ПИД-регулятор модели UP750

Регулирование

• предельное (ON/OFF);
• по ПИД-закону, одноконтурное;
• по ПИД-закону, двухконтурное;
• по ПИД-закону, каскадное;
• программное: по уставке, автоматически изменяющейся по заданной программе.

Входной сигнал

• 1 или 2 основных входа:
• токовый (с внешним шунтом): мА;
• напряжения: мВ, В;
• термосопротивление: Pt100;
• термопары: K, J, T, B, S, R, N, E,  U, W.

Дополнительный вход:

• напряжения: В;
• токовый (с внешним шунтом): мА.

Вход обратной связи позиционера:

• потенциометр 100…2500 Ом.

Выходной сигнал управления

• 1 или 2 универсальных выхода (в зависимости от заказа)   
• непрерывный (4…20 мА) по ПИД-закону;
• релейный (ШИМ) по ПИД-закону или ON/OFF;
• транзисторный (ШИМ, 0/12 В) по ПИД-закону;
• релейное трехпозиционное управление позиционером с обратной связью (вперед/назад).

Тип сигнала управления выбирается пользователем при помощи клавиатуры.

Выходные сигналы

• нормированный (1 или 2 канала): 0…20 мА (4…20 мА) или источник питания внешнего датчика 14…18 В/21 мА.
• сигнализации: 3 реле и 4 транзисторных выхода.

Погрешность

• измерение/индикация: ± 0,1% шкалы;
• аналоговый выход: ± 0,3% шкалы.

Программируемая временная функция

• количество программ: 300;
• количество сегментов в одной программе: 99.

Порт связи

• RS485/RS422 (MODBUS).

Питание

• 90…264 В/50 Гц/20 ВА.

Параметры окружающей среды

• температура: 0…50 °С;
• влажность: 20…90%.

Габариты

• 96x96x111 мм.

Пылевлагозащищенность

• передняя панель: IP55.

Типовые применения

• регулятор UP750 обладает самыми широкими функциональными возможностями из серии регуляторов UT/UP и предназначен для регулирования параметров технологического процесса по программе, установленной пользователем.

Отличительные черты и преимущества

• два контура ПИД-регулятора позволяют реализовывать каскадные и двухконтурные структуры регулирования;
• функция вычислений пользователя: при помощи программного обеспечения LL200 можно активизировать логические и математические функции прибора для организации нестандартных структур регулирования. В этом плане регулятор UT750 можно рассматривать как простейший ПЛК с двумя контурами ПИД-регулирования;
• программная функция позволяет поддерживать выполнение сложных технологических процессов.

Каждый контур регулирования обобщенно можно рассматривать как систему, состоящую непосредственно из самого обьекта регулирования и регулятора, который через исполнительное устройство может влиять на регулируемый параметр объекта.
Каждый регулятор можно охарактеризовать:

• законом, на основе которого осуществляется регулирование;
• типами входных сигналов (первичных датчиков);
• типами выходных сигналов управления (исполнительных устройств);
• способом задания уставки регулирования;
• дополнительными возможностями (дополнительные функции, дополнительные входы/выходы).

Рассмотрим все эти характеристики более подробно на примере регуляторов серии UT/UP.

Предельное (On/Off) регулирование

Самой простой реализацией регулирующего устройства является предельный регулятор (On/Off control) — это может быть, например, обычный индикатор со встроенным реле сигнализации. В таких устройствах осуществляется прямое сравнение измеренной величины с заданной уставкой, и при смене знака результата сравнения (превышение/понижение уставки) происходит включение или выключение управляющего воздействия с заданным гистерезисом.

В системах с этим способом регулирования из-за наличия гистерезиса и ограниченности управляющего сигнала действительное значение параметра будет всегда периодически колебаться относительно заданной величины, т. е. всегда будет наблюдаться рассогласование. Несколько увеличить точность регулирования можно, уменьшая гистерезис переключения, но это приводит к увеличению частоты переключения выходного реле и снижению его жизненного цикла. Т. о., регуляторы этого типа непригодны для задач, где параметр регулирования отличается высокой динамикой и где требуется точное поддержание значения регулируемого параметра. Возможное применение предельных регуляторов — объекты с большой инерционностью и невысокими требованиями к точности регулирования.

ПИД-регулирование

Значительно улучшить точность регулирования можно применением ПИД-закона (Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный закон регулирования).
Для реализации ПИД-закона используются три основные переменные:

• P — зона пропорциональности, %;
• I — время интегрирования, с;
• D — время дифференцирования, с.

Ручная настройка ПИД-регулятора (определение значений параметров Р, I, D), обеспечивающая требуемое качество регулирования, достаточно сложна и на практике редко используется. ПИД-регуляторы серии UT/UP обеспечивают автоматическую настройку ПИД-параметров под конкретный процесс регулирования, сохраняя при этом возможность их ручной корректировки.

Пропорциональная составляющая

В зоне пропорциональности, определяемой коэффициентом Р, сигнал управления будет изменяться пропорционально разнице между уставкой и действительным значением параметра (рассогласованию):

сигнал управления = 100/P • E,

где E — рассогласование.
Коэффициент пропорциональности (усиления) К является величиной обратнопропорциональной Р:

К = 100/Р.

Зона пропорциональности определяется относительно заданной уставки регулирования, и внутри этой зоны сигнал регулирования изменяется от 0 до 100%, т. е. при равенстве действительного значения и уставки выходной сигнал будет иметь значение 50%.

где Р — зона пропорциональности;
ST — уставка регулирования.

Например:

• диапазон измерения 0…1000 °С;
• уставка регулирования ST = 500 °С;
• зона пропорциональности P = 5%, что составляет 50 °С (5% от 1000 °С);
• при значении температуры 475 °С и ниже управляющий сигнал будет иметь величину 100%; при 525 °С и выше — 0%. В диапазоне 475…525 °С (в зоне пропорциональности) управляющий сигнал будет изменяться пропорционально величине рассогласования с коэффициентом усиления К = 100/Р = 20.

Уменьшение значения зоны пропорциональности Р увеличивает реакцию регулятора на рассогласование, т. е. малому рассогласованию будет соответствовать большее значение управляющего сигнала. Но при этом, из-за большого усиления, процесс принимает колебательный характер около значения уставки, и точного регулирования добиться не удастся. При излишнем увеличении зоны пропорциональности регулятор будет слишком медленно реагировать на образующееся рассогласование и не сможет успевать отслеживать динамику процесса. Для того, чтобы компенсировать эти недостатки пропорционального регулирования, вводится дополнительная временная характеристика — интегральная составляющая

Интегральная составляющая

Определяется постоянной времени интегрирования I, является функцией времени и обеспечивает изменение коэффициента усиления (сдвиг зоны пропорциональности) на заданном промежутке времени.

сигнал управления = 100/P • E + 1/I • ∫ E dt.

Как видно из рисунка, если пропорциональная составляющая закона регулирования не обеспечивает уменьшение рассогласования, то интегральная составляющая начинает на периоде времени I плавно увеличивать коэффициент усиления. Через период времени I процесс этот повторяется. Если же рассогласование мало (или быстро уменьшается), то коэффициент усиления не увеличивается и, в случае равенства значения параметра заданной уставке, принимает какое-то минимальное значение. В этом плане об интегральной составляющей говорят как о функции автоматического выключения регулирования. В случае регулирования по ПИД-закону переходная характеристика процесса будет представлять собой колебания, постепенно затухающие к значению уставки.

Дифференциальная составляющая

Многие объекты регулирования достаточно инерционны, т. е. имеют задержку реакции на приложенное воздействие (мертвое время) и продолжают реагировать после снятия управляющего воздействия (время задержки). ПИД-регуляторы на таких обьектах будут всегда запаздывать с включением/выключением управляющего сигнала. Для устранения этого эффекта вводится дифференциальная составляющая, определяемая постоянной времени дифференцирования D, и обеспечивается полная реализация ПИД-закона управления. Дифференциальная составляющая есть производная во времени от рассогласования, т. е. является функцией скорости изменения параметра регулирования. В случае, когда рассогласование становится постоянной величиной, дифференциальная составляющая перестает оказывать воздействие на сигнал управления.

сигнал управ. = 100/P • E + 1/I • ∫ E dt + D • d/dt • E.

С введением дифференциальной составляющей регулятор начинает учитывать мертвое время и время задержки, заранее изменяя сигнал управления. Это позволяет значительно уменьшить колебания процесса около значения уставки и добиться более быстрого завершения переходного процесса.
Таким образом, ПИД-регуляторы, генерируя управляющий сигнал, учитывают характеристики самого объекта управления, т. е. проводят анализ рассогласования на величину, на продолжительность и скорость изменения. Иными словами, ПИД-регулятор «предвидит» реакцию объекта регулирования на сигнал управления и начинает изменять управляющее воздействие не при достижении значения уставки, а заранее.

ПИД-регуляторы серии UT/UP имеют универсальный вход, что позволяет использовать различные первичные датчики. Тип входного сигнала определяется пользователем при конфигурировании прибора:

• сигналы напряжения: В, мВ;
• сигналы тока: мА (для измерения токовых сигналов используется внешний резистивный шунт, поставляемый по заказу);
• термосопротивления: Pt100 (3-проводная схема включения);
• термопары: K, J, T, B, S, R, N, E, U, W.

Некоторые модели (например, UT55A) имеют дополнительный аналоговый вход для внешнего задания уставки регулирования или организации каскадной структуры регулирования.
Типы входных сигналов для дополнительного входа:

• сигналы напряжения: В;
• сигналы тока: мА (для измерения токовых сигналов используется внешний резистивный шунт, поставляемый по заказу).

Типы выходных сигналов управления

Непрерывный сигнал 4…20 мА (0…20 мА)

Импульсный сигнал (ШИМ сигнал)

В качестве выхода используется «сухой» контакт реле или транзисторный выход (импульсы напряжения). В этом случае управляющее воздействие может только полностью включаться или выключаться, и регулирование достигается за счет изменения процентного соотношения времени включения/выключения в установленном периоде времени. Приведенный ниже рисунок показывает отношение «вкл." и «выкл." состояний выхода управления, когда период установлен на значение 10 секунд. Установка меньшего периода позволит регулятору выполнять более точное управление с меньшими интервалами времени, однако сократит срок службы реле.

Для 20% выхода управления

Длительность состояния вкл.: 2 секунды Длительность состояния выкл.: 8 секунд

Для 50% выхода управления

Длительность состояния вкл.: 5 секунд Длительность состояния выкл.: 5 секунд

Для 80% выхода управления

Длительность состояния вкл.: 8 секунд Длительность состояния выкл.: 2 секунды

Трехпозиционное регулирование

В регуляторы с этим исполнением добавляется дополнительный выход для раздельного управления двумя исполнительными устройствами.
Как следует из названия, регулятор имеет три основные позиции:

• включено только первое исполнительное устройство;
• включено только второе исполнительное устройство;
• включены/выключены оба исполнительных устройства.

Существуют исполнения трехпозиционного регулятора, предназначенные для управления сервоприводом задвижки (позиционером). Главная особенность такого регулятора — наличие дополнительного входа для подключения потенциометра обратной связи, что позволяет обеспечить более точное позиционирование задвижки.

Устройства регулирования осуществляют сравнение текущего значения измеряемой физической величины с заданным значением (уставкой), обеспечивая устранение рассогласования (ошибки, вызванной внешним воздействием на объект регулирования или ошибки, вызванной изменением значения уставки).
При этом в качестве уставки регулирования может выступать:

• постоянное значение, которое может быть задано с клавиатуры регулятора или дистанционно: через дополнительный аналоговый вход либо через цифровой порт связи (все типы регуляторов);
• переменная величина, формируемая во времени по заданному закону самим регулятором в соответствии с требованиями технологического процесса (программные регуляторы);
• переменная величина, формируемая самим регулятором в зависимости от других параметров процесса (каскадные, двухконтурные регуляторы).

Как уже было сказано, кроме регулирования процесса по постоянному значению уставки (регуляторы серии UT), имеется возможность автоматического регулирования параметра технологического процесса во времени по программе пользователя.
Для обеспечения этой функции предназначены программные ПИД-регуляторы (регуляторы серии UP), которые хранят в памяти диаграмму требуемого изменения во времени регулируемого параметра.

Программа изменения регулируемого процесса во времени представляет собой кусочно-непрерывную линейную функцию, которая задается указанием значений регулируемого параметра в нужные моменты времени (S1.Sn), значений временных интервалов(t1.tn) или скорости изменения процесса.
Программа задается с клавиатуры прибора либо, при наличии порта связи, при помощи прилагаемого программного обеспечения.

AUTO

Регулятор полностью автоматически подбирает оптимальные значения ПИД-параметров, изменяя сигнал управления и анализируя реакцию объекта управления. Настройка производится однократно с автоматическим сохранением полученных значений в памяти.

SUPER

Оптимальная настройка ПИД-параметров подразумевает максимально быстрый выход параметра на заданное значение. При этом будет наблюдаться первоначальное перерегулирование, что для некоторых процессов недопустимо. Функция SUPER за счет некоторого снижения быстродействия обеспечивает слежение за тем, чтобы ни при каких условиях значение регулируемого параметра не превышало значения уставки.

Функция «рампы» — задание скорости изменения регулируемого параметра при смене значения уставки для избежания резких скачков.

ZONE

Позволяет определить несколько наборов ПИД-параметров для различных зон диапазона измерения с автоматическим выбором по заданным условиям.

Расширенные функции сигнализации (более 30 типов, обрабатывающих значения параметра и рассогласования). Кроме стандартной сигнализации регулятор может анализировать соответствие реакции объекта на сигнал управления. При обнаружении такого несоответствия считается, что присутствует какой-то сбой в работе системы в целом и подается сигнал тревоги. У регулятора имеются встроенные функции самодиагностики и контроля силовых цепей исполнительных устройств.

Аппаратные:

• индикация измеряемого параметра на ярком крупном дисплее — возможность использования регулятора в качестве измерительного индикатора;
• дополнительные входы/выходы — старшие в серии модели регуляторов имеют дополнительные входы/выходы для организации сложных систем регулирования;
• ручное управление процессом — режим MANUAL (прямое изменение значения выходного сигнала управления в ручном режиме);
• нормированный выход 0…20/4…20 мА — позволяет выдать на внешние устройства (например, на регистрацию) измеренное значение или сигнал управления;
• реле сигнализации — сигнализация или дополнительное управление по превышению/понижению значения заданных уставок;
• встроенный источник питания 24 В/30 мА — для питания токовых датчиков;
• порт связи RS422/RS485 (MODBUS) — позволяет объединить регуляторы в единую сеть. Управлять регуляторами по сети возможно при помощи:
   — одного из регуляторов в режиме Master,
   — компьютера через ОРС-сервер;
   — ПЛК с поддержкой MODBUS;
   — специализированной панели управления (терминала);
   — видеографического регистратора модели СХ;
• функция вычислений пользователя — модели UT750 и UP750 имеют изменяемую внутреннюю структуру, т. е. при помощи прилагаемого программного обеспечения LL200 можно организовать нестандартные структуры регулирования.

Одноконтурная

Рассмотрим один из распространенных объектов управления — печь нагрева, в которой требуется поддерживать постоянную температуру. Каждый объект управления можно рассматривать как совокупность нескольких взаимосвязанных объектов. В данном случае можно выделить непосредственно саму печь, нагревательный элемент, датчик температуры и нагреваемый объект. Характеристика объекта регулирования определяется как совокупность характеристик составляющих его объектов. В большинстве случаев можно считать, что задающей является характеристика (инерционность) печи и параметрами других объектов можно пренебречь. Т. е. считаем, что при помощи нагревателя обеспечивается достаточно равномерное распределение температуры, текущее значение которой и определяется термопарой.
Подобная структура регулирования, в которой происходит управление одним параметром и имеется один вход и один выход, называется одноконтурной. Построить одноконтурную систему регулирования можно при помощи любой модели регулятора серии UT/UP.

Каскадная

Другой пример. Нагреватель печи имеет избыточную мощность и объект нагрева может с одной стороны перегреться, а с другой — остаться холодным. Если подобный режим нагрева недопустим, то одноконтурного управления будет уже недостаточно. Для обеспечения равномерного нагрева объекта необходимо измерять температуру уже в двух точках: рядом с нагревателем и в самом холодном месте. ПИД-регулятор должен содержать два ПИД-звена, включенных последовательно. Первое ПИД-звено (вход — температура в холодном месте) будет вырабатывать значение уставки регулирования для второго звена (вход — температура около нагревателя). Подобная структура регулирования из двух последовательно включенных ПИД-регуляторов, имеющая два входа и один выход управления, называется каскадной.
Еще один случай каскадного регулирования — управление температурой реактора полимеризации. Температура внутри реактора поддерживается подачей в рубашку реактора пара или холодной воды, причем температура самой рубашки должна находиться в заданном диапазоне. Для управления реактором используется ПИД-регулятор с каскадной структурой и трехпозиционным выходом управления (нагрев/охлаждение).

Каскадные структуры регулирования можно реализовать при помощи одного из регуляторов моделей UT55A, UP550, UT750 или UP750.

Двухконтурная

Двухконтурный ПИД-регулятор содержит два независимых ПИД-звена (контура) для управления двумя параметрами одного объекта или двумя объектами одновременно. Например, управление двумя связанными контурами охлаждения.





Двухконтурное регулирование можно реализовать при помощи одного из регуляторов моделей UT55A¹⁾, UP550¹⁾, UT750 или UP750.

Программное управление температурой и давлением

Регулятор по установленной программе управляет процессом «нагрев/охлаждение» с одновременным изменением давления в рабочей камере.

Система регулирования концентрации газа

Одноконтурная система с внешним аналоговым задатчиком.

Задающим является значение расхода воздуха. По этому значению вычисляется необходимое количество газа, рассогласование с действующим значением и по установленному ПИД-закону формируется сигнал управления.

Управление расходом газа с повышенной точностью (корректор расхода)

Для обеспечения необходимой точности измерения расхода газа в процесс вычисления нужно ввести поправки, учитывающие давление и температуру газа. Данная задача решается на основе регуляторов UT750 (UP750) при помощи специального программного обеспечения LL200.

Используя данную программу, можно перестроить типовую структуру регулятора для решения задачи коррекции расхода газа и ввести необходимые формулы для автоматического вычисления поправок на температуру и давление.

¹⁾ По ПИД-закону.
²⁾ Дополнительный аналоговый вход позволяет работать с внешним задатчиком и создавать каскадные структуры управления.
³⁾ По сути представляет собой два ПИД-регулятора в одном корпусе. При помощи одного регулятора можно реализовывать каскадные и двухконтурные структуры регулирования.

Все регуляторы могут оснащаться портом связи RS422/RS485 (протоколом MODBUS, PC-Link, Ladder) и дополнительным выходом управления (процесс «нагрев/охлаждение»).