízení procesu lze použít závěrečné nebo průběžné kontroly kvality, jako je vážení nebo počítačové vidění. 

Použijeme-li opět příklad plnění nádrže vodou, pokud je cílem jednoduše udržovat nádrž relativně plnou, lze použít jeden nebo více diskrétních senzorů výšky hladiny společně s časovači a ukazatelem stavu ventilu nebo čerpadla pro určení, zda je v nádrži voda. Jestliže je vody příliš mnoho nebo příliš málo, může zaznít zvukový signál a údržbáři budou moci problém řešit. Jde o levnější řešení než používat snímače síly nebo jiná analogová měřicí zařízení pro udržování přesné výšky hladiny v nádrži. Také nároky na údržbu jsou nižší, protože diskrétní senzory není nutno kalibrovat. 

Většina procesů v průmyslových řídicích systémech je v určitém smyslu uzavřená. Pokud díl přepravovaný po dopravníku projde na své cestě do zpracovací stanice okolo senzoru, pak časovače a programy nakonec dají operátorům vědět, zda se díl zasekl nebo byl odebrán před dosažením své destinace. 

U procesů, kde je důležité udržovat měřené hodnoty analogového vstupu, jako jsou tlak, výška hladiny nebo teplota, a tyto hodnoty musejí být navíc nastaveny pro různé operace, může být jediným řešením analogové řízení výstupní veličiny. Opět to obvykle zahrnuje určitý druh algoritmu PID. Senzory, akční členy a karty rozhraní řízení budou dražší než digitální vstupy/výstupy a budou vyžadovat kalibraci. V jiných situacích, kdy může být řízení s uzavřenou smyčkou volitelné, je nutno zvážit výše uvedené faktory. 

Frank Lamb je zakladatel společnosti Automation Consulting a člen redakčního poradního sboru časopisu Control Engineering. Blog Automation Primer je obsahovým partnerem vydavatelství CFE Media. Upravila Emily Guentherová, zástupkyně obsahového ředitele, Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com