Instrumentsystem

Ett instrumentsystem kan innehålla följande delar:

  • Mätpunkter (givare)
  • Styrpunkter (styrdon)
  • Regler- och styralgoritm (regulator)

Man skiljer mellan styrning och reglering. Vid reglering finns en återkoppling av utfört styringrepp. Regleringen kompletteras ibland av en styrning, så är exempelvis fallet i framkoppling. Vid reglering (eng. Feedback) skiljer man på regulatorproblemet och servoproblemet. I servoproblemet prioriteras följningen av börvärdet som i positionering av en robotarm. I regulatorproblemet prioriteras inverkan från yttre störningar. Börvärdet kan vara konstant under långa perioder. Detta kallas också konstantreglering. Reglersystemet kan vara uppbyggt med enkretsregulatorer eller flerkretsregulatorer (styrsystem). Styrningen (regleringen) kan vara en- eller flervariabel, det vill säga använda en eller flera mätpunkter. Det vanligaste är att använda en mätpunkt. Då flera mätpunkter används kallas detta för multivariabel reglering. Vanliga specialfall av detta är framkoppling och kaskadreglering.

En mer avancerad form kallas överordnad modellstyrning (Model Predictive Control, MPC). Före val av styrstrategi måste lämpliga styrstorheter och mätvariabler bestämmas. Återverkan mellan olika variabler måste också analyseras. Val av mätpunkter och styrpunkter bestäms med avseende på inre återverkningar och optimal processmodell. Val av regleralgoritm innebär vanligen att man väljer en PID-funktion i regulatorn, även om andra algoritmer än PID förekommer. Regulatorns parametrar måste optimeras med avseende på önskad styrfunktion. Detta kan dock först göras efter det att hela reglerkretsen optimerats dvs. kretsen kontrollerats från mätpunkt till styrpunkt så att hela kretsen fungerar optimalt med avseende på mätkvalité och styrkvalité.
 

Styrning

Att styra ett objekt är att utföra en avsiktlig påverkan på objektet. På vilka sätt vi kan påverka objektet varierar naturligtvis med objektets natur. Ofta rör det sig exempelvis om hastighet, riktning eller temperatur.

Man kan dela upp objekten i två grupper:

  • Diskreta objekt. Där objekten kan påverkas till två eller flera fasta "lägen", exempelvis en strömställare.
     
  • Kontinuerliga objekt. Där objekten kan påverkas till vilket läge som helst inom vissa gränser, exempelvis höjdrodret i ett flygplan.
     

Reglering

Att reglera är att observera (vad händer), att jämföra (vad som ska hända) och att åtgärda (se till så att det som vi vill ska hända verkligen händer). Vid reglering använder vi både mätning och styrning. Vi observerar objektet, det vill säga vi mäter på det. Vi åtgärdar, det vill säga vi styr. Där emellan jämför vi, och beslutar vad vi ska åtgärda. Det är i jämförelsen och beslutet som det intressanta sker i regleringen. Den signal som vi mäter kallas för ärvärde eller mätvärde, PV (Process Variable). Det som ska ske beskrivs ofta av ett värde eller signal som kallas för referenssignal, ledvärde, börvärde, SP (Set Point). Åtgärdens signal kallas för styrstorhet eller utsignal, OUT (Output). Vi ska således på grundval av vad vi observerar bestämma ett handlingssätt. 

Som exempel tar vi ett vätskeflöde i ett rör. Vi vill att flödet ska ha ett visst värde, här 50 % av maximalt flöde. Om flödet minskar av någon anledning måste vi öppna ventilen mer. Vi vrider då på vår spak i kontrollrummet så att ventilen öppnar sig mer. Med andra ord har vi utfört en manuell påverkan. Det kan naturligtvis lika gärna röra sig om diskreta styrningar, exempelvis om flödet upphör i ledningen måste vi öppna en annan ventil så att vi får flöde i vår reservledning. Det finns regler som vi följer då något inträffar. Dessa regler kan vi kalla för en styrlag.
 

Styrlagen kan vara av formen:

  • Om tank nr 1 blir full ska vi öppna ventil nr 4.

Eller mer komplicerat:

  • Om skillnaden mellan önskat flöde och verkligt flöde är Δflöde så ska ventilen ändras 3 gånger Δflöde.

Eller som en kombination av dessa:

  • Om  flödet ändras Δflöde ska ventilen ändras 3 gånger Δflöde och om flödet överskrider 65 % av maximalt flöde ska dessutom ett larm aktiveras.


Styrlagarna kan realiseras på många olika sätt. Det absolut vanligaste idag är att realisera styrlagen som kod i ett program i en dator. Styrlagen vid reglering utgörs av en regleralgoritm som implementeras i en regulator. Regulatorn kan vara enkrets eller flerkrets eller ett styrsystem.

 

Regleralgoritmer

En regleralgoritm eller reglerekvation som den ofta kallas, är den styrlag som bestämmer hur regulatorns utsignal ska beräknas. Den vanligaste regleralgoritmen i industriella regulatorer är den så kallad PID-algoritmen. PID står för Proportionell, Integrerande och Deriverande. PID-algoritmen har funnits länge och implementerades först i mekaniska och pneumatiska regulatorer. Idag implementeras den i mikroprocessorbaserade regulatorer.

Mikroprocessorbaserade regulatorer delas in i:

  • Enkretsregulatorer 
  • Flerkretsregulatorer
  • Styrsystem.

Det finns många varianter av den ursprungliga algoritmen; vilket är olika tillverkares försök att lösa de specialfall där original PID-algoritmen inte är optimal.
 

PID-algoritmen kan beskrivas med matematiska uttryck i både tidsplanet och frekvensplanet:

 

I en mikroprocessorbaserad regulator är det en tidsdiskret version av ovanstående algoritmer som är implementerad. Det innebär bland annat att regulatorn arbetar med förändringar. Regleralgoritmen räknar ut en förändring av utsignalen, u, som baseras på förändringarna i avvikelsen, e.

De vanligaste varianterna på regleralgoritmen är att P- och eller D-delen inte beräknas på regleravvikelsen, e, utan på ärvärdet, PV. Anledningen till detta är att det kan bli onödigt stora utsignalsändringar som stör processen för mycket.

I regulatorerna finns ofta två parametrar som på engelska heter Bias och Ratio:

  • Bias är en nollpunktsförskjutning som används för att förskjuta signalers värde: B = A + Bias
     
  • Ratio är en kvot som används för att få ett visst förhållande mellan signaler: B = A x Ratio

Då både Bias och Ratio används blir formeln: B = A x Ratio + Bias
 

Regulatorer - enkrets

Med en enkretsregulator menas en regulator som endast kan styra en reglerloop. Den kan således utföra beräkningar för en enda regleralagoritm. Enkretsregulatorer används främst i små anläggningar med ett fåtal reglerkretsar. Enkretsregulatorn finns från mycket enkla och billiga till mycket avancerade med många funktioner och därmed ett högre pris. Enkretsregulatorer tillverkas oftast som en panelregulator, dvs. en enhet som sätts i en panel. Fördelen med enkretsregulatorer är framförallt priset, men de är också oftast enkla att använda. Nackdelen kan vara ett de har ett mycket begränsat användargränssnitt och på det sättet blir lite svårhanterade. Det finns dock enkretsregulatorer som man kan konfigurera med hjälp av en handdator eller PC och därmed få en bättre överblick över parametrarna. Många enkretsregulatorer går också att utrusta med kommunikationskort så att de går att koppla ihop i ett nätverk som kopplas till PC-datorer där de kan övervakas och konfigureras på ett liknande sätt som ett betydligt dyrare styrsystem.
 

Regulatorer - flerkrets

Med en flerkretsregulator menas en regulator som kan styra mer än en reglerloop. Den kan alltså utföra beräkningar för minst två regleralgoritmer på samma gång. Flerkretsregulatorer används främst i mindre anläggningar med ett mindre antal reglerkretsar. Flerkretsregulatorer är normalt relativt avancerade med många funktioner förutom att de innehåller fler reglerloopar. Fördelen med en flerkretsregulator är framförallt att det är lätt att konfigurera exempelvis kaskadregleringar då det inte behövs någon kabeldragning. Regulatorerna kopplas ihop programvarumässigt. Flerkretsregulatorer finns både som panelregulatorer och en del i mindre PLC-system och så vidare. Flerkretsregulatorer går oftast att koppla ihop i nätverk som kopplas till PC-datorer och därigenom övervakas och konfigureras som i ett styrsystem, men till en mindre kostnad.
 

Styrsystem

Med ett styrsystem menas ett system som klarar ett stort antal reglerkretsar, är utbyggbart, redundant och konfigurerbart via ett skärmsystem. Ett styrsystem ger användaren full frihet att programmera den styrlag som önskas. Möjligheterna är i det närmaste oändliga. Styrsystem kallas ibland för DCS-system efter engelskans Distributed Control System. Skillnaden mellan ett styrsystem och en flerkretsregulator suddas ut mer och mer.

Nackdelen med ett styrsystem är att det är dyrt om antalet reglerkretsar är litet. I en stor anläggning behöver kostnaden per reglerkrets dock inte bli så stor. En annan nackdel är att ett styrsystem kräver mycket av användaren. Det krävs en gedigen utbildning för att klara av att konfigurera ett helt styrsystem. Generellt kan man säga att man är ganska dålig på att utnyttja alla de möjligheter som ett styrsystem ger. Genom en större, djupare, kunskap om mät- och reglerteknik skulle många processer kunna göras mycket mer optimala bland annat genom att använda fler funktioner i styrsystemen. Detta ger i sin tur minskad energiåtgång.
 

 

Framkoppling

Framkoppling (eng Feed forward) innebär att själva störningen mäts, inte effekterna av den. Styrdonet styrs sedan ut med avseende på störningen. Mätningen av denna störning kallas för störsignal. Framkoppling kan göras både med avseende på störningar uppströms och nedströms i processen. Framkopplingen får störst effekt i kretsar med stor dödtid.

Framkoppling delas in i två grupper:

  • Statisk framkoppling
  • Dynamisk framkoppling
 

Statisk framkoppling

Statisk framkoppling är den enklaste typen och används nästan alltid som ett komplement till en PID-reglering. Framkopplingen består av en enkel multiplikation av störsignalen med en konstant (framkopplingsförstärkning) som sedan adderas till PID-regulatorns utsignal. Det förekommer även multiplikativa framkopplingar. Vid statisk framkoppling påverkar endast störningens storlek, man tar inte hänsyn till hur fort ändringen sker.

Statisk framkoppling kan kompensera bort 80 % av störningens inverkan i förhållande till om ingen framkoppling används.

Styrsignalen till styrdonet bildas i princip med följande uttryck:


Dynamisk framkoppling

Dynamisk framkoppling innebär att inte bara störsignalens storlek påverkar styrsignalen utan även hur snabbt störsignalen ändras. Den dynamiska framkopplingen kan i princip se ut hur som helst, vanliga funktioner är uppsnabbningsfilter och eftersläpningsfilter så kallad Lead och Lag filter som är de engelska uttrycken.

 
   Framkoppling

Framkoppling

   Framkoppling med överordnad reglerkrets

Framkoppling med överordnad reglerkrets

   Uppsnabbningsfilter (Lead)

Uppsnabbningsfilter (Lead)

   Eftersläpningsfilter (Lag)

Eftersläpningsfilter (Lag)



Kaskadreglering

Kaskadreglerkretsen (eng. Cascade control) består av två reglerkretsar: en överordnad och en underordnad. Den överordnade reglerkretsen har huvudreglerstorheten som sitt ärvärde och är huvudregulatorn. Vid kaskadreglering styr huvudregulatorn inte direkt på styrdonet utan den styr en flödesregulator, underordnade regulatorn, som i sin tur styr styrdonet. Meningen med denna konfiguration är att den underordnade regulatorn ska mer eller mindre helt reglera bort störningar som finns uppströms och därmed inte störa huvudreglerstorheten nämnvärt. Förutsättningen för att kaskadregleringen ska få avsedd effekt är att den underordnade reglerkretsen är minst 5-10 gånger snabbare än den överordnade. Med snabbhet avses periodtidernas eller tidskonstanternas storlek. Om skillnaden i snabbhet är uppfylld gör normalt en kaskadreglering stor nytta och minskar energiåtgång m.m. genom att minimera över- och undersvängar.

En viktig skillnad mellan kaskadreglering och vanlig PID-reglering är att vid kaskadreglering styrs flödet istället för ventilsignalen.

Sammanfattningsvis bör sägas att man egentligen alltid borde styra flödet vid reglering och inte bara ventilläget för att försäkra sig om ett fullgott resultat. Detta innebär att man i de flesta fall borde använda kaskadreglering. Emellertid är det är också en kostnadsfråga, vilket gör att vissa industrier endast använder sig av kaskadreglering på vissa viktiga huvudkretsar.

För att underlätta drifttagningen av en kaskadreglerkrets brukar den underordnade reglerkretsen normalt konfigureras för ärvärdesföljning dvs. börvärdet i regulatorn följer alltid ärvärdet i manuellt funktionstillstånd. Den överordnade regulatorn brukar normalt konfigureras med initialisering dvs. utsignalen  i den överordnade regulatorn följer alltid börvärdet i den underordnade regulatorn.

Vid parameteroptimeringen av regulatorerna bör den underordnade regulatorn ha PI-funktion samt göras snabb dvs. ha minimiarea-karakteristik. Den överordnade kan ha PI- eller PID-funktion. Den underordnande regulatorn ska alltid parametreras först.
 

Styrstrategi

Styrstrategi handlar om att bestämma vilken som är huvudreglerstorheten, vilken styrstorhet som ska väljas och vilka störstorheter det finns. Vilka storheter behöver mätas? Efter det kan ett beslut tas om att välja styrstrategi, exempelvis enkel återkoppling, framkoppling, kaskadreglering.
 

Styrstorheter – val av

Det är viktigt att i ett tidigt konstruktionsskede av processen fastlägga vad som ska styras, dvs. förses med reglerventiler eller varvtalsstyrning. En samordning av processkonstruktörer och instrumentkonstruktörer är därför nödvändig. När styrstorheterna fastlagts ska styrpunkternas plats bestämmas. Dessa placeras normalt så nära mätpunkten som möjligt för att minimera dödtiderna i reglerkretsen. Dock får avståndet inte vara så litet att full reaktion inte hunnits utvecklats. En spädning måste hinna blandas och en kemisk reaktion utvecklas före mätpunkten. Att minimera dödtiden i ett reglersystem är viktigt för att få en bra konstanthållning och därav hög produktkvalité samt låg energiförbrukning.