Produksjon Og Automasjon52

Kompendium i praktisk reguleringsteknikk: Fag DSPEA50

Prosessautomatisering og praktisk reguleringsteknikk. Forelesningshefte innen Praktisk reguleringsteknikk Høgskolen i Vestfold Avd. RI Studieretning elektro-automasjon

Utgave 14/3-2005

Utarbeidet av : Roy Rasmussen. Høgskolen i Vestfold avd. RI-2005

1/118


Forord. .................................................................................................................................... 5

1:Produksjon og automasjon. ..................................................................................................... 6 Produksjonsanleggenes utvikling. .......................................................................................... 7

Håndverkerverkstedet......................................................................................................... 7 Småskala industriproduksjon. ............................................................................................ 7 Mellomskala industriproduksjon........................................................................................ 8 Storskala industriproduksjon/masseproduksjon................................................................. 8 Prosessindustri.................................................................................................................... 9 Produksjonsstøttesystemer. ................................................................................................ 9 Anlegg og innretninger..................................................................................................... 10 Regularitet og produksjonskapasitet. ............................................................................... 10 Ulike produksjonsmetoder, og deres karakteristika. ........................................................ 11 Beregning av produksjonen.............................................................................................. 11

Et eksempel på et kontinuerlig prosessanlegg...................................................................... 13 Batch – serieproduksjon. ...................................................................................................... 14

Produksjon og omstilling av produksjonen. ..................................................................... 15 Fabrikklayout. ...................................................................................................................... 15

Lavskalaproduksjon /Job-shop. ........................................................................................ 15 Mellomskalaproduksjon/ småserier.................................................................................. 16 Høyskalaproduksjon/ masseproduksjon. .......................................................................... 17 Produksjonsstøttesystemer. .............................................................................................. 18 Produktdesign................................................................................................................... 19 Produksjonsplanlegging. .................................................................................................. 20 Produksjonskontroll. ........................................................................................................ 20

Automatisering i produksjonskontrollsystemer. .................................................................. 21 Automatiserte produksjonssystemer. ............................................................................... 21 Fast automatisering. ......................................................................................................... 22 Programmerbar automatisering. ....................................................................................... 23 Fleksibel automatisering. ................................................................................................. 23

Hvorfor automatisere ?......................................................................................................... 26 Manuelt arbeid i moderne industrivirksomhet. ................................................................ 27 Manuelt arbeid i produksjonen........................................................................................ 27

Prosesskontroll og produksjonskontroll. .............................................................................. 29 Manuelt arbeid I produksjonsstøttesystemet. ................................................................... 30

Automatiseringsprinsipper og strategier. ................................................................................. 31 USA-prinsippet..................................................................................................................... 31

Utforsk og forstå den eksisterende prosessen. ................................................................. 32 Forenkling av prosessen. .................................................................................................. 33 Automatisering av prosessen............................................................................................ 33

Strategi i 10 punkter for automatiserings og produksjonssystemer. .................................... 34 AMS- automation Migration Strategy.................................................................................. 35

Dokumentasjon i/av prosessanlegg. ......................................................................................... 37 Prosessbeskrivelse. ............................................................................................................... 37 Blokkskjema......................................................................................................................... 37 Prosess-skjema. .................................................................................................................... 39 P&ID-skjema. ( TFS - teknisk flytskjema) ......................................................................... 45 Standardisering av . .............................................................................................................. 48 Dokumentasjonsomfang I automatiseringsanlegg. .............................................................. 50


2/118


Reguleringsteknikk................................................................................................................... 51 Ulike begrep brukt i reguleringsteknikken........................................................................... 51 Reguleringssløyfa................................................................................................................. 55 De ulike elementene i reguleringssløyfa: ............................................................................. 56

Prosessen. ......................................................................................................................... 56 Transmitter og reguleringsventil. ..................................................................................... 57 Regulatoren. ..................................................................................................................... 58

Reguleringssystemet............................................................................................................. 59 Reguleringsproblemet. ..................................................................................................... 59

Transferfunksjon og forenkling av denne. ........................................................................... 60 Seriekobling. .................................................................................................................... 61 Parallellkobling. ............................................................................................................... 61 Negativ tilbakekobling. .................................................................................................... 61 Positiv tilbakekobling....................................................................................................... 62 Medkobling eller motkobling? ......................................................................................... 62

Reguleringssløyfa i prosessen. ................................................................................................. 63 Direktevirkende og reversert regulatorfunksjon. ................................................................. 63 Kaskaderegulering................................................................................................................ 64 Forholdsregulering. .............................................................................................................. 65 Foroverkobling. .................................................................................................................... 65

Komponentene i reguleringssløyfa og prosessen. .................................................................... 66 Transmitteren. ...................................................................................................................... 66 Pådragsorganet. .................................................................................................................... 69

Ulike typer reguleringsventiler......................................................................................... 69 Ventilens gjennomløpskapasitet....................................................................................... 70 Ventilens virkemåte.......................................................................................................... 70 Gjennomstrømningskarakteristikken/ ventilkarakteristikken. ......................................... 72

Regulering av en prosess...................................................................................................... 73 Fra helhet til detalj............................................................................................................ 73 Syv mål for regulering og kontroll. .................................................................................. 75

Regulatoren. ......................................................................................................................... 76 Regulatorfunksjoner. ............................................................................................................ 78

Reguleringsproblemet. ..................................................................................................... 78 Regulatoralgoritmer. ........................................................................................................ 80 Proporsjonalregulatoren. .................................................................................................. 81 Proporsjonal-integralregulatoren...................................................................................... 84 Proporsjonal-integral og derivatregulatoren..................................................................... 85

Hvilke krav må vi stille til regulatorens funksjon? .............................................................. 87 Robusthet.......................................................................................................................... 87 Stabilitet. .......................................................................................................................... 87 Asymptotisk stabilt system............................................................................................... 88 Marginalt stabilt system. .................................................................................................. 88 Ustabilt system. ................................................................................................................ 88 Dempning. ........................................................................................................................ 89 Ytelsesfaktor..................................................................................................................... 89 Prosessforsterkning. ......................................................................................................... 90

Målelementet ................................................................................................................ 91 Transmitteren ............................................................................................................... 91 Pådragselementet.......................................................................................................... 91

Innstilling av regulatorer. ......................................................................................................... 93


3/118


Betingelser for bruk av verktøyet..................................................................................... 93 Ziegler-Nichols metoder. ..................................................................................................... 94

Ziegler-Nichols lukkede sløyfemetode. ........................................................................... 94 Ziegler-Nichols åpne sløyfemetode. ................................................................................ 96 Andre optimaliseringsmetoder. ...................................................................................... 100

Cohan-Coons metode. ................................................................................................ 100 IMC-metoden ( internal model control) ..................................................................... 101

Praktisk bruk av regulatoralgoritmer.............................................................................. 102 Eksempler på ulike regulatorfabrikanters algoritmer..................................................... 104

Regulatoralgoritmer. .......................................................................................................... 104 Programmerbare regulatorer. ......................................................................................... 109

Referanseliste: .................................................................................................................... 115


4/118


Forord. Dette kompendiet er utarbeidet til den ene halvdelen av faget DSPEA50 ved avdeling RI, høgskolen i Vestfold. Kompendiet er ment å skulle utfylle læreboka i praktisk reguleringsteknikk. (Finn Haugen: Praktisk reguleringsteknikk, Tapir) For mange av studentene som begynner med reguleringsteknikk blir selv denne læreboka for teoretisk, og problemstillingene er ofte svært teoretisk og matematisk satt opp og begrunnet. Har man ikke noen praktisk erfaring fra prosessindustrien er det vanskeig å teoretisere noe man ikke har opplevd i praksis. Selv dette kompendiet blir veldig teoretisk, nettopp fordi reguleringsteknikken behandles veldig teoretisk, men det er et forsøk på å tilnærme seg stoffet sett med en praktikers øyne, og med minimal bruk av teoretiske utledninger. Kompendiet starter med å se på hva en fabrikk er og hvorfor det er intereesant å automatisere den. Deretter går det inn i problemene med ulik automatiseringsgrad for så å se på hvordan man skal dokumentere et prosessanlegg. Deretter kommer det tunge stoffet, reguleringsteknikken, hvor kompendiet forsøker å legge vekt på praktisk anvendelse av ulike reguleringsteorier uten at matematikken i det skal ta overhånd. Lykke til! Borre 9/3-2005 Roy Rasmussen


5/118


1:Produksjon og automasjon. Moderne produksjon er mangfoldig. Den strekker seg fra enkeltoppdrag som lager ett stykk av et enkelt produkt, til serieproduserte komplekse enheter som moderne biler. Hensikten med dette notatet er å se på hvordan produksjon og automasjon henger sammen. Et historisk tilbakeblikk. Menneskene har laget produkter til eget bruk til alle tider. Verktøy og hjelpemidler for å lette hverdagen eller forbedre resultatet av selve produksjonsprosessen. Helt fra verktøyproduksjon for søm, fangst og matlaging hos de første menneskene, via hjulet og serieproduksjon av hjelpemidler til dagen integrerte produksjonsfasiliteter. I starten var produksjonen basert på håndverk og håndverksmessige tradisjoner og erfaring. Typisk for denne produksjonsformen er at et produkt ofte er enestående ( bare ett eksemplar), eller svært små serier. Disse produktene er oftest også spesialtilpasset den oppgaven de er laget for. Senere når samfunnet gikk over fra selvforsyning til byttehandel førte behovet for større serier og mer rasjonell produksjon til at håndverkerne slo seg sammen og laget felles produksjonsanlegg og utnyttet hverandres ulike kompetanse til felles beste. Men det var fremdeles basert på håndverksmessig produksjon og tankegang. I løpet av 1700-tallet endret samfunnet seg fra spredt bosetning til mer samlet bybebyggelse og større ansamlinger av mennesker på et lite areal. Dette medførte at menneskenes muligheter til egenproduksjon av nødvendige varer og tjenester ble svekket og det utviklet seg ”industri” som produserte disse nødvendighetene for bybeboerne. Kravene til både kvalitet og mengde av ulike varer økte, og behovet for større og mer effektiv produksjon vokste fram. I løpet av 1700 og 1800-tallet ble produksjonen sentralisert og mekanisert i den grad at samfunnet endret totalt karakter fra et selvforsyningssamfunn til et industrialisert byttesamfunn. Dette skjedde spesielt gjennom framveksten av mekanisert materialbearbeiding og industriell tøyproduksjon ( store spinnerier og veverier). Hovedgevinsten ved denne utviklingen var at man erstattet mye tungt manuelt arbeid med mekanisert maskineri, og dermed fikk opp produksjonskapasiteten og produksjonshastigheten vesentlig. Som vi vet ble det på denne måten etablert industri på slutten av 1800-tallet og denne utviklet seg videre utover 1900-tallet. Fra å samle mange individuelle produsenter i produksjonsfelleskap ( 1700-tallet), til å mekanisere produksjonsmediene på 1800-tallet ( Det dreide seg hele tiden om spesialiserte produksjonsanlegg som gjorde bare enkelte eller svært få arbeidsoperasjoner i hver ) , gikk utviklingen videre til å etablere integrerte produksjonsanlegg som ivaretok en kjede med ulike produksjonsprosesser fra råvareproduksjon til ferdige produkter innefor det samme produksjonsanlegget.


6/118


Produksjonshastigheten og produksjonsraten økte i anleggene og behovet for teknologisk overvåkning, kvalitetskontroll og produksjonskontroll vokste fram. I starten var disse kontroll og overvåkningssystemene en blanding av manuelle og mekaniske arbeidsoperasjoner. Etter hvert som kravene til hurtighet og kvalitet og økonomi økte ble mer og mer av disse systemene utviklet på elektrisk basis. Det førte oss dit vi er i dag med elektroniske overvåknings og kontrollsystemer som overvåker, kontrollerer og styrer produksjonsanleggene

Produksjonsanleggenes utvikling. Vi skiller ofte mellom flere typer produksjonsanlegg. Det dreier seg om alt fra håndverkerens verksted til avanserte sammensatte produksjonsanlegg med flere tusen ansatte. Disse produksjonsanleggene kan vi karakterisere ved bruk av følgende stikkord.

Anleggstørrelse Produksjonstype

Integrasjon av anlegg Automatisering

La oss se på hva som karakteriserer ulike typer produksjonsanlegg.

Håndverkerverkstedet. Denne typen produksjonsanlegg har vanligvis liten produksjonskapasitet, men er preget av stor tilpassningsevne og fleksibel og høy fagkunnskap. Evnen til omstilling og tilpassning til markedet er som oftest svært stor. Produserer sjelden varer i serie, men leverer kundetilpassede løsninger hver gang, ofte basert på en grunnmodell/ grunnidé og håndverksmessige tradisjoner. Det finnes knapt det vi kan kalle et produksjonsanlegg, men derimot verktøy av ulik kvalitet og kompleksitet og svært sjelden noen automatiserte arbeidsoppgaver.

Småskala industriproduksjon. Dette er ofte industribedrifter med et lite antall ansatte som har spesialisert seg på et begrenset produktspekter, og opptrer so underleverandør til geografisk nære bedrifter og håndverkere. Produktene har ofte kommet fram gjennom håndverksmessig tradisjonell virksomhet, og blitt raffinert til et industrielt småskalprodukt. Bedriftene har ofte blitt utviklet fra tradisjonelle håndverksbedrifter. Produktene produseres i et relativt lite antall ( 100-1000 enheter pr. år). De kan ofte være en sammensetning av enkle løsninger til en funksjonell enhet. Produksjonsutstyret kan være av til dels kompleks karakter, og være delautomatisert. Produksjonsutstyret er ofte utviklet ved egen bedrift og optimalt tilpasset produksjonen. Denne typen produksjonsutstyr krever som regel mye materialhandtering, har maskiner og verktøy som er fleksible i forhold til produktvariasjoner, men er ikke laget for effektiv produksjon. De fleste norske industribedrifter hører til denne kategorien av bedrifter.


7/118


Mellomskala industriproduksjon. Middels produksjonsvolum bruker vi om fabrikker som produserer mellom 100 og 10000 like enheter pr. år. Innen denne typen produksjonssystemer deler vi ofte inn i to produksjonsformer. Den ene kaller vi for batch-produksjon og den andre for celleproduksjon. Batch-produksjon. Middels produksjonsvolum betyr at man ofte må skifte produkter i produksjonslokalene. Hvis det er en omfattende jobb å skifte fra ett produkt til et annet så benytter man seg av batch-produksjon. Da lager man et begrenset antall av produktet ( stk.- produksjon) eller et begrenset antall blandinger av f. eks. et kjemisk produkt.. Celleproduksjon. Der hvor det ikke kreves så stor omstilling av produksjonsutstyret for å skifte til et annet produkt bruker man ofte cellestrukturen. Som for job-shop er hver celle konstruert og utstyrt for å kunne gjennomføre en spesialisert produksjon innenfor et begrenset produktområde. Setter man så produksjonslinjen sammen av ulike celler slik at det passer sluttproduktet kan man omstille produksjonen ved å endre rekkefølgen på og omfanget av celler.

Storskala industriproduksjon/masseproduksjon. Denne produksjonsformen karakteriseres av produksjon av en stor mengde identiske enheter over lang tid. Produksjonen er høyt spesialisert og er sjelden gjenstand for omstilling. Produksjonsvolumet er i 100000 til 1 000000 identiske enheter, og betegnes ofte som masseproduksjon. Masseproduksjon kan man dele inn i to kategorier, stykkproduksjon og samlebånd. Stykkproduksjon kjennetegnes ved at man har spesielle maskiner som er bestykket for å gjøre en, eller et meget begrenset antall operasjoner. Typisk er stanser, bøyemaskiner, innskruingsstasjoner og lignende. Ofte er mange identiske arbeidsplasser plassert ved siden av hverandre. Samlebåndsproduksjonen kjennetegnes ved at et produkt produseres ved å gjennomføre enkle arbeidsoperasjoner i en viss rekkefølge inntil produktet er komplett. Arbeidsstykket fraktes fra en arbeidsstasjon til den neste i en kontinuerlig strøm. Behovet for små variasjoner i produktspekteret også for slik masseproduksjon ( jmf. Bilproduksjon med ulike motorvarianter på samme bilmodell) har gjort at det finnes noen hybrider av de to masseproduksjonsvariantene. Disse kan handtere små produktvariasjoner i en ellers ensidig produksjon. Produksjonsenhetene i Norge er ofte av beskjeden størrelse i sammenlikning med internasjonale konkurrenter. Storskala industriproduksjon i Norge er for det meste innenfor det som betegnes som prosessindustri, men vi har også noen forholdsvis store stykkproduserende industribedrifter.


8/118


Prosessindustri Kjemisk industriproduksjon, produserer, i stedet for konkrete arbeidsstykker av mindre eller større kompleksitet, produkter i et kontinuerlig prosessanlegg. Stykkproduksjon foregår i det vi kaller diskontinuerlige prosessanlegg, selv om det foregår kontinuerlig over lang tid. Forskjellen består ofte i at et diskontinuerlig anlegg kan stoppes for en stund uten særlige problemer. Et kontinuerlig anlegg har derimot store problemer med å stoppe for en stund, da hele anlegget må kjøres ned til absolutt nullstatus og kan ha en forholdsvis komplisert oppstartsprosedyre. Av prosessindustri er petrokjemiske prosessanlegg, integrerte papirfabrikker, oljeraffinerier, oljeproduksjonsplattformer m.m.

PRODUKSJONS-STØTTESYSTEMER

FASILITETER.PRODUKSJONS-

UTSTYR.

PRO

DU

KSJO

NSS

YTEM

Produksjonssystemet. En definisjon på et produksjonssystem kan være:

Produksjonssystemet er en samling ( blanding) av mennesker utstyr og prosedyrer som samordnes for å gjennomføre den produksjon en bedrift har satt seg fore.

Produksjonssystemet kan synliggjøres i to nivåer: Produksjonsstøttesystemer Anlegg og innretninger Figur 1 Produksjonssystemet Anlegg og innretninger. Dette nivået inneholder slikt som produksjonslokaler, produksjonsutstyr, sammenstillingen av utstyret osv.

Produksjonsstøttesystemer. Disse inneholder de sammensatte prosedyrene som setter bedriften i stand til å gjennomføre produksjonen. Disse prosedyrene inneholder tekniske supportsystemer, logistikk, design, transport, kvalitetssikringssystem, økonomissystem….. I moderne produksjonssystemer er ofte deler av systemene automatisert. Det er imidlertid viktig og holde klart for seg at produksjonssystemene inneholder MENNESKER. Mennesker som utfører konkrete arbeidsoppgaver i produksjonen (produksjonsarbeiderne) og mennesker som designer produksjonsstykkene, organiserer produksjonen, lager og installerer produksjonsstyringssystemer, automasjonssystemer, logistikksystemer med mer (funksjonærene).


9/118


Anlegg og innretninger. Det er en tendens innen produksjonsanlegg til at utviklingen karakteriseres ved:

1: Økt anleggstørrelse 2: Integrasjon av anlegg 3: Automatisering

Hva kan være bakgrunnen for denne utviklingen ?

• Større anlegg gir lavere investeringskostnader samt arbeidslønn til drift pr. produsert enhet.

• Samling av ulike fabrikker til større komplekse enheter gir mulighet til å benytte seg av felles serviseenheter slik som elektrisk forsyningsanlegg, felles vannleveransesystem, felles vedlikeholdsverksteder, dampkjeler med mer. Enklere utveksling av produkter/avfallsprodukter de ulike produksjonsenhetene seg i mellom.

• Økt automatisering gir muligheter til å bruke mindre arbeidstimer pr. produsert enhet. En annen synsvinkel på dette er at man ved automasjon kan eliminere menneskelig unøyaktighet og avhengighet av dagsformen for å gjøre de rette aksjoner.

Denne utviklingen med stadig sterkere integrerte fabrikker kan imidlertid også gi noen negative effekter.

• De ulike fabrikkene (enhetene) blir svært avhengige av hverandre ( leveranse til rett tid, REGULARITET)

• Årsaken til dette er ofte at de ulike fabrikkenhetene sparer på den interne lagerkapasiteten og forutsetter kontinuerlige leveranser

• Store fabrikk-konsentrasjoner må ta større miljøhensyn fordi konsekvensene for nærmiljøet vil bli større.

• Automatisering er kostbart, krever komplekse installasjoner og spesialisert og høyt kunnskapsnivå på de ansatte.

• Tradisjonelle industriarbeidsplasser blir borte til fordel for personell med en høy utdannelse og dermed også mer kostbar og vanskelig tilgjengelig arbeidskraft.

Regularitet og produksjonskapasitet. Moderne fabrikkanlegg krever på grunn av høye investeringskostnader en høy regularitet på produksjonen. Regulariteten forteller om hvor stor TILGJENGELIGHETEN til produksjon i anlegget forventes å være/ har vært.


10/118


tidigTilgjengelstidProduksjontRegularite =

Når man skal anta en fabrikks produksjonskapasitet, vil regulariteten inngå som en vesentlig del av beregningsgrunnlaget.

Ulike produksjonsmetoder, og deres karakteristika. Kontinuerlig produksjon. En type produksjon som er typisk for prosessindustrien. Både produkt og råvarer mates inn og ut av prosessen i et visst forhold til produksjonen. Produksjonskapasiteten til et slikt anlegg er avhengig av prosessutstyrets kapasitet, og innmatet råstoff. Et samlebånd hvor produksjonen foregår kontinuerlig vil også høre til denne kategorien, selv om produktene er ”selvstendige individer” og ikke en del av en masse ( bensin for eksempel). Batch-produksjon. Batch-prosesser er ofte en sammenblanding av en kontinuerlig produksjon og en stykkproduksjon. Mens man i en kontinuerlig prosess vanligvis holder produksjonen i gang så lenge det kan mates inn nytt råstoff, vil man i en batch-prosess i utgangspunktet ha en avgrenset mengde råvarer å forholde seg til. Typiske slike prosesser er reaktorbaserte prosesser hvor reaktoren fylles opp ved produksjonsstart og kjøres til den er tom, eller prosessforløpet er avsluttet.( Produksjon av en batch, en blanding, maling av en viss farge. Innen batchproduksjon er ERFARINGSTALLET et begrep som brukes for å angi virkningsgraden til batch-prosessen.

BATCHPRUMINNSATSVOLBATCHPRUTBYTTETALLETERFARINGST

/.///

=

Erfaringstallet har fått navnet sitt på grunn av at det er det tallet man ved erfaring har sett at en produksjon gir av utbytte for hver batch.

Beregning av produksjonen. La oss tenke oss at vi har en fabrikk som produserer etter batch-metoden. Vi ønsker å finne ut hva denne fabrikken kan produsere i løpet av et år.


11/118


For å finne ut dette treneger vi en del opplysninger. La oss først definere noen av de begrepene vi har behov for.

• Produksjonen (angis i f.eks. tonn/år) • Tilgjengelig tid er den totale tid det er mulig å produsere • Produksjonstid er den tiden i timer som er tilgjengelig for produksjon og er

forskjellen mellom tilgjengelig tid ( totalt antall timer man kan produsere) og den tiden som går med til ikke-produktivt arbeid på prosessutstyret ( planlagt vedlikehold, kraftmangel, markedstilpassning….)

• Syklustid er den tiden det tar for å gjøre en batch ferdig fra start til stopp. Inneholder også nødvendig omstillingstid mellom produkter og rengjøringstid mellom hver batch.

• For å finne fram til fabrikkens produksjonskapasitet kan man da sette opp følgende formel:

allerfaringstvolumreaktorer antalltRegularitebatchsyklustid/

timer/år(tonn/år)Produksjon ∗∗∗∗=

Eksempel 1: Vi har 6 reaktorer hver med et volum på 100m3. Målet vårt er å produsere 100 000 t/år av vare B når erfaringstallet for vare B er 0,3 tonn B/m3 pr. batch. Syklustida for batchen er 14 timer (inkludert omstillingstid, rengjøring med mer.) Hvilken regularitet må vi ha for at dette skal bli oppfylt? For å finne fram til dette bruker vi formelen over og setter inn de verdiene vi har.

batchmårtmxbatchh

årht ×⋅×××××

= 33 /3,06100/14

/24365100000

Forkorter vi bort benevningen sitter vi igjen med:

xårtårt ×= /112320/100000

89,0=x Det vil si at rundt 90% regularitet vil være tilstrekkelig for å oppnå resultatet.


12/118


Hva vil en regularitet på 95% gi i tilleggsproduksjon ?

tårt 10670495,0/112320 =× Det vil si at vi ved å øke regulariteten fra 89% til 95% kan få en tilleggsproduksjon på det samme produksjonsutstyret på 6704 to/år. Eksempel 2: Det skal investeres i en ny sjokoladefabrikk. Sjokoladen skal produseres i dampoppvarmede blandekar/reaktorer. Ønsket produksjon er satt til 120 000 tonn/år Regulariteten antas å være på 90% og erfaringstallet er at det produseres 0,3 tonn/m3

Hvilke andre opplysninger trenger vi for å kunne beregne nødvendig antall blandekar for å oppnå ønsket produksjon?

Utarbeidet av : 13/118Roy Rasmussen. Høgskolen i Vestfold avd. RI-2005

Nødvendige tilleggsopplysninger:

Reaktorstørrelse, totalt antall tilgjengelige driftstimer og syklustid på batch ( inklusive rengjøring, omstilling med mer.)

Som vi ser er det mange momenter som er avgjørende for produksjonskapasiteten i en fabrikk.

Et eksempel på et kontinuerlig prosessanlegg.


Dette er et avfallsforbrenningsanlegg for Fredrikstad-regionen i Østfold. Frevar gir følgende beskrivelse av anlegget: Forbrenningsanlegg for restavfall Anlegget ble satt i drift: 1984 Eies av: Fredrikstad kommune. Behandlet avfall pr. år ca.: 78.000 tonn Produsert energi som damp pr. år: 185 GWh - tilsvarer 18.000 tonn oljeLevert energi pr. år ca.: 183 GWh Energigjenvinning av prod. energi: 99% Levert damp pr. år ca.: 205.000 tonn

Prosessen Avfallet mates med kran inn i innmatersjakten. Fra innmatersjakten skyves avfallet porsjonsvis ut på de bevegelige ristene. På ristene tørkes, forbrennes og utglødes avfallet. Ristene fører avfallet gjennom ovnen frem til utmatersjakten hvor det utbrente avfallet faller ned som utglødet slagg. Røkgassene utbrennes i en sekundærforbrenning over ristene. Deretter renses røkgassene gjennom elektrofilter; -tilsats av aktivt kull, - nedkjøling i quench og våtvasking i scrubber. Etter disse trinnene gjenoppvarmes røkgassen fra ca. 60 til 98°C før reaksjonsstoffer som aktivt kull og kalk, inndyses. Blandingen av reaksjonsstoffer og røkgass blåses deretter inn i et posefilter. Røkgassen suges sakte gjennom posene. Reaksjonsstoffene i støvbelegget reduserer betydelig utslippene av tungmetaller, dioksiner, svovel og saltsyre. Posene fanger dessuten opp så godt som alt støv fra røkgassen.

Kontrollmålinger viser at anlegget overholder alle krav i utslippstillatelsen med god margin.

Avfallsforbrenning sikrer at miljøgifter som finnes spredt i avfallet tas ut og deponeres i kontrollerte former.

Energien i avfallet, som for en stor del består av biomasse, gjenvinnes som høytrykksdamp for leveranse til nærliggende industri. Denne energien erstatter energi produsert ved forbrenning av olje.

Energigjenvinning av avfall ved forbrenning reduserer avfallet med 80% i vekt og 90% i volum. Dagens deponier får derved økt levetid og blir mindre forurensede ved at utslippene til luft og til vann blir redusert.

Industriens reduserte oljeforbruk og FREVARs forbrenning og renseprosesser bidrar derfor til reduksjon av bl.a. sure gasser, drivhusgasser, deponigass, støv og tungmetaller fra industriområdet på Øra som helhet.

Batch – serieproduksjon. Er motsatsen til kontinuerlig produksjon og vil ha behov for stadig omstilling av prosessen, noe som vil kunne ha innvirkning på produksjonssystemet.


14/118



15/118

Produksjon og omstilling av produksjonen. La oss se litt på sammenhengen mellom produksjon og omstilling av produksjonen. Vi deler som oftest inn produksjonsenhetene etter hvor stor kapasitet de har til å produsere:

• Lav produksjon. Antall produserte enheter mellom 1 og 100 enheter pr. år • Mellomstor produksjon: 100 til 10000 produserte enheter pr. år • Storproduksjon: 10000 til millioner av enheter pr. år

Dette er bare en veiledende oppdeling, og delingen vil være avhengig av hvilken type produkter det er snakk om. Snakker vi om binderser vil tallene over måtte økes, men snakker vi om undervannsbåter vil tallene måtte bli helt annerledes innenfor de ulike kategoriene. Noen fabrikker produserer flere ulike produkter. Det er da ofte behov for omstilling av prosessutstyret fra produkttype til produkttype. Hvordan fabrikkene havner i størrelseskategori har som oftest en sammenheng med antall produkter de produserer. Denne sammenhengen kan synliggjøres slik:

1 100 10 000 1 000 000

Produksjonsantall

Prod

uktv

aria

sjon

Lavprodukjson

Mediumproduksjon

Høyproduksjon

Figur 2 Sammenheng mellom produksjonsrate og produktvariasjoner

Fabrikklayout. Avhengig av hva slags produksjon, og omfanget av produksjonen vil vi måtte organisere produksjonsplassen forskjellig. Vi skal se på noen ulike måter å organisere arbeidsplassene på, og innen hvilke produksjonsformer de egner seg best.

Lavskalaproduksjon /Job-shop. Typisk for denne produksjonsformen er at produktantallet er forholdsvis lite, og med en stor grad av variasjon og spesialtilpassning av produktene. Typisk for en slik produksjon kan være et verft som produserer et antall båter pr. år. Der vil det være typisk at arbeidet foregår på plassen der det skal utføres, og at det dermed kan foregå flere arbeidsoperasjoner samtidig, på ulike steder på båten. Grafisk kan vi fremstille det slik:


Figur 3 Produksjon med faste arbeidsplasser/ Job-shop

Dette er ofte måten produksjonen organiseres på når arbeidsstykkene er så store og komplekse at de vanskelig lar seg flytte rundt i lokalene, og at antallet samtidig er forholdsvis lite. I slike produksjonstilfelle er det ofte mange småkomponenter/ deler av ulik kompleksitet som kan prefabrikkeres før de settes på plass i det endelige produktet. I de tilfellene er det ofte en fordel å samle slike arbeidsoperasjoner i deler av lokalene ( i arbeidsstasjoner) slik at ulike arbeidsoperasjoner som skal til for å ferdigstille delene blir samlet i det som ofte kalles en prosesslayout av arbeidsgangen. Prosessen for ferdigstillelse består av ulike maskineringer og arbeidsoppgaver, og disse samles geografisk for å få en enkel og funksjonell sammenheng mellom arbeidsoppgavene. Denne måten å se produksjonen på kan visualiseres slik: Figur 4 Arbeid organisert i arbeidsstasjoner

Mellomskalaproduksjon/ småserier. Denne typen produksjon karakteriseres av at det er forholdsvis liten variasjon i antallet produkter, og derfor behov for lite omstilling av produksjonsutstyret. Omstilling av produksjonsutstyr for å lage andre produkter tar tid. Det gjør også oppsett av verktøy som er spesifikt for enkeltprodukter. Omstillingstid er det samme som tapt produksjonstid og derfor ønskelig å unngå. For å minimalisere disse tapene blir ofte denne typen produksjon utført som en batch-operasjon. Det betyr at man produserer et antall av produktene som er økonomisk forsvarlig sett i forhold til omstillingstid og produksjonstid. Det vil ofte medføre at en del av produksjonen legges på lager for å slippe å produsere nytt før det igjen kan produseres en økonomisk serie.


16/118


Ofte ser vi også denne produksjonsmåten organisert med en arbeidsstasjonslayout, slik som i figur 4. Hvis produktene er ulike, men hvor forskjellene er minimale, er det ofte brukt en såkalt celle-layout på produksjonsorganiseringen. Dette innebærer at hver celle spesialiseres innenfor deler av produksjonen, og er tilpasset produksjon av et begrenset antall nesten like produkter.

Grafisk kan vi vise dette slik: Figur 5 Arbeidet utført som en celle-layout.

Høyskalaproduksjon/ masseproduksjon. Produksjon av store antall enheter, hvor utvalget av ulike produkter er lite, er egnet for samlebåndsproduksjon. Seriene med like produkter blir så store, at tapt produksjonstid i form av omstillingstid, får liten innvirkning på lønnsomheten. Produksjonen av det samme produktet kan foregå over år, uten at produksjonslinja bør reorganiseres. Denne typen produksjon kjennetegnes av at hver arbeidsstasjon/ arbeider har en svært spesifisert oppgave. Ofte krever denne arbeidsoperasjonen lite fagkunnskap, og opplæring til arbeidet er forholdsvis enkel. Et stort antall enkle operasjoner blir organisert i en rekkefølge som gjør at man til slutt, med liten fagkunnskap blant arbeiderne, kan få satt sammen komplekse enheter ( for eksempel bilproduksjon). Denne typen av arbeidsorganisering kan også kalles for produktlayout, fordi hele produksjonslinjen organiseres på basis av et konkret produkt. Denne typen produksjon kan selvsagt også settes sammen med innslag av delprodukter laget med produksjonsutstyr og arbeidsplasser etter celle eller arbeidsstasjonsmetoden. Samlebånd eller flow-line strukturen kan vises slik:

Figur 6 Samlebånd / flow-line


17/118


Samlet kan vi se på hvilken produksjonsform som er mest egnet for produksjon i ulike omfangskategorier slik:

1 100 10 000 1 000 000

Produksjonsantall

Prod

uktv

aria

sjon

Kvantitet Samlebånd

Masseproduksjon

Batch-produksjon

Celleproduksjon

Job shop

Faste produksjonsplasser

Prosess-layout avarbeidsplass

Celleutforming avarbeidsplass

Produktlayout/produksjonslinje

Figur 7 Produksjonsformer tilpasset ulike produksjonstall.

Produksjonsstøttesystemer. For at en produksjon skal kunne foregå på en optimal måte, må bedriftene organiseres på en måte som gjør at det tas hensyn til alle funksjoner i bederiften som påvirker produksjonen på en eller annen måte. Produksjonsutstyret må designes slik at det passer til den aktuelle produksjonen. De merkantile funksjonene slik som lagerhold, innkjøpsrutiner, faktureringsrutiner, transport av både råstoff og ferdigvarer må kunne være et hjelpemiddel og ikke en bremsekloss for den aktuelle produksjonen. Innenfor produksjonsavdelingen(e) må det et planverk til som legger til rette for en så strømlinjeformet produksjon som mulig, med færrest mulige omstillinger av produksjonsutstyret. Vedlikeholdsfunksjonene må være slik at vedlikeholdet bruker mulige omstillingsperioder eller lignende for å drive preventivt vedlikehold.


18/118


Business funksjoner. De forretnings- og økonomifunksjoner bedriftene har er ofte de funksjonene som har kontakt med kundene. De er derfor både i begynnelsen og enden av informasjonsprosessen som må gå mellom kunde og leverandør. Til disse funksjonene hører markedsføring og salg, ordrekontor og regnskapsfunksjoner. Produksjonsordren for et bestemt produkt kommer typisk fra kunden og kommer til produksjonsavdelingen via salgsavdelingen. Fra salgsavdelingen går ordren enten via en produksjonsordre som spesifiserer hvordan kunden vil ha produktet og antallet enheter som skal produseres, eller som en ordre på et visst antall enheter av et av produsentens standardprodukt eller som en internorde hvor markedsavdelingen via sine analyser har funnet ut at vi trenger så mange enheter av produkt C i løpet av en viss tid.

Produktdesign. Design er viktig for moderne produkter. I design i denne sammenheng ligger både utforming, funksjonalitet og anvendelighet. Mange bedrifter er rene produksjonsbedrifter som bare tar i mot ferdigutviklede produkter og produserer disse. Da er design og utviklingsfasen gjennomgått hos kunden, og er dennes ansvar. De fleste bedrifter produserer imidlertid egenutviklede produkter. Denne utviklingen kan være gjort på bakgrunn av egne ideer og behovsanalyser, men den kan også være et samarbeid med en kunde som sitter på en idé, og så utvikles denne av produksjonsselskapet i samarbeid med kunden. Selskap som er organisert for også å foreta produktutvikling har gjerne en forsknings- og utviklingsavdeling, en designgruppe, en konstruksjonsavdeling og gjerne også et prototypverksted.

Figur 8 Informasjonshjulet

Produksjonssystem oganlegg

Produktdesign

Produksjons-planlegging

Produksjonskontroll

Merkantilefunksjoner

Kunde/ordre

Informasjonsflyten i et slikt utviklings- og produksjonsselskap er viktig. Alle viktige informasjoner må gå fra idéskaper til produksjonsansvarlig, til salgsavdeling og kunde ,for så å komme tilbake til design- og utviklingsavdelingen.


19/118


Dette kan vi synliggjøre ved en skisse av et informasjonshjul, se figur 8.

Produksjonsplanlegging. Den informasjon og dokumentasjon som kommer ut av designfasen flyter videre til produksjonsplanleggingen. Informasjonsaktivitetene innen produksjonsplanleggingen omfatter prosess (produksjonsprosessen) planlegging, planlegging av produksjonens hovedstruktur, ressursplanlegging, og kapasitetsplanlegging. Prosessplanleggingen består i å fastlegge rekkefølgen av individuelle produksjons- og sammensettings operasjoner som skal til for å framstille produktet. Denne prosessen kan bestå av en rent seriell produksjon, eller være en blanding av parallelle og serielle operasjoner. Produksjonsplanlegging omfatter også logistikkfunksjoner som skal sørge for at nødvendige grunnkomponenter finnes på plass når behovet er der. Alle disse ulike komponenten settes sammen til PRODUKSJONSPLANEN som er en beskrivelse av hva som skal produseres, på hvilke plasser, til hvilke tider og med hvilket verktøy. Den forteller også om hvor mye som skal produseres, til hvilken tid og når leveranser skal foregå. For at dette skal gå i hop, må innkjøp av råvarer, eventuelle innkjøp av ferdigproduserte delprodukter, lagerhold, lagerplanlegging , transport og leveransetider planlegges inn i og tas hensyn til i produksjonsplanen. Kapasitetsplanlegging både på produksjonsutstyr og produksjonsmedarbeidere hører også til i denne planleggingen.

Produksjonskontroll. Produksjonskontroll handler om å styre og passe på at de fysiske handlingen som skal til få å gjennomføre produksjonsplanen fungerer. For at en produksjonsplan skal fungere må det gå informasjon fra planleggingsgruppa til produksjonsgruppa og tilbake. Lagerfunksjonen og de merkantile funksjonene må fungere, og gi melding til produksjonen om noe blir endret av de forutsetninger som lå til grunn for planen. Like viktig er det at produksjonen gir tilbakemelding til disse servicefunksjonene om det blir endringer i produksjonsplanene. Fabrikasjonskontrollen (Shop floor control) omfatter problemet med å overvåke at framdriften i produksjonen er i henhold til planen. ( Produsert, satt sammen, transportert og kontrollert ( sjekket)) Lagerkontrollen ( inventory control) forsøker å oppnå en balanse mellom innkjøp av råvarer, lagerhold av råvarer til produksjonen og lageret av ferdigprodukter slik at det ikke er for mye råvarer på lager, men heller ikke for lite. Dette for at produksjonen ikke skal stoppe opp fordi man plutselig er gått tom for råvarer fordi en lastebil brøt sammen på veien mellom Göteborg og Drammen for eksempel, eller at underleverandøren plutselig gir beskjed om vesentlig lengre leveringstid. Kvalitetskontrollen skal sørge for at produktene er i overensstemmelse med de krav som ble satt til produktet ved kontraktsinngåelsen. Kvalitetskontroll kan omfatte sluttkontroll av


20/118


produktet opp mot foreskrevne standarder, kontroll av råvarer, klontroll av transportbetingelser og funksjonskontroll.

Automatisering i produksjonskontrollsystemer. Noen av elementene i bedriftens produksjonssystem er egnet for automatisering, mens andre passer best for manuelle kontrolloppgaver eller administrative ordninger. For å definere begrepet automatisering inn i denne sammenhengen, kan vi si at det er anvendelse av mekaniske, elektroniske eller datasystemer for å betjene, overvåke og styre produksjonen. Vi kan dele de automatiserte elementene i produksjonssystemene i to kategorier:

1. Automatisering av produksjonen (maskinelt produksjonsutstyr) 2. Automatisering, innføring av EDB i produksjonsstøttesystemene

Disse to kategoriene kan vi ikke skille hundre prosent mellom, fordi de i dag ofte overlapper hverandre i funksjoner. Produksjonsstøttesystemene griper inn i produksjonskontrollen, og produksjonskontrollen oversender informasjon til produksjonsstøttesystemer og økonomisystemer. Vi bruker ofte begrepet CIM, Computer-Integrated Manufactoring , for å beskrive dette forholdet. Samtidig indikerer det at det i dag i stor grad blir brukt datamaskiner i produksjonssystemene.

Produksjonsstøtte-systemer

Mulige oppgaverfor

dataapplikasjoner

Anlegg:fabrikasjonsutstyr

Oppgaver som ermulig å

automatisere

CIM

Com

puter Integrated Manufactoring

Prod

uksj

onss

yste

mer

Figur 9 Automasjonsmuligheter i produksjonssystemene

Automatiserte produksjonssystemer. De automatiserte produksjonssystemene opererer i fabrikken på det fysiske produktet. De utfører operasjoner som bearbeiding, sammensetning, inspeksjon, materialhandtering og i mange tilfelle også relativt komplekst sammensatte operasjoner i samme system.


21/118


Selv om det fremdeles er mye manuell arbeidskraft i produksjonen kalles den automatisert fordi produksjonen kan gjennomføres med en sterkt redusert manuell innsats. Innen høyautomatisert produksjon kan den foregå praktisk talt uten menneskelig innblanding. Eksempler på slike produksjonssystemer:

• Maskinering av deler ( dreibenker, CNC-systemer…) • Produksjonslinjer (samlebånd) med mange arbeidsoperasjoner i forskjellige

stasjoner • Automatiske monteringsstasjoner • Maskineringsroboter som kan utføre komplekse arbeidsoppgaver • Automatiske lagerhåndteringssystemer • Automatisk inspeksjon og kvalitetskontroll

Vi kan klassifisere automatiserte produksjonssystemer i tre kategorier:

1. Fast automatisering 2. Programmerbar automatisering 3. Fleksibel automatisering

Fast automatisering. Denne typen automatisering er beregnet på produksjon/ prosesser som ikke vil være gjenstand for endring. Den utføres ofte ved hjelp av utstyr som settes sammen spesielt for oppgaven, og som det er komplisert å gjøre endringer i. Som regel er oppgavene enkle. En rotasjon av en spindel for eksempel eller å skyve et arbeidsstykke fra et sted til et annet. Det kan forefinnes to til tre sammensatte operasjoner , men da er hver operasjon av en enkel karakter. Totalsystemet kan være forholdsvis komplisert, og da er det integrasjonen og sammensetningen av et stort antall enkle operasjoner som utgjør kompleksiteten. Denne typen automatisering finnes ofte på ferdigproduserte maskineringsenheter som kjøpes fra spesialfirmaer. Da ligger mye av teknologien du kjøper nettopp i automatiseringen av enheten. Typisk for denne typen automatisering er:

• Høye kostnader på grunn av kundespesifikt utstyr • Kan produsere store antall like enheter i stort tempo • Vanskelig å gjøre endringer på ( system og produkt) • Automatiseringene ofte utført ved hjelp av fast utstyr ( ikke programmerbart)


22/118


Økonomisk kan denne typen utstyr forsvares med at man skal produsere store antall i stort tempo. Da kan investeringskostnadene fordeles på et stort antall enheter, noe som gjør det interessant i forhold til andre alternativer. Eksempler på slik fast automasjon finner vi i automatiske sammenstillingsmaskiner, samlebånd og maskineringsutstyr som stansemaskineri med mer.

Programmerbar automatisering. Denne automatiseringsformen brukes der hvor produksjonsutstyret er designet for å kunne kjøre flere ulike produkter. Automatiseringssystemet er slik at det er mulig å endre produksjonssekvensene ganske enkelt, og er basert på programmerbare styringer ( PLS). Programverket (PLS’en) kan være spesialtilpasset og spesialprodusert for bestemte oppgaver/ variasjon av oppgaver. Ved å lese nytt program inn i hjernen kan man, begrenset av produksjonsutstyrets fleksibilitet, endre funksjonene til utstyret. Karakteristikk for denne automatiseringstypen er:

• Høye investeringskostnader i generelt utstyr • Anvendes til lavere produksjonsrater enn fast automasjon • Fleksibilitet til å ivareta produktvariasjoner og produktendringer • Godt egnet for batch-produksjon

Denne typen automasjon blir brukt i lav og mellomskalproduksjon som typisk produseres i batcher, for så å kjøre en batch av et annet produkt. Automasjonsendringene gjøres ved å laste nytt program inn i styreenheten, mens endringer i maskinoppsett må gjøres manuelt. Nye verktøy i produksjonsmaskineriet og oppsett av maskineriet for å takle den nye produksjonen. Denne omstillingen tar tid, og det er viktig at den gjøres så kort som mulig. Lang omstillingstid koster penger, både i form av kostnader ved omstillingen og i tapt produksjon. Typisk for denne typen automasjon er NC/CNC –maskineri, industriroboter og PLS’er.

Fleksibel automatisering. Fleksibels automatisering er en utvidelse av den programmerbare automatiseringen. Fordelen med denne typen automatisering er at man kan produsere et stort antall variasjoner av produktet, tilnærmet uten omstillingstid. Omprogrammering tar svært liten tid, ofte fordi fleksibiliteten allerede er lagt inn i grunnprogrammet. Ofte er også produksjonsutstyret av en slik karakter at verktøyomstilling gjøres automatisk, og tar derfor liten tid. Det utgjør styrken til fleksibels automatisering er at det ikke har noen betydning hvor ulike de forskjellige ferdigproduktene er. Typisk for denne typen anlegg er:


23/118


• Høye investeringskostnader i et kundespesifikt anlegg • Kontinuerlig produksjon av ulik blanding ferdigprodukter • Medium produksjonskapasitet • Kan handtere produktvariasjoner

Den relative posisjoneringen av de ulike automatiseringstypene kan vi se i figur 10. For lavserieproduksjon og for nye produkter / prototyper er ofte manuell produksjon konkurransedyktig til automatisert produksjon.

Programmerbar automatisering

Fleksibel automatisering

Fast automatisering

1 100 10000 1000000Produsert antall

Prod

uktv

aria

sjon

Manuellproduksjon

Figur 10 De tre automatiseringstypene relativt til produksjonsvolum og produktvariasjon.

Databaserte produksjonsstøttesystemer. Automatisering av produksjonsstøttesystemene har til hensikt å begrense den manuelle innsatsen i produkt design, produksjonsplanlegging og kontroll og i forretningsfunksjonene som lager, økonomi, fakturering osv.. Praktisk talt alle moderne støttesystemer er implementert i datamaskiner, på samme måte som datamaskinene er hovedverktøyet i selve produksjonskontrollsystemene også. Begrepet CIM- Computer Integrated Manufactoring forteller om den gjennomgående bruk av datasystemer i produktdesign, produksjonsplanlegging, produksjonskontroll og de økonomisk administrative rutinene som er nødvendige i et produksjonsfirma. Et sant CIM-system inkluderer integrasjon av andre undersystem som tar seg av spesifikke oppgaver. Andre slike undersystemer kan være CAD- Computer-aided design, CAM-


24/118


Computer-aided manufactoring. Noen undersystem kan kombinere funksjoner slik som kombinasjonen CAD/CAM. La oss se på sammenhengen mellom automatisering og CIM ved å betrakte en modell:

Figur 11 Modell for sammenheng mellom produksjon og automasjon (CIM)

Råmaterialene kommer inn i den ene enden av fabrikken og ferdigproduktet går ut av den andre. Den fysiske bearbeidingen går for seg inne i fabrikken og består av all handtering av produktet gjennom produksjonsprosessen. I denne modellen ser vi støttefunksjonene som en ring som omgir fabrikken og som legger til rette for og produserer de betingelsene som skal til for at produksjonen skal bli vellykket. Ringen er den samme som vi så i figur 8.


25/118


Hvorfor automatisere ? Det brukes mange argumenter fra bedriftenes side for å automatisere produksjonen. Noen av dem er:

1. For å øke produktiviteten. Vanligvis øker produktiviteten og produksjonsraten ved automatisering. Dette medfører større fortjeneste pr. medgått arbeidstime.

2. For å redusere arbeidskostnadene. Kostnadene bare øker og øker på arbeidskraft. Derfor vil investering i automatisert produksjon lønne seg ved at man kan kutte i antall ansatte.

3. For å dempe virkningen av mangel på arbeidskraft. I mange industrialiserte samfunn er det mangel på kvalifisert arbeidskraft. Økt automatisering vil motvirke de negative konsekvensene av dette.

4. For å fjerne rutinepregede og lite interessante arbeidsoppgaver. Mange arbeidsoppgaver både av produksjonsteknisk og administrativ karakter er svært rutinepregede og gir arbeidstakerne lite utfordring i jobben. Ved å automatisere disse arbeidsoppgavene kan bedriftene gi arbeidstakerne mer interessante arbeidsoppgaver.

5. For å øke arbeidernes sikkerhet. Mange arbeidsoppgaver i produksjonsindustrien kan medføre helserisiko. Ved å automatisere bort denne typen arbeidsplasser kan man gi arbeidstakerne et bedre arbeidsmiljø og en sikrere arbeidsplass.

6. For å øke produktkvaliteten. Mennesker gjør feil, en eller annen gang, uavhengig av hvor god opplæring man har fått. En dårlig dag gjør oss mindre årvåkne, og vi kan begå en feil vi normalt ikke gjør. Automatisering gjør at man kan øke produksjonen og fremdeles ivareta den samme kontroll av produksjonen, uavhengig av operatørenes dagsform. Individuelle variasjoner fra person til person i en produksjonskjede vil også utelukkes, og vi vil kunne oppnå en jevnere (og økt) produktkvalitet. Dette vil også kunne minske feilraten i produksjonen.

7. For å minske produksjonsforberedelsen. Den tiden det tar fra en ordre kommer inn til produksjonen er i gang, kan minskes ved å bruke automatiserte hjelpefunksjoner. Ved å redusere denne forberedelsestida reduserer man også behovet for at man må jobbe parallelt på flere jobber.

8. For å klare jobber man ikke kunne gjort manuelt. Visse arbeidsoperasjoner er omtrent umulig å gjennomføre manuelt. Produksjon av integrerte kretser, hurtig prototypproduksjon basert på CAD-modeller og maskinering av komplekse matematisk definerte overflater ( som for eksempel moderne propellere) lar seg vanskelig gjennomføre uten automatisert produksjon.

9. For å unngå høye kostnader fordi man ikke automatiserer. De fleste opplever at når man automatiser produksjonen oppnår man konkurransefordeler som er vanskelig å definere. Man kan oppnå en mer stabil kvalitet på produktene som igjen medfører bedre slag, flere gjentatte produksjonsordre og et bedre omdømme i markedet. Bedrifter som unnlater å automatisere kan oppleve at trivsel, arbeidsforhold og manglende tro på egne produkt blant egne arbeidere og kunder gir dem en konkurransemessig ulempe.


26/118


Manuelt arbeid i moderne industrivirksomhet. Er det plass for manuelt arbeid i moderne industri i dag ? Svaret på dette spørsmålet er ubetinget JA! Selv i et høyautomatisert produksjonsanlegg er det behov for manuell arbeidsinnsats, både nå og innen overskuelig framtid. Manuell arbeidsinnsats vil det være behov for, selv om menneskene ikke er direkte involvert i produksjonen, i form av ledelsesfunksjoner, vedlikehold og support. Vi har tidligere sett på produksjonssystemet som to ulike elementer produksjonssystemet og hjelpefunksjonene. La oss nå se på manuelt arbeid innen de samme funksjonene:

1. Manuelt arbeid i produksjonsarbeidet 2. manuelt arbeid i hjelpesystemene (supportsystemene)

Manuelt arbeid i produksjonen. Langtidstrenden innen produksjonsutvikling går entydig mot høyere og mer avansert automatisering av produksjonen og stadig mindre bruk av manuelt arbeid. Dette har vært trenden gjennom hele menneskehetens historie, og det liten grunn til å tro at framtida vil arte seg annerledes. Dette er gjort mulig ved å utnytte de teknologiske framskritt som er gjort i produksjonsteknologien. Parallelt med denne utviklingen, og til tider i konflikt med denne teknologidrevne utviklingen, har det vært økonomiske betraktninger som finner argumenter for fremdeles å bruke manuelt arbeid i produksjonsprosessene. Selv i dag ( 2003) finnes det land i verden hvor kostnadene til manuelle arbeidskraft er så lave at det ikke er økonomisk forsvarlig å automatisere for å senke kostnadsnivået. Dette gjelder spesielt i det som kalles utviklingsland, og disse finner vi i Mellom Amerika, Asia og Afrika. Et annet argument for å holde produksjonen i gang ved hjelp av manuell arbeidskraft vil være den sysselsettingspolitiske. Det å holde så mange mennesker som mulig i arbeid, og ved det gi dem et utkomme som kan gi dem selv og familiene en inntekt som kan holde dem i live kan i seg selv være et politisk mål som gjør automatisering uønsket. I tillegg til det rent økonomiske og politiske, finnes det også en meget god grunn til å beholde mennesket i produksjonen. Den menneskelige hjerne og menneskets evne til å tilpasse seg og løse problemer kreativt. Nedenfor finnes en del slike situasjoner hvor mennesket har en fordel overfor automatiseringen i produksjonen.

• Oppgaven er for teknologisk komplisert til å bli automatisert. Noen oppgaver er det vanskelig å automatisere, enten av teknologiske eller økonomiske årsaker. • Kort levetid for produktet.


27/118


Hvis man må bruke kort tid for å få produktet i salg, og regner med en kort salgsperiode vil man som regel ikke ha tid eller råd til å automatisere produksjonen i vesentlig grad. • Kundetilpassede produkter. Hvis kunden krever et spesialprodukt, ofte i en enkelt utgave, eller i en svært liten serie vil det ikke være lønnsomt å investere i automatiseringsutstyr bare for å dekke denne ordren. Ved siden av det er den menneskelige tilpassningsdyktigheten og omstillingsevnen det denne type produksjon krever. • Svingninger i markedet. Dersom etterspørselen i markedet etter en vare er varierende, viul det være mest lønnsomt å bruke manuell arbeidskraft i stedet for et automatisert produksjonsanlegg. Et automatisert anlegg har en grunnkostnad i form av forrentning av investeringen i utstyr som ligger der hele tiden, selv om utstyret i liten grad er anvendt til produksjon. Lav produksjonsrate betyr at de faste kostnadene må deles på et lavere antall enheter, og dermed øker prisen. På den andre siden vil en manuelt basert produksjon ha en klar øvre grense for sin kapasitet. På den andre siden kan man sette inn flere eller færre mennesker for å gjennomføre produksjonen. Manuelt arbeid kan også settes inn i tillegg for å hjelpe på produksjonskapasiteten der hvor den automatiserte produksjonskapasiteten har nådd maksimal utnyttelsgrad. • Risikobegrensning. Der hvor man ikke er sikker på hvordan markedet vil reagere på det nye produktet vil en investering i et automatisert produksjonsutstyr medføre en høy investeringsrisiko. Det er derfor ikke uvanlig at man setter i gang en produksjon basert på manuell produksjon for så å investere i automatisert produksjon når markedet responderer positivt på produktet.

Mennesker og maskiner har ulike styrker i produksjonen, her er noen eksempler: Menneskets sterke sider Maskinenes sterke sider Reagerer på uventede stimuli Repeterer en arbeidsoperasjon likt gang etter

gang Kan utvikle nye løsninger for å løse et problem

Kan lagre store datamengder

Kan handtere (løse) abstrakte problem Framhente lagrede data på en pålitelig måte Kan tilpasse seg endringer Utføre flere operasjoner samtidig Trekke slutninger (generalisere) ut i fra observasjoner

Tilføre ( bruke) store krefter og mye energi

Lære av erfaringer Gjennomføre enkle beregninger raskt Ta vanskelige beslutninger basert på ufullstendige opplysninger

Ta rutinebestemmelser raskt

( Mikell P. Groover)


28/118


Prosesskontroll og produksjonskontroll. Prosesskontroll og dertil hørende reguleringsteknikk er angrepvinkelen for en automatiseringsingeniør. Det som kan være interessant å se på er hvordan denne aktiviteten henger sammen med fabrikkens øvrige liv. En måte å se det på er slik det er beskrevet I den følgende figuren.

Produksjonstøttesystemer

Kvalitestkontrollsystem

Produksjonssystem

Materiellhandterings-systemer/ teknologier

Styrings ogreguleringsteknologi

Fabrikknivå

Selskapsnivå

1

Prod

uksj

onss

ytem

et

Fabr

ikka

nleg

get

Prod

uksj

onss

tøtte

syst

emet

Figur 12 Sammenhengen mellom de ulike systemene i en fabrikk

I figuren er det antydet hvilke funksjoner som må være tilgjengelige I en produksjonsbedrift. Pilene viser hvordan informasjonsflyten går mellom de ulike systemdelene. Avhengig av produksjonsfilosofi vil de ulike systemenhetene ha ulik viktighetsgrad. Et eksempel på det er Materiellhandteringssystemet som er implementert på bedriften. Det vil ha ulik fokus og betydning avhengig av om all produksjon av deler og ferdigvare foregår inne på eget fabrikkområde eller om det er et system av underleverandører som produserer deler som settes sammen til sluttproduktet I fabrikken.


29/118


Som sagt vil de ulike systemene ha ulik betydning, men det er ofte vanlig å sette opp en hierarkisk beskrivelse av hvordan systemene henger sammen. En slik beskrivelse kan se slik ut: Bunnen av figuren viser det systemet som er nærmest produksjonen. Etter hvert som vi går mot toppen av figuren fjerner vi oss mer og mer fra den virkelige produksjonen og går mer og mer inn I planleggingsfunksjonene rundt produksjonen. Det er en gjensidig amellom de ulike nivåene som viser seg ved hvordan produksjonsfilosofien gjennom produksjovidere gjennom produksjonskontkrav og betingelser til hvordan prosesskontrollsystemet skal konstrueres og virke.

vhengighet

nsplanleggingen og

rollen setter

Manuelt arbeid I produksjonsstøttesystemet.

om vi har sett tidligere er det ikke alltid lønnsomt og riktig å erstatte manuelle

et samme gjelder innenfor produksjonsstøttesystemet. svært mange av de funksjonene som

r

dssystemer som enten via intervallovervåkning eller konkret

ler

elv om vi får flere og flere automatiserte hjelpemidler tilgjengelige for å gjøre disse jobbene,

enne påstanden baseres på følgende betraktninger:

Prosesskontroll

Produksjonskontroll

Produktkontroll

Produksjons-planlegging

Produsjonside/filosofi

Figur 13 Produksjonssystemet

Sarbeidsoperasjoner I produksjonen med automatiseringsutstyr. DI dag finnes det utstyr og systemer som kan automatisereligger I disse systemene. La oss bare ta for oss automatiserte økonomisystemer og rutiner, kobling mellom produksjonssystemet og faktureringssystemet for automatisk fakturering nåvaren forlater fabrikkområdet. Vi har automatiserte vedlikeholtilstandsovervåkning planlegger og automatisk bestiller opp nødvendig reparasjonsutstyr for planlagte vedlikeholdsjobber. Vi har CAD- systemer ( computer aided design) som fra en enkel todimmensjonal skisse kan generere 3-dimmensjonale tegninger og sende styresignatil bearbeidingsmaskiner slik at man I løpet av svært kort tid kan se en 3-D modell av arbeidsstykket. ( CAM- computer aided manufactoring). Ser det lite sannsynlig at mennesket forsvinner helt fra disse arbeidsområdene. D


30/118


• Vedlikehold av utstyr og systemer. krever vedlikehold. Det er mennesker som

o stabile med tiden, enten det gjelder ustyret hvor det er

å

• Enginee deler av konstruksjonsprosessen er i dag automatisert, men man

rt

• Fabrikk stå ansvarlige for driften i et produksjonsanlegg. Dette gjelder

get

ir

et som er diskutert tidligere i dette heftet kan oppsummeres i at det ikke alltid er riktig å

nnføring av automatiserte funksjoner, systemer eller teknologi.

i skal i denne delen se på tre tilnærminger til automatiseringsprosjekter. (1) USA-prinsippet,

isse tre tilnærmingsmåtene er ikke de eneste som er mulige, men de er mye brukt.

USA-prinsippet.

SA-prinsippet er en arbeidsmetode som egentlig er sunt bondevett satt i system.

o Alt fysisk utstyr blir slitt og har konstruert utstyret og det er dyktige fagfolk som må til for å reparere det. Systemer blir uimplementert, eller det er programvaren som aldri kan bli 100% riktig.Situasjoner man ikke tenkte på under konstruksjonsfasen dukker opp oglager trøbbel. Programspråket systemet er utviklet i blir gammeldags og utfaset. Funksjonaliteten i systemet ønskes endret fordi man lærer mer om prosessen systemet kobles mot. Fysisk tilkoplet utstyr bryter sammen og lar seg ikke erstatte med en eksakt kopi, og dermed mtilpassninger og oppgraderinger til. ering

o Mangvil sannsynligvis aldri komme dit at det er maskiner som tar for seg prosessen fra idéunnfangelse til ferdig utformet , bygget og igangkjøproduksjonsanlegg. Til dette trenger vi den menneskelige hjerne og denkreativitet. ledelse.

o Noen måbåde produksjonsplanlegging, drift og driftskontroll, vedlikehold og servicefunksjoner som transport og lagerhold. Selve driften av anlegmå også bemannes opp slik at intervensjon i produksjonsprosessen kan gjøres når noe ikke går slik som planlagt, enten det skjer på grunna v ytre påvirkninger eller det skjer på grunn av systemfeil. Utviklingen gen pekepinn om at personell som skal bekle disse stillingen mer og mer bør ha en teknisk bakgrunn.

Automatiseringsprinsipper og strategier. Dautomatisere en produksjon. Man må være forsiktige ved i V(2) 10 strategier for automatisering og produksjonsprosesser og (3) AMS – Automation Migration Strategy. D

U


31/118


USA står for: • Understand.

k og forstå den eksisterende prosessen • Sim f

gjennom prosessen og se om du kan forenkle den • Autom

st etter å ha forstått hvordan produksjonen skal

et for å

enne tilnærmingsprosessen er så generell og enkel at den kan implementeres på nær sagt alle

t med hensikt å få til en mulig forenkling av k for å forbedre

Utforsk og forstå den eksisterende prosessen.

or å vite hva vi jobber med må vi gå inn i den prosessen vi skal automatisere og finne ut

ssen ( råvarene) og hva kommer ut ( ferdigvarene) ? an reagerer disse

input og

før de kom inn i vår fabrikk, og hvordan skal de

e prosessen, og hvor og hvordan kan vi påvirke

an påvirkes sluttproduktets kvalitet av råvarevariasjoner?

vilke metoder og verktøy kan vi så bruke for å trenge inn i prosessens innerste

ystematikk er første bud i denne sammenheng. Gå fra den ene enden av prosessen mot den

roduksjonsavsnitt som avslutter en handling med tet

tarbeidelse av et blokkskjema over prosessen, et prosessflytskjema(PS/TFS) og til slutt et

o Utforspli y o Gå

ate o Før

foregå, for deretter å ha sett på hvordan du kan systematisere og forenkle den kan har du mulighkunne automatisere den på en fornuftig måte.

Dmulige automatiseringsprosjekt. Hvis man går gjennom et prosjekproduksjonsprosessen kan man ofte komme til den konklusjonen at dette er noprosessen, slik at automatisering blir unødvendig.

Fmest mulig om den. Hva mates inn i proseHva skjer med de ulike råvarene, hvilke tilsetningsstoffer behøves og hvordulike stoffene med hverandre ( kjemiske, galvaniske og andre fysiske reaksjoner) ? Hvordan virker produksjonsutstyret, og hvilke arbeidsoperasjoner må gjøres mellomoutput? Hvordan og i hvilken grad øker produksjonsprosessen verdien på råvarene, og hva skal sluttproduktet brukes til ? Hvordan er råvarene behandlet brukes/behandles etter at de forlater den ? Hvordan og på hvilke steder kan vi overvåkden ? Hvord Hhemmeligheter? Sandre og forsøk å identifiser hovedprosessen og mulige side/ hjelpeprosesser til denne. En idéi denne sammenheng kan være å se etter hovedmasseflyten i anlegget. Som regel er denne tydelig, og så kan man se etter tilsatsstoffer og deres flyt i systemet. Restprodukter og avfallsprodukter kommer deretter. Se om du kan dele prosessen opp i pproduktet før det startes på en ny. Er det i produksjonsprosessen en transport av produksom danner et skille mellom to ulike delprosesser? Uinstrumentflytskjema(PI&D) kan også hjelpe oss til å forstå prosessen. Disse skjematypene skal vi komme mer tilbake til senere. Utarbeiding av en verbal beskrivelse av prosessen,


32/118


skrevet for at andre skal forstå hva som skjer er, også et godt hjelpemiddel for å arbeide seg inn i en prosessforståelse. I komplekse prosesser kan utarbeidelse av en matematisk beskrivelse av prosessen ( en transferfunksjon ) være med på å lette forståelsen. Ofte må man imidlertid vente med denne operasjonen til man har vært gjennom det øvrige.

Forenkling av prosessen. Først når man har forstått hvordan prosessen fungerer har man mulighet for å gå inn å se på muligheter til å forenkle prosessen. En viktig ting å tenke på her er at produktet og produktets kvalitet ikke må endres eller forringes om man foretar en forenkling i produksjonsprosessen. For få til en forenkling må man sette spørsmålstegn med de eksisterende handlingene i prosessen. Hva er hensikten med denne transporten, hvorfor tilsetter vi dette stoffet før vaskeprosessen? Hva er den ønskede kjemiske reaksjon mellom de to stoffene, og hva kan påvirke og ødelegge eller forsterke denne reaksjonen? Hvordan er det mulig å forenkle denne arbeidsoperasjonen? Kan vi kombinere to arbeidsoperasjoner for å forenkle intern-transporten? Kan noen av deloppgavene legges til en manuell produksjonslinje inne i den automatiske prosessen? I denne forenklingsprosessen kan verktøy som for eksempel Karnaugh-diagram være et godt hjelpemiddel. Vi skal senere i faget se at kombinasjon og matematisk forenkling av transferfunksjonsuttrykk kan hjelpe oss til å se mulige forenklingspunkter.

Automatisering av prosessen. Når vi har fått forenklet prosessen til den enkleste form kan vi begynne å vurdere automatiseringsgrad, automatiseringsmetode og strategi. I dette arbeidet må vi hele tiden holde framfor oss at det er prosessen og produktene/produktkvaliteten som er styrende og som skal avgjøre valgene våre. De ulike elementene i tipunktsstrategien som kommer senere i kapitelet kan anvendes i denne sammenheng.


33/118


Strategi i 10 punkter for automatiserings og produksjonssystemer. Å følge USA-prinsippet er bra i den første delen i et automatiseringsprosjekt. Som antydet tidligere kan det vise seg å ikke være kosteffektivt og forsvarlig å automatisere etter at produksjonene er forenklet. Kommer vi derimot dit hen at det vil kunne forsvares å investere i en automatisert produksjon kan de følgende 10 punkter være et vegkart som viser oss gjennom automatiseringsprosessen.

1. Spesialisering av arbeidsoperasjoner. Denne strategien innebærer bruk av spesialverktøy/ spesialproduksjonsutstyr utviklet for å gjøre nettopp denne arbeidsoppgaven. Et slikt eksempel kan være en bleiepakkemaskin som bare kan produsere en bleietype. Dette er analogt til spesialisering av personell til å gjøre en enkelt spesialisert arbeidsoppgave for å øke arbeiderens effektivitet.

2. Kombinerte operasjoner. Denne strategien kan brukes der hvor produksjonen framstår som en serie ( sekvens) av flere arbeidsoppgaver. Kombinasjonsstrategien går ut på at for å minske antallet enkeltoperasjoner eller arbeidsstasjoner slik at man slipper å rute arbeidsstykkene gjennom færrest mulig arbeidsstasjoner. Typisk en slik arbeidsstasjon for kombinerte operasjoner kan være en verktøybenk som både dreier, freser og borer, i stedet for en arbeidsstasjon for hver av arbeidsoppgavene. På denne måten kan man spare inn omstillingstid, fordi man nå bare trenger dette på en arbeidsstasjon. Slike arbeidsstasjoner kan være et automatiseringsobjekt i seg selv.

3. Simultane arbeidsoperasjoner. Hvis det er mulig så vil det være gunstig for å få til en kortere produksjonstid å kunne utføre flere arbeidsoppgaver, eller bearbeide flere arbeidsstykker parallelt. Dette vil være en logisk videreføring av pkt.2 over. Dette kan enten gjøres ved at bearbeidingsmaskinen har flere parallelle produksjonsenheter, eller flere parallelle produksjonsmaskiner. I kjemisk prosessindustri ( kontinuerlig produksjon) vil dette kunne gjennomføres med parallelle prosesstrenger. Sårbarheten for feil med utstyret blir også mindre dersom man har slik parallellprosessering.

4. Integrerte operasjoner. Hvis man kopler sammen flere arbeidsstasjoner til en enkelt integrert funksjon og bruker automatiserte transporteringsenheter mellom arbeidsstasjonene reduserer man det antallet produksjonsenheter arbeidsstykkene må planlegges innom, og dermed kan man spare tid. Hvis man også bygger opp flere parallelle arbeidsstasjoner kan flere arbeidsstykker bli prosessert samtidig, og derme en høyere produksjon.

5. Øke fleksibiliteten. Ved mellomskala og masseproduksjon kan det lønne seg å lage produksjonsceller hvor automatiseringen blir utført slik at cellene kan veksle mellom ulike produksjoner. Ved forberedte produksjonsalternativer kan både produksjonsutstyr og automatisering forberedes raske produktskifter. Dette medfører igjen en kortere omstillingstid og mindre dødtid i produksjonen.

6. Forbedre materialhandtering og lagerfunksjoner. Ved å bruke automatiserte systemer for materialhandtering og lagerfunksjoner kan man spare mye manuelt arbeid som igjen kan føre til økt gjennomløpshastighet i lager-handteringsfunksjonen . Dette gir igjen kortere ventetider og raskere gjennomløp i produksjonen.

7. Online kvalitetsinspeksjon. Ved en normal utvalgsinspeksjon av produserte enheter vil man ofte ha produsert mange uakseptable enheter før kvalitetskontrollen oppdager det. Setter man inn automatisk inline testutstyr ( f. eks. mønstergjenkjenning ved hjelp av kamera og datamaskinsammenlikning)kan man stoppe feilproduksjon tidligere og dermed få mindre vrakproduksjon.


34/118


8. Prosesskontroll og prosessoptimalisering. Her går man et skritt videre ved å automatisere, styre og regulere i større omfang. Man innfører avansert reguleringsteori og ofte algoritmer og løsninger spesielt tilpasset hver enkelt prosess. Mer effektivt produksjonsutstyr, redusert produksjonstid og forbedret jevnere kvalitet som resultat.

9. Automatisert produksjonskontroll. Mens pkt. 9 i hovedsak var ment å anvendes direkte på produksjonsgulvet, ute i prosessen, vil man med denne automatiseringen ta for seg hele fabrikken. Ofte innebærer det flere ulike produksjonslinjer, med et mangfold av produkter. Hensikten ned denne automatiseringen er å koordinere og effektivisere ikke bare hvert enkelt produksjonssted, men også fellesfunksjoner og samvirkende og gjensidig avhengige produksjonsenheter mer effektivt. Denne automatiseringsformen krever ofte utstrakt bruk av datamaskiner med stor regnekraft.

10. Computer-integrated manufacturing. ( CIM). Trekker man automatiseringen enda ett hakk høyere I produksjonssystemet får man en integrert datamaskinmessig samarbeid mellom design, konstruksjon, produksjonsplanlegging, produksjonskontroll, prosesskontroll og til slutt også økonomiske og administrative systemer. Krever utstrakt bruk av datamaskiner, nettverkskommunikasjon og felles databasehåndtering.

De 10 strategiene som er nevnt over viser hvordan man kan forbedre og øke produksjonen. Dette er ikke de eneste måtene dette kan gjøres på, og hver enkelt strategi anvendes sjelden alene, men oftere i et utvalg av kombinasjoner.

AMS- automation Migration Strategy. Vi finner aldri den helt optimale produksjonsprosessen eller automatiseringsmåten I de eksemplene som er vist til før I dette kompendiet. Ofte har en bedrift behov for en rask utvikling, en umiddelbar produksjon og god fortjeneste på et nytt produkt. Som vi har sett tidligere vil dette som oftest kunne løses ved en manuell produksjonsprosess. Her kan man kjapt få laget nødvendig produksjonsverktøy, satt sammen en arbeidsstyrke og samlet sammen nødvendig produksjonsutstyr ( eventuelt tilpasset noe gammelt). Hvis produktet viser seg å slå an kan man så gå videre. Vi snakker ofte om tre faser i denne produksjonsutviklingen. Fase 1: Manuell produksjon hvor man bruker enkle bemannede arbeidsstasjoner og produksjonsceller som arbeider uavhengig av hverandre. Brukes når man introduserer nye produkter. Rask reaksjon, lavkost maskintilpassning for å starte opp. Fase 2: Automatisert produksjon hvor man benytter seg av automatiserte maskineringssentre, arbeidsstasjoner eventuelt produksjonsceller. Etter hvert som behovet for økt produksjon stiger kan det rettferdiggjøres med en slik oppgradering ( automatisering) av arbeidsstasjonene. Mellom arbeidsstasjonene fraktes ofte materiellet manuelt. Fase 3: Automatisert integrert produksjon. Multistasjons automatiserte produksjonssystemer med automatisk materiellhåndtering og transport mellom arbeidscellene.


35/118


Hvordan denne migrasjonsfilosofien ( migrasjon = vandring, utflytting) anvendes er ikke lik fra selskap til selskap og fra gang til gang . Fordelen med den er at den tar hensyn til en produksjonsutvikling fra småskala til masseproduksjon og innfører automatisering i den grad det er nødvendig og ønskelig på det nivået produksjonen er der og da. Fordeler ved denne typen produksjonsstrategi er :

• Den tillater å få fram et nytt produkt på kort tid med forholdsvis små investeringer

• Den sørger for at automatisering av produksjonen innføres gradvis og etter det behovet som er der og da. Den krever imidlertid at det finnes en plan for og en strategi for hvordan automatiseringen kan utvides enda mer for ikke å låse seg når automatiseringsgraden og nivået skal økes. Strategien gir rom for god tid til planlegging.

• Man unngår i en tidlig fase å binde seg til en bestemt automatiseringsgrad, fordi det alltid kan være en mulighet for at produktet ikke faller i smak i markedet og dermed må fases ut snart. Investeringskostnadene kommer først når man ser at produktet er levedyktig.


36/118


Dokumentasjon i/av prosessanlegg. For at vi skal kunne analysere et prosessanlegg er vi avhengig av at det er dokumentert. Det finnes flere måter å dokumentere et anlegg på. Det kan være ett av følgende:

• Prosessbeskrivelse ( verbal) • Blokkskjema som er en skjematisk framstilling hvor bare hovedelementene i

prosessen framstår som blokker. Viser prosessflyten i anlegget. • Prosess-skjema. En tegning som ved hjelp av standardiserte symboler beskriver

hvordan produksjonen foregår. I dette skjemaet inngår angivelse av massestrømmer, temperaturer og trykk i anlegget sammen med dimensjonering av rør og tanker.

• P&ID diagram. Dette står for Prosess og Instrument diagram (tegning) og er et prosess-skjema hvor instrumentering og regulering er tegnet inn. Kalles enkelte ganger også teknisk flytskjema.

La oss se på hvordan denne dokumentasjonen kan se ut, og hvilke standarder som gjelder.

Prosessbeskrivelse. Denne er som oftest verbal, og gir en forklaring på hva som skjer i prosessen. Et eksempel på dette ser dere i beskrivelsen av FREVAR’s forbrenningsanlegg tidligere i dette kompendiet.

Blokkskjema. Blokkskjemaet viser i en enkel form de viktigste trinnene i produksjonsprosessen og hovedstrømmen av stoffer i anlegget, med angivelse av inngangs og utgangsstoffer. (Ignatowitz)

Rørledninger blir framstilt som linjer, og hovedproduktlinjen blir tegnet med en tykkere strek enn resten av produktlinjene. Normalt brukes 1 millimeter strektykkelse på hovedlinjen og 0,5 millimeter strektykkelse på øvrige linjer. Retningen på stoffstrømmene blir angitt med piler og inn og utgang av hovedstoffene blir markert med spesielle hovedpiler. Hovedprosesstrømmen tegnes som oftest fra venstre mot høyre på tegningen. Mediet som strømmer angis langsetter ledningene.


37/118


Den enkleste formen for et blokkskjema kan se slik ut:

Hv

Fig

Hevian Etprbldeolol Figga

UtaRo

Figur 14 Enkelt blokkskjema over prosess

is vi legger inn litt mer informasjon vil bildet av prosessen tre enda tydeligere fram.

ur 15 Blokkskjema med tilleggsinformasjon

r ser vi at vi også har fått på mengden av stoff som går inn og ut av prosessen, noe som ser oss hvordan prosessflyten i anlegget er og også kan si oss noe om virkningsgraden i legget. Karakteristiske driftsbetingelser angis også ofte.

eksempel på en større osess med et dertil større okkskjema kan vi se i nne tegningen som viser je og gassbehandling på en jeplattform.

ur 16 Blokkskjema over olje-ssbehandling

rbeidet av : y Rasmussen. Høgskolen i Vestfold avd. RI-2005

38/118


Prosess-skjema. Et prosesskjema er en framstilling av en prosess med grafiske symboler for apparater og maskiner, og med flytlinjer for stoff og energistrømmer. Som basisinformasjon inneholder prosess-skjemaet ( noen kaller det også prosessflytskjemaet)

• Hvilke typer apparater og maskiner som blir benyttet i prosessen, framstilt ved hjelp av grafiske symboler og med kodebetegnelser. ( driftsmaskiner, som elektriske motorer, blir ikke tegnet inn)

• Flytveiene for inn og utgangsstoffene og for stoffer og energibærere innenfor prosessen, med navn på stoffer og og energibærere.

• Karakteristiske driftsbetingelser. Som tilleggsinformasjon kan man ofte finne:

• Benevnelsen på og mengden av stoffer og energibærere som er involvert i prosessen

• Angivelse av vesentlige armaturer • Opplysning om måle, styre og reguleringsobjekter på viktige steder i anlegget. • Utfyllende driftsbetingelser • Karakteristiske størrelser og data for apparater og maskiner ( unntatt

driftsmaskineri) • Høydeangivelse ( i forhold til referanse) for viktige apparater og maskiner (

kan også finnes som separate lister/tabeller) • Karakteristiske data for driftsmaskineri i separate lister

Oppbyggingen av prosess (flyt) skjemaet følger i grove trekk oppbyggingen til blokkskjemaet. Symbolene følger som regel standarden DIN/ISO 28004. Blokkskjemaet vi så i figur 13 kan vi tegne som et prosess-skjema og da kan det se slik ut:

Figur 17 Prosessflytskjema av prosessen i figur 13


39/118


Figur 18 Prosess-skjema m/dimensjonstabell


40/118


Eksempler på grafiske symboler som brukes i disse tegningene ser dere her:

Symboler fra DIN 28003 del 3 og DIN 2429 ( et utdrag hentet fra Ignatowitz)


41/118


Symboler hentet fra DIN 28003 ( Ignatowitz)


42/118



43/118


Figur 19 Symboler for prosessutstyr


44/118


P&ID-skjema. ( TFS - teknisk flytskjema) Denne skjematypen heter egentlig P&ID = Piping and Instrument diagram, og altså ikke prosess og instrument. Med det antydes det at skjemaet ikke er like nøyaktig og grundig i forhold til prosessen som selve prosess-skjemaet er. Dette skjemaet er basert på prosessflytskjemaet og skal gi en oversikt over hvor i rørsystemet ( prosessen) instrumenteringen er plassert. Noen kaller også dette skjemaet for TFS-teknisk flytskjema. Begrepene går noe om hverandre. En definisjon på skjemaet er slik: Et prosess og instrumentflytskjema er en framstilling av et kjemisk anlegg der det er tatt med utrustning i form av armaturer og rørledninger i tillegg til måle, styre og reguleringsanretninger. (Ignatowitz) Siden skjemaet er basert på prosessflytskjemaet kjenner vi igjen symbolbruken på det tekniske utstyret fra dette skjemaet. Det brukes de samme standarder til tegningen . Som basisinformasjon i dette skjemaet finner vi:

• Typer av apparater og maskiner, inkludert driftsmaskiner, rørledninger og armaturer ( ventiler med mer.)og installerte reserveapparater.

• Benevnelser på apparater og maskiner og deres karakteristiske størrelser • Angivelse av diameter, trykktrinn, materialer og hvordan rørledningen er utført • Angivelse om isolering av deler av anlegget • Angivelse av eventuell varmetracing • Oppgave over måle-, styre-, og reguleringsinnretninger. Følger ISO 3511 eller

en annen angitt standard. Som tilleggsinformasjon i P&ID-skjemaet kan vi finne:

• Flytveier, benevnelser og mengdeoppgaver for energibærere • Beskrivelse av armaturer og viktige måle-, styre- og reguleringsinstrumenter • Høydeforhold ( kotehøyder) for apparater og maskiner • Viktige materialer i apparater og maskiner

Eksemplet med en prosess for framstilling av en kjemisk løsning kunne se slik ut som P&ID/TFS-skjema:


45/118


Figur 20 P&ID skjema av kjemisk framstillingsprosess

Denne skjematypen er det som viser reguleringsstrukturen i anlegget. Det er her vi ser hvordan ulike reguleringssløyfer står i forhold til hverandre og eventuelt hvordan de sannsynlig vil påvirke hverandre. Instrumentene i et instrumentert prosessanlegg er nummerert for å kunne holdes fra hverandre. Hver sløyfe som består av sammenhengende instrumenter fra måling til påvirkning av prosessen får et felles nummer, med en bokstavkode som viser hva sløyfa gjør. Et eksempel på dette er sløyfe PIC-123 som består av PT-123 ( trykktransmitter-123), PIC-123 ( reguleringsfunksjon 123) ( kan fysisk være en selvstendig fysisk enhet, eller en algoritme / funksjon i et databasert styresystem) og PV-123 ( trykkreguleringsventil 123) Funksjonsangivelsen ( PIC) følger ISO-3511/ NS 1438 standarden, eller en annen som er valgt i anlegget ( et alternativ er ISA 5.1) . På neste side ser vi et annet eksempel på et P&ID-skjema.


46/118


Figur 21 TFS over destillasjonskolonne ( Nork Hydro, opplæringsanlegg)


47/118


Standardisering av . Alle land har sine standardiseringsorganisasjoner. I Norge ivaretas denne funksjonen av en ”institusjon” som kalles Norsk Standard, og forkortes NS. Denne standardiseringsorganisasjonene er delt opp i fagseksjoner som tar for seg ulike fagfelt. Prosesskontroll og reguleringsteknikk er et disiplinoverskridende fagfelt som inkluderer elektro, mekanisk ( maskin) prosess og kjemitekniske installasjoner. Vi må derfor forholde oss til flere ulike standarder. De ulike disiplinene i Norge samarbeider med tilsvarende disipliner over hele verden i et internasjonalt standardiseringssamarbeid. Dette internasjonale samarbeidet resulterer i internasjonale standarder som deretter blir ratifisert av medlemslandene. Derfor blir ofte internasjonale standarder som f. Eks ISO 3511 omdøpt når den kommer til medlemslandene. ISO 3511 heter i Norge NS 1438. Figur 22 Sammenheng mellom ISO 3511 og NS 1438

I Norge i dag er det stort sett ISO 3511 som brukes som instrumentstandard. På grunn av

”import” av anlegg og dokumentasjon finnes det imidlertid flere standarder i bruk. De viktigste av disse er: Figur 23 ANSI standarden

Figur 24 Norsok er en nasjonal tilpassningsstandard for Norsk Sokkel.


48/118


Norsok hat standarder som dekker de fleste fagområder. I reguleringsteknisk sammenheng er det standardene I = instrument, P= prosess og S = safety som er av særlig interesse. Norsokstandardene finnes på: http://www.standard.no/imaker.exe?id=244

Figur 25 Norsok og andre instrumentstandarder

Norsok ligger åpen på nettet, mens alle andre standarder må kjøpes fra de enkelte standardiseringsorganisasjoner, og er ofte kostbare.

Figur 26 Standardiseringsorganisasjoner.


49/118

http://www.standard.no/imaker.exe?id=244


Dokumentasjonsomfang I automatiseringsanlegg. Vi har sett på noen dokumenter som er nødvendige for å kunne forstå en produksjonsprosess og legge opp en reguleringsstrategi i anlegget. Disse dokumentene er bare et litet utsnitt av den dokumentasjon som er nødvendig i anlegget. Følgende figur gir en skjematisk oversikt over hvilke dokumenter som er nødvendige, og hvordan de henger sammen.

Figur 27 Dokumenter og deres sammenheng


50/118


Reguleringsteknikk. Reguleringsteknikk er i følge Kunnskapsforlagets Store Norske leksikon et begrep som først etter 1950 fikk en generell betydning. Begrepet omfatter, fremdeles i følge Store Norske; alle de tiltak som benyttes i industrien og teknikken for å automatisere prosesser, fremstillings- og behandlingsmetoder. Reguleringsteknikken betegnes også som ”automatisk kontroll”. Kybernetikk ( som kommer av det greske ordet kybernetes som betyr rormann) blir også brukt på det fagområdet vi nå skal bevege oss inn i. Kybernetikk er en gren av naturvitenskapen som ble grunnlagt av en gruppe amerikanske vitenskapsmenn med fysikeren Norbert Wiener i spissen i 1949. Kybernetikk defineres i henhold til Store Norske leksikon som :læren om de regulerende og selvregulerende mekanismer i naturen og teknikken. En reguleringsmekanisme arbeider etter et såkalt program, dvs. en forskrift som pålegges, og den gir en bestemt virkning. Store Norske sier også om Wieners teori. Kybernetikk eller systemteori har sin styrke i at man understreker vekselvirkningen mellom to aktører eller deler i systemet. En impuls som starter i en del, returnerer til opphavstedet etter å ha blitt omdannet gjennom en rekke delprosesser i systemets andre ledd. En slik beskrivelse av reguleringsteknikken impliserer at teoriens kan brukes på alle typer prosesser enten det er tekniske/naturvitenskapelige prosesser, mellommenneskelige prosesser eller politiske/økonomiske prosesser. Wieners utgangspunkt var at det samme matematiske beskrivningsverktøyet kunne brukes til å beskrive alle disse ulike prosessene og dermed matematisk behandles på lik måte. Ordbok for Automatiseringsteknikk, utgitt av Rådet for teknisk terminologi, definerer begrepet REGULERING slik: Påvirkning av en prosess gjennom tilbakekobling ( lukket sløyfe) med det formål å bringe utgangsstørrelsen(e) i overensstemmelse med gitte spesifikasjoner. Den sammen ordboken definerer KYBERNETIKK slik: Begrep som omfatter automatisering i videste forstand, fra teknisk automatisering av prosesser over databehandling og organisasjonsteori, til informasjonsoverføring og regulering i levende organismer. I dette kurset skal vi behandle reguleringsteknikken innenfor tekniske prosesser, brukt i produksjonsprosesser i industrien.

Ulike begrep brukt i reguleringsteknikken. Denne lista vil ikke være fullstendig men omfatte noen av de mest brukte begrepene. Lista inneholder både engelske og norske begrep. Engelsk fordi fagspråket innen reguleringsteknikken har vært og er engelsk fra utviklingen av dette fagområdet.


51/118


Tabell 1 Ulike reguleringstekniske begrep

A/D-converter A/D- konverter, analog til digital konverter.

Enhet som digitaliserer et analogsignal ( strøm, spenning… )

Auto Mode Automode / i stilling auto. Forteller at en regulator er satt til automatisk å regulere en variabel/prosess.

Anti-Reset Windup Her brukes det samme begrepet på norsk. Det betegner en funksjon inne i en PID-regulator som skal sørge for at integralfunksjonen ikke skal fortsette å integrere etter at regulatorens utgangssignal har nådd maks. eller min. nivå og det fremdeles forefinnes et avvik.

Closed- loop Lukket sløyfe. Betegner en reguleringskrets som kobler den regulerte variable tilbake slik at regulatoren kan beregne et reguleringsavvik for automatisk regulering.

Dead Time Dødtid. Betegner den tiden det tar før prosessen begynner å endre seg etter at pådraget til prosessen har endret seg. Denne verdien kalles også ofte for tidsforsinkelsen i prosessen. En regulator kan ikke få prosessen til å reagere raskere enn prosessens dødtid.

Derivative Derivasjon, betegner en del av algoritmen i en PID-regulator. Med derivatvirkning vil regulatoren reagere på og regulere etter endringshastigheten til den prosessvariable ( ofte koblet videre til reguleringsavviket ). Derivativ virkning kan vi også betegne som en virkning som kommer i forkant. D-virkningen gir en reaksjon før den prosessvariable kommer ut av kontroll, eller at avviket er blitt for stort.

Dominant Dead Time Process. Dominant dødtidsprosess. Betegner en prosess hvor dødtiden er større enn lag-time (prosessens tidskonstant).

Dominant Lag Process Prosess med dominerende tidskonstant. De fleste prosesser inneholder både dødtid(er) og tidskonstant(er). Hvis prosessens tidskonstant er større enn prosessens dødtid, er prosessen en tidskonstantdominant prosess. De fleste forekommende prosesser er av denne typen.

Error. Feil, avvik. Det brukes også begrepet reguleringsavvik. Finnes ved å trekke prosessverdien fra setpunktverdien: Error= SP-PV=e ( setpunkt - prosessverdi)

Equivalent Dead Time Ekvivalent dødtid. Sett fra en regulator kan


52/118


det se ut som om prosessen har en større dødtid enn den egentlig har. Dvs. at regulatoren ikke kan trimmes optimalt uten å bli ustabil. Det vil si at regulatoren reagerer på prosessens virkelige dødtid pluss prosesskomponenter som bidrar med mer enn 180° faseforskyvning. Dødtiden fase øker proporsjonalt med frekvensen. Enhver prosess som har mer enn 180° faseforskyvning har en ekvivalent dødtid man må regulere etter.

Gain ( of the Controller) Regulatorforsterkning. Dette betegner P-delen i en PID-regulator. P-delen er en ren forsterkningsfaktor som stilles inn i regulatoren. Ofte brukes betegnelsen proporsjonalbånd om forsterkningsleddet i regulatoren. Sammenhengen mellom forsterkningen og proporsjonalbåndet er: Forsterkningen = 100/proporsjonalbåndet. Høyere regulatorforsterkning gir raskere regulatorrespons og fare for ustabil (oscillerende) prosess.

Gain ( of the Process) Prosessforsterkning er definert som dividenden mellom forrandringen i prosessverdi og forandringen i inngangssignal. Fp= ∆PV/∆MV. En prosess med høy prosessforsterkning vil reagere kraftigere på en endring i pådraget enn en med liten prosessforsterkning.

Hysteresis Hysterese er et begrep som omhandler egenskaper ved produkter og prosesser som gjør at bevegelser og reaksjoner er ulik når enheten beveges den ene eller den andre veien. Vil også opptre som glapp i roterende utstyr.

I/O Input/Output Inngang/utgang. Betegner de delere eller enheter som samler inn eller sender ut signaler fra/til prosessen.

Integral Action Integralvirkning. Brukes om I-leddet I PID-regulatoren. I integralleddet brukerregulatoren størrelsen på og den tiden avviket varer til å gi et bidrag til regulatorens utgangssignal (pådragssignalet).Denne parameteren betegnes på ulike måter, og kan angis på følgende måter: Tid pr. repetisjon ( tid/repetisjon) Tid ( integraltid) Repetisjon/tidsenhet eller 1/tidsenhet. Hvis du minsker verdien på integralsettingen din vil regulatorens integralvirkning bli


53/118


sterkere i de to første tilfellene og svakere i de to siste.

Load Upset, disturbance Forstyrrelse. En hending i prosessen som gjør endringer i prosessen som ikke kommer fra pådragsendring kalles en forstyrrelse.

Lag time Tidskonstant. Prosessens tidskonstant. Defineres som tiden det etter dødtiden tar å endre prosessverdien med 63% av maksimal endring etter at et sprang er tilført i prosessens pådrag. Svært få prosesser kan beskrives bare med en tidskonstant. De fleste virkelige prosesser inneholder en dødtid.

Measurement, Process Value . PV Måleverdi, prosessverdi. Den verdien som den regulerte variable I prosessen har . Kalles også PV i de fleste algoritmebeskrivelser.

Mode Modus. Betegner den tilstand regulatoren er i. De vanligste er Manuell, Automat og Remote (fjernbetjent, ofte brukt når en prosessdatasystem styrer en regulator som ligger lokalt plassert eller i et annet datasystem) En variant av dette er når regulatoren fungerer som slave i en kaskadesløyfe.

Cascade Kaskade. En betegnelse som brukes når to regulatorer kobles sammen til en funksjonell enhet slik at masterregulatoren (som kontrollerer den primære variable) styrer settpunktet på slaveregulatoren som igjen styrer den sekundære variable i sløyfa. Denne typen regulering brukes for å kompensere for variasjoner i den sekundære variable før disse variasjonene gir innvirkning på den primære variable.

Open Loop. Åpen sløyfe. Brukes når man kobler ut tilbakemeldingen i en reguleringssløyfe. Dette skjer blant annet når man setter en regulator i manuell.

Output, Manipulated Value Utgang. Prosessutgang, manipulert verdi. Dette er utgangen fra regulatoren og kalles også regulatorens PÅDRAG. I manuell styrer operatøren selv utgangen, mens i automat kalkuleres regulatorens pådrag på bakgrunn av reguleringsavviket og regulatorens PID-parametre. Mange regulatorer kan bruke ulike algoritmer ( formler) til denne kalkulasjonen. Alternativene stilles inn i parametersettingen i regulatoren.

PID Controller PID-regulator. Regulator som er designet for å minske behovet for kontinuerlig operatøroppmerksomhet mot en prosess.


54/118


Bruker følgende parametre ( funksjoner) Setpunkt = ønskeverdi er den verdien vi ønsker prosessen skal ligge på. Avvik, feil er forskjellen mellom måleverdien (prosessverdien, erverdien) og settpunktet og er den verdien regulatoren bruker i sine beregninger). Regulatoren vil i auto endre utgangssignalet (pådraget) ved en endring i avviket. Dette kan være forårsaket av en prosessverdiendring eller en setpunktsendring.

Rate Brukes om D-funksjonen til regulatoren. Reset Brukes om integralvirkningen til regulatoren Robust En robust reguleringssløyfe er en sløyfe som

ikke bringes til ustabilitet ved prosessendringer. En lite robust reguleringssløyfe bringes lett i svingninger (ustabilitet) om prosessen endress.

Reguleringssløyfa. En reguleringssløyfe består av flere elementer. Hovedelementet er alltid prosessen. Det er prosessen vi skal styre, det er prosessen som kan variere og bli utsatt for forstyrrelser (støy) og det er prosessen som gir penger i kassa. Deretter kommer de komponentene ( enhetene) vi putter inn i sløyfa som setter oss i stand til å avlure prosessens dens hemmeligheter, eller setter oss i stand til å påvirke den slik vi ønsker. Intelligensen i sløyfa innfører vi med en regulator ( kan være bygget inn i en boks, eller finnes som en programsnutt i en datamaskin) som ved hjelp av anvendt teori gjør de nødvendige endringer i prosessen. Vi framstiller ofte en reguleringssløyfe på følgende måte: Tegningen viser en nivåreguleringssløyfe som holder nivået i tanken konstant ved å slippe ut mer eller mindre vann gjennom reguleringsventilen som sitter på utløpet fra tanken. I tegningen vises det også de komponentene som reguleringssløyfa inneholder. Tanken med røret inn,

påmontert en belastningsventil og røret ut av tanken er selve prosessen. Holder vi reguleringsventilen på innløpet i en fast åpning og åpner belastningsventilen mer, forsvinner det mer

Figur 28 Reguleringssløyfe


55/118


vann ut av tanken og nivået vil synke. Tilsvarende vil nivået stige dersom vi struper belastningsventilen. Dette var en prosesstegning av hva en reguleringssløyfe er og hva den inneholder. Det er vanlig å presentere reguleringssløyfene i et blokkdiagram som viser hvordan de ulike delene av sløyfa er satt sammen. Et blokkdiagram/blokkskjema over ei reguleringssløyfe kan se slik ut:

i

Figur 29 Blokkskjema av reguleringssløyfe

processcontroller

comparator

variable+–

process

transmitter

controller

disturbancemanipulated

controlledvariable

+– errorsetpoint

For å belyse hvor vi finner de ulike begrepene på en prosesstegning kan vi se på følgende:

LT LC

SP

Flow in

Flow out

desired value(set-point)

transmitter

controllercontrolledvariable

(measurement)

manipulatedvariable

disturbance

process

LT LC

SP

Flow in

Flow out


transmitter

controller


transmitter

controllercontrolledvariable

(measurement)

manipulatedvariable

disturbance

process

Figur 30 Nivåreguleringssløyfe. Navnsatte komponenter

De ulike elementene i reguleringssløyfa:

Prosessen. Det finnes ulike prosesser. Vi deler dem ofte inn etter hvilke parametre som styres.


56/118


Da kan vi nevne trykkprosesser, nivåprosesser, temperaturprosesser, mengde (flyt)-prosesser, og mange flere. Et eksempel kan være slik som denne temperaturprosessen.( Temperaturregulering i en varmeveksler). Varmeveksleren til venstre og et flytskjemabilde av reguleringen til høyre.

Figur 31 Bilde av varmeveksler Figur 32 PI&D skjema over temperaturregulering av varmeveksler

Transmitter og reguleringsventil. Det utstyret som sitter ute i prosessen og henter inn de målevariable vi er interessert i kalles transmittere. DE er bygd opp av to deler, en pick-up del og en forsterkerdel. Pick-up delen kalles i denne sammenhengen for måleelement og omformer prosess-signalet fra den fysiske målestørrelsen til et , i dag som oftest, elektrisk signal. Signalstørrelse og signalomfang kan være svært ulik fra ulike måleelementer. Forsterkerens oppgave er å omforme målesignalet fra måleelementet til et standardisert måleverdisignal. Signalområdet fra transmitteren er som oftest 4-20 mA, 1-5 volt,(eventuelt 0-20 mA, 2-10V(0-10V). Dette er standardiserte signalstørrelser som gjør at utstyr fra ulike produsenter kan settes sammen i et anlegg og allikevel kunne snakke med hverandre. Noen eksempler på slikt utstyr:

Figur 34 Vortex- mengdemåler Figur 33 Trykktransmitter


57/118


Prosesspådraget blir som oftest utført av en reguleringsventil som består av følgende komponenter: Aktuator (”ventilmotor”), Posisjoner (posisjonsregulator) som holder ventilen i ønsket posisjon og selve ventilen (pådragsorganet). Aktuator Positioner Figur 35 Reguleringsventil

Ventil Det finnes ulike typer reguleringsventiler: kule-, kulesegment-, sete-, bur- og spjeldventil som vist på b e ventiltypene kan ha ulike ventilkarakteristikker (sammenhengen mellom åpning og gjennomstrømning) som må tilpasses hver enkelt installasjon ut ifra prosessen. Aktuatorenkan bruke pneumatikk, hydraulikk eller elektrisitet som kraftmedium..

ildet er de vanligste. De ulik

e

Regulatoren. Regulatoren er reguleringssløyfas hjerne. Det er her kunnskap om prosessen omsettes til praktisk handling for å styre prosessen mot det ønskede arbeidspunktet. Regulatoren arbeider på grunnlag av den reguleringsalgoritmen som er implementert i regulatoren. Reguleringsalgoritmen er en matematisk funksjon som forteller hvordan det skal reageres på et reguleringsavvik, en støypuls på prosessmålingen, trender i prosessverdien og de øvrige betingelser vi ønsker at skal bli tatt hensyn til under reguleringen av prosessen. Det finnes mange produsenter av regulatorer, og mange har sine egne reguleringsalgoritmer implementert i regulatoren. Ofte er ulikhetene de ulike produsenter og alternativer mellom små, men de aller fleste benytter seg av standard PID-algoritmer. Disse kommer til å bli beskrevet senere i kompendiet. Regulatorfunksjonen kan bli realisert i ulike typer hardware. Den eldste og mest tradisjonsrike er de såkalte ensløyferegulatorene. Dette er regulatorbokser som ofte blir plassert lokalt i nærheten av der reguleringen skal foregå. Rn slik type regulator er Yokogawas YS-170. Det er en typisk prosessregulator med operatørens betjeningsanordning plassert i fronten med en enkel måte å betjene prosessen på. Vi ser et bilde av denne regulatoren til høyre. I fronten finner vi en søyle som representerer prosessverdien, en som representerer ønskeverdien (settpunktet) og en horisontal søyle som representerer reguleringsutgangen (pådraget). Denne regulatoren har, som de fleste litt avanserte prosesskontrollerne, 5 analoginnganger som kan brukes til å hente opplysninger fra prosessen. Den har 3


58/118Figur 36 Moderne ensløyferegulator ( Yokogawa)


analogutganger som brukes til å styre prosessen og gi informasjon videre til andre reguleringssløyfer samtidig som den har 6 digitalporter som kan konfigureres til inn/utganger avhengig av hva vi har behov for. Regulatoren er programmerbar og benytter en form for assembler språk, og den kan kjøre to regulatorer i en komplett kaskadesløyfe samtidig. Utseende og størrelse på slike regulatorer kan være svært ulike, mens den indre funksjonen ofte spesialtilpasses til de oppgavene de skal utføre. Et eksempel på slik tilpassning er det man kaller temperaturregulatorer som da er tilpasset temperaturregulering, ofte ved hjelp av digitale inn/utganger som styrer oppvarmings og kjøleelementer ute i prosessen. Den andre hovedtypen regulatorer er den vi finner i ulike datamaskinbaserte regulerings og styringssystemer. Dette kan være PLS ( programmerbar logisk styring) og DCS ( digital control system). I disse systemene ligger regulatorfunksjonen som en softwarerutine som kalles opp og brukes når det er behov for regulering av et objekt.

Reguleringssystemet.

Reguleringsproblemet. Når vi skal gå inn i reguleringssystemet for å gjøre noe med det, så er det første vi må gjøre å finne ut hva reguleringsproblemet er. Enkelt kan man si at oppgaven til reguleringssystemet er:

• Å overvåke bestemte variable som forteller om prosessens tilstand til enhver tid

• å foreta logiske og fornuftige beslutninger for å gjennomføre nødvendige korrektive aksjoner ( erverdi i forhold til ønskeverdi)

• innføre (sette ut i livet) endringer i den riktige prosessvariable som endrer (forbedrer) prosesstilstanden. ( eks. endrer ventilåpning)

Dette kan vi også beskrive matematisk, men da innfører vi først et begrep, prosessavviket . Det er ønskelig at dette prosessavviket er minst mulig. Når prosessen har stabilisert seg etter en endring ønsker vi at dette avviket skal være minst mulig (0). Det eventuelle sluttavviket når prosessen har stabilisert seg kaller vi det statiske prosessavviket.

0)(lim ==∞→

teet

s Hvor es er det statiske prosessavviket og e(t) er avviket ved tiden t.


59/118


Avviket regner vi ut etter formelen:

yye r −= Hvor e = avviket, yr er referanseverdien til prosessen = settpunktet= ønskeverdien og y er prosessverdien i øyeblikket. Av dette ser vi at prosessavviket kan være både positivt og negativt. En vanlig måte å beskrive de ulike verdiene i regulatoren på er:

• u betegner pådraget ( ventilposisjon) • y betegner prosessverdi • yr betegner settpunkt eller referanseverdi • v brukes om forstyrrelser i prosessen • e betegner avviket, forskjellen mellom settpunkt og virkelig verdi

Setter vi disse betegnelsene inn i blokkskjemaet over en reguleringssløyfe slik den ble presentert i figur 28 får vi:

processcontroller

Komparator

+–Prosess

Transmitter

Regulator

Forstyrrelse: v

Pådrag: u

ProsessverdiFysisk verdi

+– Avvik:eSettpunkt: yr

Prosessverdi: y

Fysisk regulator Figur 37 Blokkskjema med reguleringsbetegnelser

Transferfunksjon og forenkling av denne. For å kunne bruke matematiske verktøy på en reguleringssløyfe må vi finne en måte å beskrive det totale reguleringssystemet. De ulike leddene som inngår i en reguleringssløyfe påvirker inngangssignalet på en måte som gjør at utgangssignalet endrer seg. Sammenhengen mellom endringer på inngangen og de endringer som skjer på utgangen som følge av dette kaller vi en transferfunksjon.


60/118


Vi bruker ofte blokkskjemateknikken for å beskrive hvordan de ulike elementene i en prosess (reguleringssløyfe) er satt sammen. Nedenfor vises typiske koplinger som finnes i et system, og det vises hvordan man kan redusere en blokksammensetning for å finne en enklere sammensatt transferfunksjon.

Seriekobling. En seriekobling av transferfunksjoner vil vi kunne beskrive slik:

i kan sette opp følgende transferfunksjoner for de ulike blokkene: Blokk 1: Y= G1 x X

G1 G2

G1 x G2X

YX Z

Z

Blokk 2: Z= G2 x Y Figur 38 Seriekopling av transferfunksjoner

Ved å eliminere variabelen Y finner vi: Z= G1 x G2 x X Den totale transferfunksjonen blir da: Gtot = G1 x G2

Parallellkobling.

G1

G2

G1 + G2X

YX

Z

Y

+

+

+En parallellkobling av transferfunksjoner vil gi følgende totale transferfunksjon av prosessen. Ved å sette opp likninger for de ulike transferfunksjonene og kombinere og erstatte variabler finner vi at her blir den totale transferfunksjonen: Gtot = G1 + G2

Figur 39 Parallellkopling av transferfunksjoner

Negativ tilbakekobling.

G1

G2

YX E

-

++

G1(1+G1G2)X

Z

Y

Vi gjentar det samme for en negativ tilbakekobling og finner da følgende: Gtot = G1/ ( 1+ G1 x G2)

Figur 40 negativ tilbakekopling


61/118


Positiv tilbakekobling. G1

G2

YX E

+

++

G1(1-G1G2)X

Z

Y

Positiv tilbakekobling gir følgende resultat: Gtot = G1 / ( 1- G1 x G2)

Figur 41 Positiv tilbakekopling

Ser vi på blokkskjemaet over den negative tilbakekoblingen ser vi at sammensetningen av blokker er identisk med slik vi har beskrevet en reguleringssløyfe. Funksjonen G1 vil her representere den totale transferfunksjonen av regulatoren og prosessen ( en seriekopling av disse), mens G2 vil representere transferfunksjonen i transmitteren.

Medkobling eller motkobling? Vi har allerede sett på hva som er hensikten med en reguleringssløyfe, nemlig å påvirke prosessen på en måte som gjør at den er i en tilstand som produserer det ønskede produktet med forventet kvalitet. Vi har sett på noen eksempler hvor vi bruker en teknikk som kalles tilbakekobling. Av figur 8 ser vi at i komparatoren trekker måleverdien fra setpunktverdien. Denne form for tilbakekobling kaller vi negativ tilbakekobling. En negativ tilbakekobling forteller at det tilbakekoblede signalet er i motfase ( 180°). Derfor kalles også denne måten å regulere for motkobling. Et annet eksempel ville vi hatt dersom vi i stedet hadde summert de to verdiene med samme fortegn i summasjonspunktet (komparatoren). Da ville vi kalt det positiv tilbakekobling. denne måten å koble opp regulatoren på medfører at det tilbakekoblede signalet er i fase med målesignalet og kalles også derfor for medkobling. Det er negativ tilbakekobling som brukes i reguleringsteknikken. På den måten kan vi påvirke reguleringssløyfas stabilitetsegenskaper.


62/118


Reguleringssløyfa i prosessen. Reguleringssløyfene hører til i prosessen. Derfor er det også naturlig å vise hvordan vi kan koble opp reguleringssløyfer på ulik måte ved å knytte det til hvordan de presenteres i et prosessflytskjema ( P&ID-skjema). De første eksemplene vi tar fram er to eksempler på hvordan vi kan regulere nivået i en tank.

Direktevirkende og reversert regulatorfunksjon. Figuren til venstre viser en regulering hvor man bruker utløpsventilen til å regulere med, mens figuren til høyre viser at man bruker påfyllingsventilen til å regulere med.

Figur 42 Reversert regulatorfunksjon

Praktisk resultat vil kunne bli det sammen med de to ulike måtene å regulere på, men de må bearbeides på

ulik måte. Figur 43 Direktevirkende regulator

Det er her vi må innføre to nye begrep i forhold til PID-regulatorens virkemåte. Vi har sett at PID står for proporsjonal, integral og derivatvirkning i regulatoren. Nå innfører vi direktevirkende og reversert virkende regulatorer. Disse begrepene refererer seg til om regulatorforsterkningen skal være positiv eller negativ. La oss se på prosessen til venstre. Hvis nivået i tanken stiger over det som er valgt som settpunkt vil reguleringsavviket bli negativt. ( SP-PV = negativt). Samtidig ser vi at for å senke nivået må vi øke uttaket fra tanken for å komme tilbake til balanse mellom settpunkt og erverdi. Haugen sier i Praktisk reguleringsteknikk (side 59):

Hvis prosessforsterkningen er positiv, skal Kp (regulatorforsterkningen) være positiv. (Regulatoren sies da gjerne å ha reversvirkning, siden en økning av prosessutgangens verdi gir en reduksjon av pådraget) Hvis prosessforsterkningen er negativ skal Kp være negativ. (kalles gjerne direktevirkning)

Ut ifra dette ser vi at regulatoren i det venstre tilfellet må være direktevirkende. Sagt med mer vanlige ord: siden vi må åpne ventilen mer når nivået stiger over settpunktet for å komme tilbake skal regulatorene være direktevirkende. Ser vi på det høyre tilfellet må vi strupe reguleringsventilen dersom nivået stiger over settpunktet, og regulatoren må ha en reversert virkning. Eller som Haugen ville sagt det regulatoren må ha en negativ forsterkning ( Kp er negativ)


63/118


Konsekvensene av å velge feil funksjon ( feil fortegn på forsterkningen) vil være at vi får en regulator som ikke har mulighet til å regulere inn prosessen. Haugen sier videre (side 59) at den totale forsterkningen i sløyfa skal være positiv uansett fortegnet av prosessforsterkningen. Dette oppnås ved å kreve at Kp•Kr>0. ( Kp er prosessforsterkningen og Kr er regulatorforsterkningen). Vi ser her bort fra den negative forsterkningen som ligger i subtraksjonen mellom referansen og prosessverdien. Det er ingen garanti for stabilitet at Kp•Kr>0 men det blir helt sikkert ustabilt om Kp•Kr<0. ustabilitet kan vi få også om Kp•Kr har en stor positiv verdi.

Kaskaderegulering. Nivåregulering som vist i tilfelle over vil være godt nok i de aller fleste tilfelle. Reguleringsventilenes kapasitet er avhengig av trykkfallet over ventilen. Ser vi på tilfellet til høyre så ser vi at dersom trykket P før reguleringsventilen varierer vil gjennomstrømningsmengden Q gjennom ventilen FCV variere med trykket P. Det ville dersom vi er avhengig av en nøyaktig nivåregulering i tanken kunne medført i svingninger i nivået. Dette på tross av at reguleringsventilen står i beregnet riktig posisjon for å utbalansere belastningen. Tilført mengde vil variere mens tappet mengde vil være konstant. For å bøte på dette problemet innfører vi en kaskaderegulering. Figur 44 Kaskaderegulering

En kaskadereguleringssløyfe har to regulatorer koblet sammen. Den ene sløyfa, mastersløyfa, er den ytre sløyfa som ligger og regulerer på den primære variable, den vi ønsker å holde kontroll på. I stedet for at pådraget fra denne sløyfa går til reguleringsventilen, sendes det til setpunktinngangen på slaveregulatoren. Slavereguleringssløyfa inneholder en transmitter som måler den mengden som strømmer gjennom reguleringsventilen. Nivåsløyfa sender her et ønske om en viss mengde vann inn i tanken, noe som mengdesløyfa ( slaveregulatoren, den indre reguleringssløyfa) sørger for å holde uansett trykkfallet over ventilen. Ventilåpningen blir justert i forhold til trykkfallet over ventilen for å holde konstant mengde. På denne måten får vi et reguleringssystem som plukker opp og justerer for forstyrrelser før de gjør utslag i den primære variable.


64/118


Forholdsregulering.

Som for kaskadereguleringssløyfa har vi behov for å tilpasse reguleringsstrukturen (regulatoren) også i det tilfellet at vi ønsker å regulere to størrelser i forhold til hverandre. Dette kan for eksempel være dersom vi ønsker å blande to stoffer i et konstant forhold til hverandre uavhengig av produksjonsraten. Dersom vi holder en konstant produksjon vil vi forholdsvis enkelt kunne stille inn et slikt forhold, men dersom trykket over en reguleringsventil varierer som i kaskadesløyfa, eller at produksjonen varierer over tid, vil vi måtte gå inn med såkalt forholdsregulator. Ser vi på figuren til venstre så kopler vi opp to målesløyfer inn mot samme regulator som settes i forholdsmode.

I dette tilfellet vil vi holde et konstant forhold mellom stoff A og stoff B, hvor stoff A er den primære variable i forholdet. Regulatoren sørger for at den sekundærvariable, stoff B, alltid

tilsettes i en viss mengde i forhold til stoff A. Endres mengden av stoff A vil mengden av stoff B bli regulert tilsvarende.

Figur 45 Forholdsregulering

Foroverkobling. Noen ganger er prosessen av en slik karakter at dersom inngangsverdien (pådraget) til prosessen endres vil det ta tid før resultatet vises i den regulerte prosessvariable. Dette er tilfellet i prosesser med langt dødtid, som for eksempel når vi mater en silo ved hjelp av et langt transportbånd. Da vil det ta tid før en endring i pådraget gir utslag på den regulerte variable. Et annet tilfelle er i en oppvarmingsprosess som har en stor varmekapasitet. Endres varmetilgang til prosessen vil det ta tid før vi ser resultatet av endringen. Hvis vi da venter med å kompensere for pådragsendringen til vi har et målbart resultat vil vi som regel få en overstyring av prosessen fordi en kalkulert endring av pådraget ikke vil få virkning før etter en lang tid. Vi vil få en ustabil regulering av prosessen. Hvis vi derimot foroverkobler pådraget til

prosessen og legger inn en korreksjon av reguleringen av den primære variable vil vi kunne ta høyde for de endringene som kommer, før de gir problemer. For at dette skal fungere må vi ha en god prosesskunnskap slik at vi kan legge inn den riktige korreksjonen til reguleringssløyfa.

Figur 46 Foroverkopling

I tilfellet på tegningen sørger foroverkoblingen for at uttaket av væske fra tanken holdes likt med tilførselen og vi får jevne arbeidsforhold i blandetanken.


65/118


Komponentene i reguleringssløyfa og prosessen. Vi har tidligere sett på de ulike komponentene i reguleringssløyfa og hvilken plass de har i reguleringssystemet. Vi skal nå se litt på hvordan de ulike komponentene oppfører seg i reguleringssløyfa.

Transmitteren. Transmitteren er som tidligere nevnt den komponenten i reguleringssløyfa som gjør om den prosessvariable til et standardisert målesignal som kan bearbeides av de andre komponentene i sløyfa. Feil brukt eller feil valgt transmitter kan forårsake mye trøbbel reguleringsteknisk. La oss derfor se på hva vi må passe på ved valg av transmitter. De fleste industrielle transmittere har et definert arbeidsområde som den må jobbe innefor. Dette arbeidsområdet kan være definert av fysiske grenser som målesignalet må holde seg innefor, eller det kan være omgivelsesbetingelser som begrenser arbeidsområdet. Måleteknisk arbeid mot prosessindustrien betegnes oftest som instrumenteringsarbeid. Man instrumenterer, setter inn utstyr - instrumenter som overvåker prosessparameteren (den fysiske størrelsen) kontinuerlig. Innen instrumenteringsteknikken bruker man noen faguttrykk som har en klar avgrenset betydning. Noen av disse er:

• Arbeidsområdet. o Begrenset av øverste og nederste målegrense. Dette er det området, innenfor yttergrensene som utstyret er designet for å jobbe innefor.

• Måleområdet o Begrenset av og inneholder øvre og nedre målegrense. Dette er det

måleområdet som er valgt å jobbe innenfor. Vi sier at transmitteren er kalibrert til, eller justert til å jobbe innenfor dette området. Øvre og nedre målegrense må alltid ligge innenfor arbeidsområdet til transmitteren.

• Måleomfanget o Måleomfanget er avstanden mellom øvre og nedre målegrense (den algebraiske

forskjellen) og brukes svært ofte for å angi målenøyaktigheten til transmitteren o Måleomfanget angis også som minste og største måleomfang for transmitteren.

Dette forteller at transmitteren er justerbar i måleomfang. Det største omfanget kan aldri bli større en omfanget av arbeidsområdet, og yttergrensene av det kalibrerte måleområdet må ligge innefor arbeidsområdet. Tilsvarende for minste måleomfang som også må ligge innefor arbeidsområdet.


66/118


Tegningen nedenfor viser grafisk hvordan dette henger sammen.

Måleverdilinje

Ned

erst

e m

åleg

rens

eØ

verste målegrense

Minimum span

Maksimum span

Øvre målegrense

Nedre målegrense Kalibrert område

Kalibrert spanKalibrert span kan justeres

innenfor grensene avøverste og nederste

målegrense

Figur 47 Måletekniske begrep

Transmittere finnes for ulike typer målinger, det kan nevnes.

• Nivåtransmittere • Trykktransmittere • Flow (mengdetransmittere) • Temperaturtransmittere • Transmittere for ulike analyser (pH, Redox, ledningsevne, ulike

gasskomponenter osv.)

Transmittere for samme fysiske størrelse (for eksempel trykk) kan baseres på ulike måleprinsipper som vil ha ulik dynamisk karakteristikk og nøyaktighet avhengig av måleprinsippet. Det er derfor viktig å velge det rette måleprinsippet når vi skal instrumentere opp en reguleringssløyfe. Feil valgt utstyr kan ødelegge muligheten for en god regulering fullstendig. Valg av det/de riktige måleprinsippet(ene) blir behandlet i et eget instrumenteringsfag. En transitter har en prosessforsterkning som vil inngå i reguleringssløyfas totale sløyfeforsterkning. Transmitterens

forsterkning henger sammen med transmitterens oppløsning som igjen er en konsekvens av den kalibrering som blir foretatt. Når vi skal velge ut utstyr og kalibreringsområdet for utstyret er

det prosessens krav som er utslagsgivende.

Figur 48 Reguleringssløyfe med belastningsventil

Hvilken nøyaktighet krever prosessen? Innenfor hvilke grenser vil prosessen normalt ligge (arbeidsområdet, arbeidspunktet)? Hvilke begrensninger har når det gjelder å hente ut en


67/118


representativ prosessverdi (stemmer det vi leser av virkelig med den tilstanden prosessen er i?) ? La oss se på et tilfelle vi har kikket på før, nemlig nivåreguleringssløyfa i vanntanken. La oss tenke oss denne reguleringen utført med to ulike fokus. Tilfelle 1: Tanken er 5 meter høy og vi ønsker å kunne regulere nivået innenfor hele tankens høyde. Da må vi kalibrere nivåtransmitteren for et måleområde på 0-5 meter. Dette gir et måleomfang på 5 meter. Bruker vi denne kalibreringen som tilbakemelding fra prosessen vil vi ha muligheten til å velge ønskeverdien ( settpunktet) for nivået i hele tankens høyde. Vi har kalibrert nivåtransmitteren til å gi ut 0-100% målesignal ( 4-20 mA) for prosessområdet 0-5 meter. Dette gir oss følgende kalibreringskarakteristikk: Ser vi på oppløsningen til denne transmitteren ser vi at

M høyde

mA ut

4

8

12

16

20

Transmitterenskalibreringskarakteristikk

1 2 3 4 5

mAmmAm

måleomfangngsignalomfaOppløsning /3125.0

165

===

Det vil si at nivået må endre seg 0.3 124 m for at målesignalet skal endre seg 1 mA. Figur 49 Kalibreringskarakteristikk Tilfelle 2. Tanken er fremdeles 5 meter høy, men det er ikke interessant å regulere på hele tankens høyde. Vi ønsker i stedet å holde nivået mellom 2 og 4 meter. Vi ønsker så god oppløsning på målingen vår som mulig, så vi kalibrerer nivåtransmitteren til å gi 0%-signal ved 2 meter og 100% signal ved 4 meter. Da får vi følgende kalibreringskarakteristikk:

M høyde

mA ut

4

8

12

16

20

Transmitterenskalibreringskarakteristikk

1 2 3 4 5

Oppløsningen i dette tilfellet vil bli:

mAmmAm

måleomfangngsignalomfaOppløsning /125.0

162

===

det vil si at nivået må endre seg 0,124 m for at utgangssignalet fra transmitteren skal endre seg 1 mA. Ser vi på disse to kalibreringstilfellene ser vi at i det andre tilfellet så vil en endring på en meter i

nivået gi 2.625 ganger så stor signalendriong som i tilfelle 1. Det er dette vi kaller prosessforsterkning. Her er altså prosessforsterkningen i tilfelle 2 over 2,5 ganger fortsterkningen i tilfelle 1. Det er dette vi må ta hensyn til når vi skal finne de riktige instillingene på regulatoren.

Figur 50 Kalibreringskarakteristikk 2


68/118


Pådragsorganet. Pådragsorganet er den enheten i reguleringssløyfa som påvirker prosessen slik at vi kan få gjennomført forandringer. Det finnes ulike typer fysiske enheter som kan opptre som pådragsorganer. Det kan være ventiler, varmeelementer og pumper. Alle disse enhetene har sine spesielle egenskaper i reguleringssammenheng. Vi vil her ta for oss det mest anvendte pådragsorganet, nemlig reguleringsventilen.

Ulike typer reguleringsventiler. Som vist tidligere består en reguleringsventil av tre deler, selve ventilen, ventilmotoren eller aktuatoren og en eventuell posisjonsregulator. Av ventiltyper har vi følgende hovedtyper:

• Seteventiler, med videreutviklingen burventiler

Figur 51 Seteventiler

• Kuleventiler og kulekalottventiler

Figur 52 : Kuleventil

• Spjeldventiler

Figur 53 Spjeldventil med strømningsretter

Disse ventiltypene angir hvordan selve ventilen og ventilåpningen er konstruert. De ulike ventiltypene har noe forskjellig reguleringsevne, men forskjellen kommer sterkest fram i forhold til hvilke medietyper de kan betjene.


69/118


Det viktigste reguleringsteknisk er hvordan strømningen gjennom ventilen varierer med ventilåpningen og hvilke prosessbetingelser som har innvirkning på denne gjennomstrømningen. Det er her vi må se på noe ventilteori for å forstå hva prosessbetingelsen gjør med reguleringsevnen til ventilene.

Ventilens gjennomløpskapasitet. Dette er et begrep som definerer hvor stor gjennomstrømning en ventil vil få. Betegnelsen på dette er kv i det metriske målesystemet (SI) og Cv i det angloamerikanske målesystemet. Matematisk kan vi beskrive gjennomløpskapasiteten til en ventil slik:

pQkv ∆

=ρ

Hvor Q er gjennomstrømmende mengde, ρ er mediets tetthet og ∆p er trykkfallet over ventilen. Kv er definert som væskestrømmen i m3/h gjennom en ventil som er fullt åpen ved et trykkfall over ventilen på 1 bar ved en temperatur på væsken lik 15°C. Cv er gjennomstrømningen gjennom ventilen i gallon/min ved trykkfall på 1 psi over ventilen. Sammenhengen mellom Kv og Cv er slik: Kv = 0,86 Cv

Ventilens virkemåte. Reguleringsventilen fungerer som en variabel restriksjon i prosessledningen. Når vi struper ventilen ( lukker den) vil åpningen som mediet kan strømme gjennom bli mindre og vi får en reduksjon i gjennomstrømningen. Sammenhengen mellom ventilåpning og hastighetsendring illustreres av denne tegningen. Her ser vi at hastigheten i mediet er størst der hvor gjennomstrømningsarealet er minst.

Figur 54 Trykkforløp i en reguleringsventil (sete)

Dette prinsippet gjelder uavhengig av ventiltype.


70/118


Bakgrunnen for at dette skjer på denne måten er loven om at mengden av energi er konstant. Den opptrer bare i ulik form. Som vi også ser av tegningen har mediet en trykkenergi i det den kommer inn mot reguleringsventilen. I det den går gjennom ventilen omdannes noe av energien til hastighetsenergi ( i åpningsområdet) og når mediet kommer ut på baksiden av restriksjonen går hastigheten ned ( større areal for å videreføre samme mengde) og hastighetsenergien går tilbake til trykkenergi. Vi ser også at vi ikke oppnår det samme trykknivået etter reguleringsventilen og forskjellen er det som er (energi)tapet i reguleringsventilen. Kvotienten mellom inngangstrykk og utgangstrykk fra reguleringsventilen betegner ventilens recovery-effect (gjenvinningseffekt) eller ventilens valve recovery coefficient Km. Dette kan vises i følgende tegning: Her ser vi gjenvinningseffekten til en kuleventil og en seteventil. Vi ser også hvor mye mindre varig trykkfall kuleventilen gir i systemet. Dette er kunnskap vi må dra med oss inn i reguleringssløyfa. Et annet moment vi må ta hensyn til når vi dimensjonerer og velger reguleringsventil er hvor lavt det minste trykket i reguleringsventilen kommer til å bli. Faller trykket i mediet (væsken) under damptrykket i væsken vil vi få en flashing i ventilen som fullstendig ødelegger reguleringsevnen, men som i tillegg kommer til å ødelegge den på grunn av ekstrem slitasje. I figuren ser vi dette skje der hvor ∆PVC går under linjen som markerer Pv .

Figur 55 Varig trykkfall sammenliknet mellom en kule- og en seteventil.

Hver enkelt ventilleverandør leverer med beregningsunderlag som skal brukes på de ulike ventilene for å beregne størrelsen i henhold til prosesskravene. En slik formelsamling ser vi her fra Neles til bruk for beregning av deres kuleventiler.


71/118


Figur 56 Formelverk for beregning av ventilkapasitet. (Neles)

Det viktigste vi må forholde oss til når vi skal velge reguleringsventil er hvordan gjennomstrømningskarakteristikken er for ventilen. Det er dette som forteller oss hvordan ventilen vil fungere i prosessen.

Gjennomstrømningskarakteristikken/ ventilkarakteristikken. Valg av gjennomstrømningskarakteristikk for en reguleringsventil bestemmes av på hvilken plass i reguleringssystemet vi plasserer ventilen. Ser vi på de to måtene å regulere nivået på som vi har behandlet tidligere, så vil vi måtte velge ulik ventilkarakteristikk i de to tilfellene. De vanligste ventilkarakteristikkene er følgende:

Figur 57 Ulike ventilkarakteristikker.


72/118



73/118

Hvorfor er det så nødvendig med så ulike ventilkarakteristikker?

pQkv ∆

=ρSom vi så av formelen for ventilkapasiteten så er

gjennomstrømningen avhengig av trykkfallet over ventilen. Trykkfallet, eller trykkforholdene på hver side av reguleringsventilen vil variere i prosessen. Vi ønsker en så lineær p , da all reguleringsteorien egentlig bare stemmer når prosessene er lineære . Derfor må vi prøve å innføre utstyr som kan bøte på naturlige ulineæriteter i prosessen. Dette kan gjøres for eksempel med å variere på ventilkarakteristikken.

rosess som mulig

Regulering av en prosess.

Fra helhet til detalj. La oss ta for oss en prosess og se på hvordan reguleringssystemene er integrert i en prosess. Vi tar for oss et forenklet eksempel av en prosess som tar ut gass fra råolje pumpet opp fra havbunnen, en såkalt strippeprosess. Vi henter fram et prosesskjema som beskriver prosessen.

Råoljefra

produksjonslinje A

Vann

OljeOlje

Gass

TilFakkel

3. trinns separator

TilFakkel

2. trinns separator

TilFakkel

Gass

Gass

Gass

VANN

VANNOLJE

Olje

Olje

Varmemediuminn

Varmemedium ut

Olje fra produksjonslinje B

OljeOlje

Figur 58 Prosess-skjema over strippeprosess Fra dette skjemaet kan vi lese ut hva prosessen gjør med inngående prosessmedium, og hvor de ulike fraksjonene som blir resultatet av strippingen sendes. Skal vi imidlertid få noen kunnskap om hvordan dette gjøres må vi i tillegg til de informasjonene som finnes på prosess-skjemaet innføre ekstra informasjon om hvordan vi skal regulere prosessen. Dette gjør vi ved


å tegne inn reguleringskretsene på prosess-skjemaet, og da får vi et P&ID-skjema over prosessen:

Råoljefra

produksjonslinje A

Vann

OljeOlje

Gass

TilFakkel

LT

LT

PIC PIC

LIC

LIC

PT PT

3. trinns separator

TilFakkel

LT

PIC PIC

LIC

PT PT

2. trinns separator

TilFakkel

LT

PIC PIC

LIC

LIC

PT PT

TIC

TIC

TT

TT

Gass

Gass

Gass

VANN

VANNOLJE

Olje

Olje

Varmemediuminn

Varmemedium ut

LT

FT

FIC

PIC

PT

Olje fra produksjonslinje B

OljeOlje

Figur 59 P&ID-skjema over strippeprosess

Fra dette siste skjemaet kan vi finne ut hvilke prinsipper som blir brukt for gassutskilling og hvordan de ulike delene i prosessen er avhengig av hverandre. Vi kan også se hvilke målevariable som anses viktige i prosessen, og hvordan man kan påvirke prosessen. Ofte følger det også med en verbal beskrivelse som forklarer hva som skjer i prosessen. Den kunne vært omtrent som følger for denne prosessen;

Olje kommer fra produksjonslinje A ( hull A/ plattform A) og kommer ved en temperatur på xx°C og zy bars trykk inn i førstetrinnsseparatoren. Her vil på grunn av trykkfallet som oppstår den oppløste gassen i råolja koke ut og legge seg på toppen i separatoren. Vann og tyngre partikler vil på grunn av tyngdekraften synke til bunns og legge seg under råolja som vil ligge som et toppsjikt i separatoren. Gassen tappes fra separatoren tappes fra toppen av tanken og sendes over til et system for behandling av gassen. Vannet som legger seg i bunnen av tanken tappes ut slik at det ikke kommer til uttaket til olja. Fra separator 1 trykkes olja på grunn av det interne trykket i tanken ut av tanken og over til en varmeveksler. Der varmes olja opp slik at det skal være mulig å ta ut enda mer gass ved hjelp av det naturlige trykkfallet som oppstår i olja når den strømmer inn i2. trinns separatoren. Hvis det ikke produseres nok olje i separator 1 kan det hentes inn mer olje fra produksjonslinje B. I denne separatoren tas resten av det oppløste vannet ut av olja og tappes fra bunnen av tanken. Gassen som skilles ut sendes til gassbehandlingssystemet. Den olja som blir igjen i separatoren sendes så til 3.trinns separatoren hvor resten av den oppløste gassen koker ut og vi blir sittende igjen med en gass og vannfri råolje, som så sendes videre i prosessen. Den utskilte gassen sendes til gassbehandlingssystemet.


74/118


Ved siden av denne beskrivelsen ville det ha blitt oppgitt en del vesentlige data ( trykk, temperatur, mengder , nivåer og tidskonstanter) som er vesentlige for å forstå prosessen. Det som har skjedd mellom prosess-skjemaet og instrumentflytskjemaet er at reguleringsingeniøren (instrumenteringsingeniøren, automasjonsingeniøren ) sammen med prosessingeniøren og maskiningeniøren har satt seg ned og blitt enige om

• hva som skal reguleres • hvorfor det skal reguleres • hvordan det skal reguleres • hvor prosessen skal påvirkes • hvilke data som er typiske / optimale for prosessen

La oss gå tilbake til strippeprosessen og se på hva det ville vært naturlig å få fram opplysninger om rundt 1. trinns-separatoren.

• inngående oljemengde • omtrentlig fordeling av innholdet i olja ( olje, gass og vann + eventuelle andre

komponenter) • trykk og temperatur på inngående råolje • størrelse på separatoren (volum, diameter, lengde, fasong…) • dimensjon på inngående/utgående rør • trykkforhold i gassberedningssystemet • høyde på vannutskiller • oppholdstid i separatoren • trykkforhold etter separatoren • sikkerhetstrykk for separatoren • mulige forstyrrelser i prosessen • ønskede påvirkningspunkter og målepunkter

Disse punktene kunne blitt supplert alt etter en diskusjon omkring prosessen. Når prosessen er gjennomdiskutert, og de konkrete fysiske parametrene i prosessen er fastlagt er tiden kommet for å se på hvilke mål som skal stilles for reguleringen av prosessen.

Syv mål for regulering og kontroll.

1: Sikkerhet 2: Beskyttelse av miljøet 3: Beskyttelse av utstyret 4: Jevn og stabil produksjon 5: Produktkvalitet 6: Økonomisk utbytte 7: Overvåkning og diagnoser


75/118


Hvordan disse ulike målene for reguleringen skal implementeres i reguleringssystemet, og hvilken vekt de ulike målene blir tillagt vil være helt avhengig av den aktuelle prosessen. Det vil være stor forskjell på om det er en petrokjemisk prosess eller en treforedlingsprosess man skal jobbe med. I den første vil vi måtte ta mye hensyn til eksplosjonsfaren i prosessen, mens dette aspektet er omtrent fraværende i treforedlingsindustrien. Høye trykk med dertil hørende skadepotensial er også noe som er typisk for den petrokjemiske industrien, mens i trefordelingsindustrien er faren for å bli skadet av store roterende maskindeler ganske stor. Noen prosesser er designet for variabel produksjon med hyppige kvalitets/produktskift (sjokoladeindustrien), mens andre er designet for et svært smalt produktspekter (papirfabrikk). I prosessene er det også ulike elementer man ønsker å ha kontroll på. Disse kan være:

o Trykk o Nivå o Mengde (flow) o Temperatur o Analyse (væske/gassanalyse) o Partikkelinnhold o Vekt o Fuktighet

Skal vi holde kontroll på disse parameterne vil vi fort oppdage at det ofte er svært ulike handtering som må til for de ulike parameterne. Noen av prosessene er raske ( trykk) og noen kan være svært trege med lange tidskonstanter (temperaturprosesser). Dette vil ha betydning for hvordan vi skal implementere reguleringsutstyret vårt i prosessen.

Regulatoren. Regulatoren vi bruker i prosessreguleringen i dag er ganske annerledes enn de første som kom på markedet. Bildet ved siden av viser en av de første som kom på markedet. Bildet viser en regulator som ble brukt til å regulere hastigheten på roterende maskineri. Når rotasjonshastigheten øker går kulene ut på grunn av tyngdekraften og pådragsdelen på toppen senkes, og dermed mekanisk kan minske for eksempel ventilåpningen som gir vann inn til en vannturbin. Regulatoren ble også mye brukt til hastighetsregulering av dampmaskiner. Denne typen regulator har vært brukt langt opp på 1990 tallet, og er fremdeles i

bruk på utstyr som har stått montert noen tiår, og som fremdeles produserer.

Figur 60 Hastighetsregulator

Etter hvert utviklet også regulatoren seg og vi fikk pneumatiske regulatorer som baserte seg på kraftbalanseprinsippet.


76/118


Prinsipptegningen for en slik regulator finner du på figuren ved siden av. Tegningen viser en P-regulator som har samme virkemåte som den mekaniske hastighetsregulatoren. Forsterkningen (graden av påvirkning) til regulatoren endres ved å forskyve lagringspunktet for vektarmen. De pneumatiske regulatorene kom på markedet rundt 1940 og ble videreutviklet og toneangivende innen prosessregulering til opp mot 1980. På den tiden ble elektronikken mer og mer anvendt, og vi fikk parallelle systemer med elektroniske ensløyferegulatorer og regulatorfunksjoner ii prosessdatamaskiner.

Figur 62 Blokkbeskrivelse av en Yokogawa YS-170 regulator ( single loop)

mplementert

Figur 61 Prinsippskisse av pneumatisk P-regulator

Etter hvert som de elektroniske regulatorene overtok markedet ble det utviklet stadig mer kompliserte regulatorer. Yokogawa i Japan som hadde et nært samarbeid med Foxboro i USA utviklet tidlig på 1980-tallet en regulator YS-80 som var forløperen til YS-170 som det er bilde av tidligere i kompendiet. De tidlige elektroniske regulatorene etterliknet betjening og operatørgrensesnittet til de pneumatiske regulatorene slik at operatørene ikke skulle ha noe problem med å betjene dem. Funksjonene i en moderne ensløyferegulator er mange og til dels komplekse. Bildet viser hvordan en moderne ensløyferegulator er bygd opp. Som eksempel er det brukt en Yokogawa YS-100 regulator. Skissa er hentet fra manualen til regulatoren, utgitt i 1996. Som vi ser av figur 36 har denne regulatoren 5 analoge innganger, 3 analoge utganger og 6 digitalporter til rådighet for prosesskontroll. I seg selv er dette en liten datamaskin som også har mulighet til omfattende linearisering av innhentede verdier, og som har en samplingsperiode på 100 ms, med andre ord ikke lenger en analog men en diskret regulator.


77/118


Regulatoren har også kommunikasjonsmulighet mot overordnet datasystem. Enda tydeligere kan vi se hvordan regulatoren er bygd opp når vi ser hvordan blokkskjemaet ser ut i programmeringsmodus (figur 37).

Figur 63 YS-170 regulator. programmeringsoppsett

Regulatorfunksjoner.

Reguleringsproblemet. Regulering av en prosess betyr at man forsøker å holde prosessen på et arbeidspunkt som er ønsket, enten det gjelder produksjonsrate, kvalitet eller økonomisk optimal kjøring. Selve reguleringsproblemet består i at dette ikke alltid er tilfellet. Man holder ikke alltid de forutbestemte verdier (ønskeverdiene) og man får derfor et avvik, det såkalte reguleringsavviket, e. Matematisk kan vi beskrive reguleringsavviket slik:

yye r −= I denne formelen betyr:

e= reguleringsavviket yr= prosessparameterens ønskeverdi ( setpunkt) y= prosessparameterens øyeblikksverdi (erverdi)


78/118


Formålet med reguleringen er at dette avviket skal være minst mulig ( gå mot null når tiden løper), eller matematisk uttrykt: 0)(lim == ∞→ tee ts Hvor es er det statiske , stasjonære avviket og e er avviket ved tiden t. For å minske avviket må man justere pådraget til prosessen. I denne sammenheng mener vi med pådraget den parameteren som har mulighet til å endre prosessverdien. Vi kan illustrere dette på følgende måte:

Prosess

forstyrrelsev

prosessverdiy

pådragu

Figur 64 Prosessmodell

I denne prosessen ser vi for oss en viss sammenheng mellom pådrag og prosessverdi. Denne kan være lineær eller ulineær, men under forutsetning av samme pådrag inn og en konstant forstyrrelse, så får vi samme prosessverdi ut. Det som derfor vil kunne lage trøbbel her er når forstyrrelsen varierer. Pådraget kan være av en av følgende hovedtyper: Konstant pådrag og styrt pådrag. Når vi kjører prosessen i manuell, så bruker vi fast pådrag. Da stiller vi inn pådraget til en viss verdi og så vil prosessen legge seg på en bestemt prosessverdi bestemt av prosessens transferfunksjon. Denne kan vi finne ved teoretisk/matematiske eller empiriske metoder. Ved konstant pådrag så vil variasjoner i prosessen skyldes endringer i forstyrrelsen v. Kjører vi prosessen automatisk betyr det at vi regulerer prosessen og lar reguleringsutstyret gi et styrt pådrag til prosessen. Da vil reguleringsutstyret oppfatte at variasjoner i forstyrrelsen gir et variabelt avvik og kalkulere et varierende (styrt) pådrag til prosessen for å kompensere for forstyrrelsene.


79/118


Regulatoralgoritmer. Reguleringsfunksjonene til en regulator baserer seg på anvendelse av matematiske eller empiriske metoder for å handtere reguleringsproblemet. Fra de gamle mekaniske regulatorene og fram til i dag så har utviklingen vært ganske stor. I dag ligger reguleringsalgoritmene (prinsippene for å kalkulere et reguleringspådrag) innebygd i ensløyferegulatorene eller prosessdatamaskinene som matematiske funksjoner/formler. Vi skal først se på hvordan den generelle PID-regulatoren fremstilles. PID står for proporsjonal, integral og derivat og forteller om hvordan regulatoren bearbeider et mulig prosessavvik.

Figur 65 Blokkskjema over en PID-regulator.

I dette oppsettet vises det til en måte å beskrive hvordan de tre ulike komponentene ( P, I og D funksjonene ) settes sammen til en samlet aksjon (pådrag) mot prosessen. Vi skal nå se nærmere på de ulike elementene, proporsjonal, integral og derivat..


80/118


Proporsjonalregulatoren. Proporsjonalvirkning medfører at en reaksjon er proporsjonal med en virkning. Sagt med andre ord så menes det i reguleringssammenheng at dersom avviket blir av en viss størrelse så endres pådraget proporsjonalt med avviket, avviket ganges med en faktor som i prinsippet kan ligge mellom null og uendelig. I praksis så opererer man som oftest innenfor grensene 0 og 100. Grafisk kan vi vise det slik:

Figur 66 Proporsjonalrespons Som vi ser av tegningen gir vi enn et avvik til regulatoren i form av et sprang, og styreverdien endrer seg dermed ideelt proporsjonalt med dette. Den høyre skissen i figur 40 endrer seg ikke helt som et sprang. Det kan komme av at alle fysiske enheter har en tidskonstant og de fysiske forholdene i prosessen gjør at reaksjonen ikke er helt lineær. Det vil kunne vise seg ved at reaksjonskurven ser ut som dette. Denne reaksjonen på en pådragsendring kalles for prosessens sprangrespons og er som et fingeravtrykk for prosessen. Det er dynamikken i denne sprangresponsen vi benytter når vi skal optimalisere ( stille inn regulatoren slik at den jobber best mulig) regulatoren i prosessen. Matematisk vil proporsjonalvirkningen til regulatoren kunne beskrives slik:

)()( 0 teKutu +=Figur 67 P-regulatorens algoritme

hvor u(t)= pådragets nye størrelse, u0 = pådraget før avviket inntraff (kalles ofte også off-set verdien), e(t) = avvikets størrelse og K = regulatorens forsterkning.

smussen. Høgskolen i Vestfold avd. RI-2005

Figur 68 P-regulatorens sprangrespons

81/118Utarbeidet av : Roy Ra


Forsterkningen til regulatoren betegnes ofte for Fp eller proporsjonalforsterkningen. I praksis brukes også betegnelsen proporsjonalbåndet på regulatorens forsterkning. Sammenhengen mellom forsterkningen og proporsjonalbåndet er slik:

detPr100

bånoporsjonalFp =

Det vil si at dersom proporsjonalbåndet halveres dobles forsterkningen. Proporsjonalbåndet kan synliggjøres slik (figur 43): Et forøk på forklaring: Dersom man trenger et avvik e på 100% av inngangssignalet (målesignalet ) til regulatoren for å få til en endring på 100% av utgangen (pådraget) så er proporsjonalbåndet 100%. Dersom proporsjonalbåndet er 50% vil man bare måtte ha et avvik på halvparten av måleomfanget for å få styrt ut pådraget 100%. Figur 69 Proporsjonalbånd Problemer med P-regulatorer. Figur 38 viser hvordan sammenhengen mellom pådrag og prosess er. Når man konstruerer prosessen velger man ut komponentene slik at man, ved et visst pådrag (U0) og forstyrrelsene på et forventet nivå, holder det valgte arbeidspunktet på prosessverdien (designverdien).

Figuren viser en prosess hvor kapasitetene er lagt inn ved et arbeidspunkt. La oss tenke oss at ved dette arbeidspunktet er utgangen fra regulatoren på 50 % av maksimalverdien. ( 12 mA for en 4-20 mA regulator). Med designverdien 70l/h inn i tanken og en lekkasje på antatt 10 l/h så må uttaket gjennom reguleringsventilen være 60 l/h for at det skal være balanse i prosessen (nivået holdes på et konstant nivå). Settpunktet for prosessen er lik måleverdien i dette arbeidspunktet (designverdien for prosessen). U0 for dette tilfellet er da 12 mA eller 50 %. I det et avvik oppstår blir et nytt pådrag kalkulert ut ifra

verdiene i formelen, og justert til den nye verdien.

LTLC

SP

10 L/h

70 L/h

LTLC

SP

Flowinn

Flow utforstyrrelse

60 L/h

Figur 70 Prosess i balanse 1


82/118


La oss så ta for oss den samme prosessen, men nå har vi plutselig fått en dobbelt så stor forstyrrelse som i det første tilfellet.

LTLC

SP

20 L/h

70 L/h

LTLC

SP

Flowinn

Flow utforstyrrelse

50 L/h

For at det fremdeles skal være balanse i prosessen må reguleringsventilen redusere mengden ut av tanken til 50 l/h. Skriver vi likningen for p-regulatorens funksjon ser den slik ut:

Figur 71 Prosess i balanse 2

Kutute 0)()( −

=

Ser vi på denne formelen og tenker oss hvordan vi skal få et avvik lik null med en p-regulator, ser vi at da må u(t) = u0 ; det vil si det skjer bare i det punktet ( arbeidspunktet/designpunktet) hvor utstyret er tilpasset hverandre. I det første tilfellet over er utgangsverdien lik designverdien og vi har balanse i systemet. I tilfelle 2 er det en ubalanse i og med at u(t) er mindre enn u0. Vi må derfor ha et avvik som ikke er lik null for at likningen skal være oppfylt. Dette avviket kaller vi for p-regulatorens statiske avvik, eller proporsjonalavviket. Som vi ser vil det alltid være tilstede dersom vi ikke ligger på designverdien, og størrelsen vil også avhenge av regulatorens forsterkning K. Jo større forsterkning vi har i regulatoren, jo mindre blir det statiske avviket, men jo større sjanse har vi til å få en ustabil regulator. Dette kan illustreres ved følgende skisse:

Ingenregulering

(K =0)

P-avvik

set-point

økende K

Kont

rolle

rt va

rabe

l

tid

Figur 72 Proporsjonalavvik

mot regulatorforsterkning.

Legg merke til at dersom K=0 så er avviket uendelig.


83/118


Proporsjonal-integralregulatoren. Som vi så i forrige avsnitt vil man kunne regulere med en proporsjonalregulator, men man vil aldri kunne ligge på setpunkt dersom ikke betingelsene i prosessen er like med designbetingelsene. For å bøte på dette problemet har man tatt fra pi-regulatoren. Funksjonene til denne kan vi beskrive slik:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= ∫

t

I

tteteKutu0

0 d)(1)()(τ

Figur 73 PI-algoritme

Her kjenner vi igjen p-regulatorens funksjon som de første to leddene i formelen. Det siste leddet integralledet er det som nå skal forbedre regulatorens funksjon ved å ta bort proporsjonalavviket til regulatoren. I formelen så er det dukket opp et nytt element :τI som er integraltiden som stilles inn på regulatoren, noen kaller det TI. Vi så tidligere på en grafisk framstilling av p-regulatoren, og nå skal vi se på en tilsvarende skisse av en pi-regulator.

Betrakter vi denne skissen opp mot formelen for en pi-regulator ser vi følgende: I det avviket oppstår trer p-funksjonen inn med et sprang som er lik avvikets størrelse ganger med regulatorens forsterkning. Hadde vi hatt bare en p-regulator ville regulatorutgangen (pådraget) blitt liggende her. Tenker vi oss så at avviket ikke endrer seg, men blir værende konstant vil pådragsendringen skje som vist på tegningen. Integrere betyr å samle opp og legge sammen alle de avvikene vi har hvis vi leser av avvikene med visse tidsmellomrom fra tiden null og utover mot

uendelig. Leser vi videre integralleddet i formelen for pi-regulatoren kan vi se følgende:

Figur 74 PI-regulatorens sprangrespons

Når integralleddets bidrag til pådraget er blitt likt med proporsjonalleddets bidrag, så er tiden τI -integraltiden gått. Dette ser vi også illustrert på skissen i figur 48.


84/118


Ser vi på denne regulatoren vil altså pådraget endre seg helt til avviket er lik null og på den måten vil vi få fjernet proporsjonalavviket til p-leddet til regulatoren. Problemer med I-regulering. Som for p-regulering finnes det også et problem med i-regulering som vi må være oppmerksomme på. Hvis prosessen klarer å ta seg inn og bli liggende på settpunkt, med et gjennomsnittlig avvik på 0% er det ikke noe problem. Blir imidlertid prosessen liggende med et avvik over tid vil integralfunksjonen integrere opp dette avviket og gi ut kommando o endring av pådraget fra regulatoren. Etter en stund vil regulatorens yttergrense for endring av pådraget nås, slik at det ikke er mulig å endre pådraget mer. Integralfunksjonen vil imidlertid ikke stoppe og gå mot uendelig. Regulatoren vil da tro at ventilen f. eks. er 1000% åpen, mens den i virkeligheten er 100%. Endrer så avviket seg vil denne uendelige pådragsverdien være utgangspunktet for justering av pådragsverdien. Hvis vi ikke gjør noe vil det ta svært lang tid før regulatoren igjen er innenfor det området hvor pådraget fysisk vil kunne bli endret. For å omgå dette problemet bygges det inn en funksjon som kalles anti-reset-windup i regulatorene. Den praktiske konsekvensen av denne funksjonen er at dersom avviket fremdeles er tilstede når yttergrensene for pådragssignalet er nådd så stoppes integreringen slik at når avviket snur så begynner endringen av pådraget fra signalets fysiske yttergrense.

Proporsjonal-integral og derivatregulatoren. Selv om vi med pi-regulatoren har fått et enda kraftigere verktøy for å kunne regulere prosessen, er ofte denne regulatortypen ikke god nok eller hensiktsmessig nok for jobben. Om dette er tilfelle eller ikke avhenger helt og holdent av prosessen. For prosesser som har lange tidskonstanter vil ikke pi-regulatoren være god nok. Dette gjelder f. eks. i temperaturreguleringsprosesser. Figur 49 viser en slik prosess. Her har vi en stor masse som skal kjøles ned ved å regulere kjølevann inn i kappa til reaktoren. En slik prosess vil ha en stor termisk masse som skal endres. Hvis temperaturen skulle overskride settpunktet vil det måtte medgå mye kjølevann for å få temperaturen ned igjen, foruten at det ville ta lang tid. Vi ville derfor kunne få en prosess som svingte rundt settpunktet med større avvik enn det prosessen tillater. Hvis vi kunne se på hvordan avviket endret seg, ikke bare på dets størrelse og tiden siden det inntraff, så ville vi kunne forutsi om temperaturen ville overskride settpunktet eller ikke.

Feed in

Products out

Coolingwater in

Coolingwater out

TC

TT

Figur 75 Temperaturprosess

Det er her PID-regulatoren, eller rettere sagt derivatfunksjonen til denne regulatoren kommer inn i bildet. Derivasjon vil si at vi finner stigningstallet endringen av verdien. Prosessmessig vil det si at dersom prosessen endrer seg langsomt har vi god tid på oss til å nå settpunktet. Endrer prosessverdien seg derimot raskt i en slik prosess som beskrevet her, vil vi etter all


85/118


sannsynlighet få et voldsomt oversving på prosessverdien hvis vi venter til p-funksjonen skal gjøre noe med det. Dett kan vi motvirke med d-funksjonen. La oss se på hvordan algoritmen til pid-regulatoren ser ut:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++= ∫ t

tetteteKutu D

t

I d)(dd)(1)()(

00 τ

τ

Figur 76 PID-algoritme

Her er det kommet et nytt ledd og en ny variabel τD som er det man kaller derivattiden. Noen betegner den også som TD. La oss like godt se på en skisse som viser sprangresponsen til en pid-regulator:

Figur 77 PID-regulatorens sprangrespons

Her ser vi at det nye leddet har gitt sin virkning helt i starten, når avviket som oppstod når spranget ble introdusert. Av formelen ser vi at d-virkningens størrelse er en funksjon av hvor raskt avviket ( spranget) stiger. Er det et ideelt sprang vil denne verdien bli uendelig ( eller i praksis maksimalverdien til pådraget). Hvor lang tid det tar før d-virkningen er borte ( at pådraget har kommet ned til proporsjonalpådragets verdi, det er det man kaller derivattiden. Det vil si; Kort derivattid= kortvarig derivatvirkning og motsatt for lang derivattid.

På denne måten vil regulatoren ved en endring av den dynamiske responsen til prosessen gi et korrigerende bidrag til pådraget før det er kommet for langt og dermed bidra til en bedre regulering av prosessen. Problemer med d-regulering. D-regulering kan som vi har sett hjelpe oss til få til en bedre regulering der hvor prosessene er langsomme ( har lang tidskonstant). Har vi imidlertid prosesser som endrer seg raskt, for eksempel trykkreguleringer vil det bli bort i mot katastrofe å implementere en d-funksjon i regulatoren. De raske prosessendringene vil gjøre at d-funksjonen vil jobbe på høygir hele tida, og utgangen fra regulatoren vil gå fra 0 til 100% og tilbake igjen hele tida og overstyre pi-funksjonene fullstendig. Et annet problem som kan gjøre at vi må unngå p-regulering er dersom vi har mye høyfrekvent signalstøy på målesignalet vårt. Denne støyen vil kunne oppfattes som raske signalendringer og d-funksjonen vil trå til for fullt, med dertil hørende dårlig regulering.


86/118


Hvilke krav må vi stille til regulatorens funksjon? Regulatorens oppgave er å sørge for å holde den regulerte variable på settpunkt. Dette gjøres som vi har sett ved å justere pådraget etter avvikets retning og størrelse, ved å justere regulatorens parametre, P I og D. Hva kan man sette opp som mål for om reguleringen er vellykket eller ikke? Innenfor reguleringsteknikken er det ofte disse parametrene som beskrives som kvalitetsegenskaper for en reguleringskrets.

• Robusthet • Stabilitet ( ustabil/stabil) • Dempning - innsvingningstid/ innsvingningsforhold • ytelsesindeks

Robusthet. Med robustheten til et reguleringssystem mener vi den evnen den regulerte prosessen har til å handtere dynamiske variasjoner uten at egenskapene ( for eksempel stabiliteten) blir svekket. Vanligvis snakker man bare om robusthet i systemer som endrer sine dynamiske egenskaper, for eksempel har variable dødtider eller tidskonstanter.

Stabilitet. Med stabilitet mener vi reguleringssløyfas evne til å unngå svingninger når det oppstår avvik i prosessen. Stabilitetsegenskapene blir uttrykt ved systemets impulsrespons. Ved tiden 0 opptrer impulsen δ(t). Grafisk vil det kunne illustreres slik:

System(prosess +regulator)

Impuls, δ(t)

0t

U(t) = δ(t) Y(t) = h(t)

Pådrag ImpulsresponsFigur 78 Impulsrespons

Hvis vi gir en impuls δ(t) ved tiden t=0 vil systemet gi responsen Y(t) = h(t).


87/118


Avhengig av systemets stabilitet vil impulsresponsen se slik ut:

Figur 79 Stabilt system (marginalt stabilt)

Figur 81 Stabilt system (asymptotisk stabilt)

Figur 80 Ustabilt system

En asymptotisk stabil respons er det vi søker etter, og det vi ikke ønsker er et ustabilt system. Et marginalt stabilt system vil kunne fungere, men vil ha liten mulighet til å motstå endringer i systemet før det blir ustabilt. Matematisk kam vi beskrive de ulike systemtypene slik:

Asymptotisk stabilt system. I et slikt system vil den stasjonære impulsresponsen være lik 0

0)(lim =∞→

tht

Marginalt stabilt system. I et slikt system vil den stasjonære impulsresponsen ikke være lik 0, men en oscillasjon med begrenset svingeamplitude.

⟨∞⟨∞→

)(lim0 tht

Denne responstypen er ikke ønskelig, men enkelte prosesser kan godta en slik respons. Skal man få til en bedre regulering vil det kanskje medføre at man må legge til mye ekstra utstyr i prosessen og dermed gjøre det hele mye dyrere, uten at det egentlig vil ha noen stor betydning. Det som imidlertid kan ha stor betydning er den merslitasjen et slik stadig endret pådrag utsetter prosessutstyret for. Det i seg selv kan tale for at vi ikke vil ha en slik prosessrespons. Frekvensen på svingningene vil her selvsagt ha stor betydning.

Ustabilt system. En typisk indikasjon på et ustabilt system er at svingningene får en stadig økende amplitude, og vil etter en tid pendle mellom maksimal og minimalverdiene i prosessen.

∞=∞→

)(lim tht

Et ustabilt system får vi ofte dersom forsterkningen i regulatoren settes for høyt.


88/118


rukt begrepet

ndre begrep vi bruker i denne sammenhengen er oversving, (overshoot) dempningsfaktor/forhold ( decay ratio) og innstillingstid (settling time).

til prosessen er definert som den tiden det tar før prosessen har svinget seg inn til et avvik som er lik settpunktet +/- 5%.

or å beskrive ytelsen til en regulator kan man bruke det som kalles ” integralbasert

enne beskrives som ytelsesindeks ( performance index) og er et egnet tidsintegral av

t av de mest brukte er det som benevnes IAE-integralet, eller på engelsk Integral of Absolute rror).

Dempning. Ved betraktning av den asymptotisk stabile prosessresponsen blir det ofte bdempning eller dempningsforhold. Begrepet knytter seg til hvordan svingningene opptrer i sprangresponsen. A

0 5 10 15 20 25 300.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

tst

Dette kan illustreres slik: Innsvingningstiden

( Se ts i figur over)

Ytelsesfaktor. Fytelsesmål ” ( Haugen side 171). Dreguleringsavviket e. EE

ptr

0.95

1.05

P

c

b

a

Nor

mal

iser

t pro

sess

varia

bel

tidsenheter

tr = stigetid (rise time)

ts = instillingstid ( settling time)

tp = tid til første oversving( time to first peak)

a/b = oversving ( overshoot)

c/a = dempningsforholdet ( decay ratio)

P= svingetid ( perio

En ”god” verdi pådempningsforholdet er ¼

( kvart amplitude dempning

d of oscillation)

Figur 82 Dempningsforholdet til en innsvingning

dteIAE ∫∞

=0


89/118


Jo mindre IAE-verdien er jo bedre fungerer reguleringen, jo bedre ytelse har regulatoren. IAE-verdien blir endelig bare dersom avviket e går mot null, og forutsetter dermed i praksis at

tabilitet.

r prosessforsterkningen.

den har en integralvirkning. Rene p-regulatorer eller pd-regulatorer vil derfor ikke kunne gi et slikt endelig integral.

Prosessforsterkning. Vi har til nå snakket om regulatorforsterkningen når vi har sett på reguleringssløyfas s Det vi egentlig snakker om er sløyfas totale forsterkning. Denne forsterkningen er en kombinasjon av regulatorforsterkningen og prosessforsterkningen. Vi skal bare raskt se på hvilke elementer som har betydning foLa oss da se på hvilke elementer som inngår i en reguleringssløyfe.

Figur 83 IAE-integralet

set-point

De

tid

Regulatorens parametre(K=forsterkning, TI=integraltidaog Td = derivattida ) stilles inn

slik at IAE blir lavest mulig

Den optimaleregulatorinnstillinga vil bli

forskjellig om det er snakk omundertrykkelse av forstyrrelser

eller om det er snakk omsettpunktsendringer.

IAE beskrives av arealet tildet skraverte ( blå) området

n ko

ntro

llert

eva

riabl

e

Figur 84 Fem viktige ledd i en reguleringssløyfe


90/118


Vi skal her ikke ta for oss hvordan designen av de prosess-/kjemitekniske komponentene i prosessen påvirker prosessforsterkningen, men se på hvordan de reguleringstekniske komponentene påvirker denne. Da må vi først bestemme oss for hvilke komponenter dette handler om. Ser vi på figuren over ser vi at følgende komponenter inngår i dette:

o målelement o transmitter o regulator o pådragselement

Målelementet Er det leddet i reguleringssløyfa som plukker opp den prosessvariable og gjør prosessverdien om til et målesignal vi kan benytte av oss videre. Følsomheten til måleelementet er her avgjørende for dette elementets prosessforsterkning. ( med følsomhet menes forholdet mellom størrelsen av en endring av inngangssignalet og den tilsvarende størrelse på endringen av utgangssignalet) Transmitteren Er det leddet som sitter som etter målelementet i reguleringssløyfa. Dette er egentlig bare en signalforsterker som ofte har muligheten til signalbehandlings som linearisering og lignende. Utgangssignalet fra en transmitter er et standardisert instrumentsignal, som i dag som oftest er 4-20 mA. Standard utgangssignal fordi det da er lett å innpasse målingen i et reguleringssystem som bruker dette signalomfanget som informasjonsutveksling. Veldig ofte er målelementet og transmitteren bygd sammen i en fysisk enhet, og da kalles dette for en transmitter. Som for målelementet vil transmitterens følsomhet være avgjørende for dens prosessforsterkning. Høy følsomhet gir høy prosessforsterkning, meller sagt på en annen måte: lite kalibrert måleområde gir høy prosessforsterkning, mens stort måleområde betyr lav prosessforsterkning. En endring av transmitterens kalibrering vil derfor påvirke stabilitetsegenskapene til reguleringssløyfa. Pådragselementet Er det leddet som til slutt sitter og påvirker prosessen. Det kan være en reguleringsventil, en turtallsregulert pumpe eller et styrt varmelement. Selve pådragselementet består som oftest av to deler. Den ene delen er aktuatoren eller ventilmotoren som den også kalles. Dette kan være en pneumatisk eller hydraulisk betjent motor ( lineær eller roterende) eller en elektrisk lineærmotor til ventilstilling eller en elektromotor for betjening av en pumpe. Her vil det være flere faktorer som har innvirkning på stabiliteten i reguleringssløyfa.


91/118


La oss først ta for oss reguleringsventilen og bare liste opp noen av de punktene som vil ha betydning:

• aktuatortype • aktuatorens størrelse (volum, mekanisk stivhet) • aktuatorens/ventilens vandringstid fra helt lukket til helt åpen • ventilens tørrelse • ventiltype • ventilens karakteristikk • innbygningsforhold

For regulerte drifter vil følgende ha betydning:

• motorens størrelse • motortype (respons, regulerbarhet) • type av pådragselement (pumpe ( pumpetype), vifte, roterende sylinder…) • pådragselementets størrelse og masse • pådragselementets karakteristikk

Foruten disse punktene som vil ha innvirkning på prosessforsterkningen vil slitasje og dermed en endring av prosessegenskapene til elementene ha en langsiktig virkning på prosessforsterkningen, den vil kunne endre seg over tid, og dermed stadfeste behovet for å ha en robust reguleringssløyfe ved oppstart. En endring av karakteristikk på ventiler eller pumpe/vifte underveis ved overhaling av prosessutstyret vil selvsagt også derfor ha stor betydning.


92/118


Innstilling av regulatorer. Vi har til nå sett på prosessen og hva som kan ha betydning for regulering av prosessen. Nå er det på tide å gå nærmere inn på hvordan vi kan stille inn parametrene i regulatoren slik at vi kan få reguleringssløyfa til å opptre optimalt. Det er mye matematisk teori innen reguleringsteknikken, og mye av den er relativt vanskelig. Denne matematikken skal vi se på i en annen del av kurset. Det vi skal forsøke i denne delen er å gi noen verktøy som vi kan bruke til å optimalisere reguleringssløyfa uten å bruke alt for mye matematikk. Vi skal anvende metoder som gjennom praktisk handtering av reguleringssløyfa skal finne fram til parametre som skal hjelpe oss til å optimalisere sløyfa.

Betingelser for bruk av verktøyet. Det finnes alltid betingelser som hefter ved enhver teori. Reguleringsteoriene er ikke noe unntak. For å kunne anvende mange av de mest brukte teoriene innen reguleringsteknikken forutsetter vi at prosessen er lineær. Det er mange prosesser som er lineære, men det finnes også svært mange som ikke er det. Nivåregulering av en tank kan være både lineær og ikke lineær. La oss først tenke oss at vi regulerer tanken ved hjelp av et fyllerør med reguleringsventil, og dette røret kommer inn på toppen av tanken. Da vil vi, som vi så vidt har sett på omkring reguleringsventiler, ha en prosess hvor betingelsen for påfylling i tanken er lineær, dvs det er ikke noen variasjon av trykkfallet over reguleringsventilen som lager problemer. Flytter vi imidlertid påfyllingsrøret til bunnen av tanken slik at det vil bli et variabelt mottrykk over reguleringsventilen avhengig av nivået i tanken, vil vi få en helt annen og ulineær situasjon. Slik vil vi kunne gå inn og analysere prosessene våre og finne at det er svært mange ulineære situasjoner reguleringsteknikken må kunne handtere. Ulineære likningssett og betraktninger er vanskelig. Det er mye lettere å forholde seg til lineære systemer. Hvordan løser vi da dette problemet? Jo, vi lineariserer. Vi lineariserer ved å si at innenfor et lite arbeidsområde rundt et arbeidspunkt antar vi at prosessen er lineær, og behandler dette arbeidspunktet med lineær teori. Det vil med andre ord si at dersom vi endrer arbeidspunkt i prosessen vil vi måtte gå inn og gjøre hele arbeidet med optimalisering på nytt, fordi det arbeidet vi gjorde før ikke lenger er gyldig. Betingelsen for å bruke de verktøyene som kommer er altså at vi kan betrakte prosessen/reguleringssløyfa som lineær i det arbeidspunktet vi optimaliserer.


93/118


Ziegler-Nichols metoder. Ziegler og Nichols var to herremenn som levde i USA midt i forrige århundre (rundt 1940-1950). I 1942 publiserte de en forskningsartikkel hvor de beskrev to metoder for innstilling av regulatorparametere i P, PI og PID-regulatorer. De to metodene kalles Ziegler-Nichols’ lukket sløyfemetode og Ziegler-Nichols’ åpen sløyfemetode. Metodene er empiriske, det vil si at de er kommet fra praktiske eksperimenter på reguleringssløyfa. Bearbeiding av dataene fra en mengde slike eksperimenter førte til at de to herrene Ziegler og Nichols kunne vise at det var mulig å utlede en generell teori som senere viste seg å kunne anvendes på de fleste prosesser. Vi skal nå se på de to metodene.

Ziegler-Nichols lukkede sløyfemetode. For å kunne anvende denne metoden må vi ha reguleringssløyfa koplet opp med både pådrag og tilbakemelding fra prosessen aktive. Regulatoren vi skal bruke må ha muligheten til å bli satt i manuell slik at vi kan styre prosessen for hånd. Metoden er som følger:

• Sørg for at prosessen er i eller så nært det nominelle (design) arbeidspunktet som mulig. Dette gjøres ved å styre prosessen (regulatoren) manuelt. Prosessen må få anledning til å roe seg ned på arbeidspunktet, det vil si at prosessen må være stabil og alle transienter utdødd.

• Sett regulatoren til ren P-regulator. Det vil si at vi setter I og D funksjonen ut av spill. Det gjøres ved o sette TI som er integraltiden til uendelig. (TI=∞ ) og derivattiden til null ( TD=0). Vi får i praksis ikke satt integraltiden til uendelig, så derfor må vi stille inn maksimalverdien på regulatoren. Velg forsterkningen K så liten at prosessen uten tvil må være stabil. ( Det kan være greit som utgangspunkt å ha K=1, det vil fungere i svært mange tilfelle).

• Det neste som skal gjøres er å innføre et avvik, et sprang i sløyfa. Dette spranget kan legges inn hvor som helst i sløyfa, men ofte er det praktisk å gjøre det på settpunktet. Det vil si at vi endrer settpunktverdien som et sprang (eller så nær et sprang som mulig). Spranget må være lite, et sted mellom 5 og 10 % endring er passe. Årsaken til at spranget må være lite er at vi må holde oss så nær arbeidspunktet som mulig for at teoriene skal være gyldige. Spranget må imidlertid ikke lages så lite at vi ikke kan observere responsen til prosessen. Blir responsen for liten kan for eksempel målestøy hindre at vi klarer å identifisere responsen.

• Det neste vi gjør er å observere responsen. Blir det en stabil eller ustabil respons- eller blir det en marginalt stabil respons. Avhengig av responsen skal vi gå alternative veier videre:

o Viser responsen at vi har et stabilt system gjentar vi det hele en gang til men denne gangen med en økt forsterkning på regulatoren. Et praktisk grep er å


94/118


doble forsterkningen for hver gang vi gjentar eksperimentet. Slik gjentar vi det hele inntil vi har stående svingninger i responsen (marginalt stabilt system)

o Viser responsen at vi har et marginalt stabilt system har vi kommet til mål i første runde.

o Viser responsen at vi har fått et ustabilt system (svingningene i systemet øker amplituden for hver ny svingning) har vi for stor regulatorforsterkning. Da må vi gjenta eksperimentet med en lavere forsterkning inntil vi oppnår marginalt stabile svingninger (svingninger som har konstant amplitude over lang tid)

• Når vi har oppnådd den asymptotisk stabile svingningen har vi et system som er på grensen av ustabilitet, og det er dette punktet vi har søkt etter. Vi noterer den forsterkningen regulatoren har i dette punktet, og kaller den Kpk= kritisk forsterkning. Samtidig noterer vi svingetiden til den asymptotiske svingningen. Denne verdien kaller vi Tpk= den kritiske svingetiden(svingeperioden)

Da har vi funnet de parameterne som er nødvendige for å gå videre for å bestemme de optimale regulatorparameterne. Det vi har gjort er å avlure prosessen noen vesentlige parametre som vi må forholde oss til. Som sagt tidligere er denne metoden basert på empiriske data, og på bakgrunn av Ziegler-Nichols’ forsøk kom de fram til at ved å bruke kritisk forsterkning og kritisk svingetid i et formelverk.

Tabell 2 Tabell for parametersetting etter Ziegler-Nichols lukket sløyfemetode

Kp Ti TdP-regulator 0,5Kpk ∞ 0 PI-regulator 0,45 Kpk Tpk/1,2= 0,85 Tpk 0 PID-regulator 0,6 Kpk Tpk/2=0,5 Tpk Tpk/8 =Ti/4= 0,12 Tpk

For å stille inn regulatoren med optimale parametre gjøres følgende: • velg type regulator ( P, PI eller PID) • Hent fram de verdiene dere fant på kritisk forsterkning og kritisk svingetid • Sett verdiene inn i formlene for valgt regulatortype over og finn P, I og D-parametrene

som skal stilles inn på regulatoren • Sett verdiene inn i regulatoren (husk at noen regulatorer bruke proporsjonalbånd i

stedet for forsterkning) • Test verdiene ved å kjøre sløyfa med de nye regulatorparametrene.

Noen ganger kan disse parametrene vise seg å ikke være optimale nok. Svinger prosessen så forsøk å minske forsterkningen i første omgang.

Figur 85 Figur som viser svingebildet ved kritisk svinging . Kritisk svingeperiode avmerket.(ultimate period)


95/118


For å vise hvordan innsvingsforløpene blir ved ulike arbeidspunkt og samme regulatorinnstilling, kan vi se på den følgende figuren:

På figuren viser hvit linje prosessverdien og grønn linje pådraget fra regulatoren (ventilåpningen). Gul linje er settpunktsverdien som vi ser blir etre ganger.

ndret

Vi ser at regulatoren er stabil ved første settpunktsendring,

den klarer også å ta seg inn etter den andre, men med relativt store oversving, mens den etter tredje endring har blitt nær ustabil. Svingningene ser vi er marginale stabile, dvs det er like før

e blir ustabile.

Figur 86 Innsvingningsforløp ved ulike arbeidspunkt

d Dette viser at de regulatorinnstillingene vi finner ved de ulike metodene kun gjelder for det arbeidspunktet vi finner dem ved, og som igjen forteller at prosesser som har stor variasjon i arbeidsbredde vil være vanskelige å finne optimale parametre som gjelder over hele rbeidsområdet. a

Ziegler-Nichols åpne sløyfemetode. Det er ikke alltid vi kan benytte oss av den lukkede sløyfemetoden.Årsakene kan være flere. Et utgangspunkt er prosessens sårbarhet.

Noen prosesser kan vi faktisk ikke ”leke med” slik at vi kan benytte metoden. Kvalitetskrav og sikkerhetskrav ( fare for mennesker og utstyr) kan være slik at vi ikke får lov til og sette prosessen i svingninger. En annen er prosessens stabilitet og karakteristikk. Noen prosesser er så stabile at det er vanskelig å få satt dem i svingninger. Det kan ha med prosessens treghet å gjøre, og hvis prosessen er integrerende, så får vi rett og slett ikke satt den i svingninger. Ziegler og Nichols utviklet derfor også en annen metode, den åpne sløyfemetoden. Denne metoden går ut på å avlure prosessens dens egenskaper på en annen måte. Åpen sløyfe, betyr at vi ikke har noe tilbakekoblet signal til en reguleringssløyfe. I praksis vil det si at vi har satt sløyfa i manuell. Det reguleringsteknikken går ut på er jo å styre responsen til en prosess dit hvor vi ønsker den skal være. Som vi så i den lukkede sløyfemetoden innførte vi et avvik som et sprang i prosessen og så på hvordan reguleringssløyfa klarte å hente inn dette avviket.


96/118


I I

Figur 87 Sprangrespon n s bestemt endring av tilførts bestemt endring av tilført

den åpne sløyfa innfører vi også et sprang, denne gang på pådraget. Deretter ser vi på i opptar prosessens sprangrespons. Defor

nDen tenkte prosessen er nivået i en tank so

i spranget ( i dette tilfellet av jennomstrømningen i prosessen) endret som et

del av

) ået

t til nivået stabiliserer seg på et nytt punkt (h’). Vi har altså

mengde.

i har funnet prosessen sprangrespons i det arbeidspunktet vi var ved endringens inntreden. t ifra denne rosessens forsterkning blir:

ant blir definert som den tiden det tar fra prosessen begynner å endre eg til den har nådd 63,2% av total endring. Se tidskonstanten tt i figuren.

de

ødtid. Dødtiden til prosessen er den tiden

les e 106).

tegnes på rosessresponskurven. Dødtiden d er tiden fra

tteste ngenten krysser tidslinja.

Stigningstallet til tangenten blir da:

den åpne sløyfa innfører vi også et sprang, denne gang på pådraget. Deretter ser vi på i opptar prosessens sprangrespons. Defor

Tegningen under viser en slik sprangresponDen tenkte prosessen er nivået i en tank so

i spranget ( i dette tilfellet av jennomstrømningen i prosessen) endret som et

del av

) ået

t til nivået stabiliserer seg på et nytt punkt (h’). Vi har altså

mengde.

i har funnet prosessen sprangrespons i det arbeidspunktet vi var ved endringens inntreden. t ifra denne kurven kan vi finne en del egenskaper ved prosessen. rosessens forsterkning blir:

ant blir definert som den tiden det tar fra prosessen begynner å endre eg til den har nådd 63,2% av total endring. Se tidskonstanten tt i figuren.

de

ødtid. Dødtiden til prosessen er den tiden det tar fra pådragsendringen til endringen i

les e 106).

tegnes på rosessresponskurven. Dødtiden d er tiden fra

tteste ngenten krysser tidslinja.

Stigningstallet til tangenten blir da:

hvordan prosessen reagerer på dette spranget, vhvordan prosessen reagerer på dette spranget, vkalles også denne metoden for sprangresponsmetoden. kalles også denne metoden for sprangresponsmetoden. Tegningen under viser en slik sprangrespo s.

m funksjon av tilført mengde. Her ser v

s. m funksjon av tilført mengde. Her ser vggsprang ved tiden t=0. Dette ser vi i den øvrefiguren. sprang ved tiden t=0. Dette ser vi i den øvrefiguren. I den nedre delen ser vi hvordan prosessen reagerer på sprangendringen. Vi ser at ( i dette tilfellet nivået i mottakende tankreagerer på økt mengde inn til tanken ved at nivbegynner og stige. Deretter stiger de

I den nedre delen ser vi hvordan prosessen reagerer på sprangendringen. Vi ser at ( i dette tilfellet nivået i mottakende tankreagerer på økt mengde inn til tanken ved at nivbegynner og stige. Deretter stiger de

fått en nivåendring i tanken på bakgrunn av en fått en nivåendring i tanken på bakgrunn av en

VVUU kurven kan vi finne en del egenskaper ved prosessen. PP

ringpådragsend% Prosessens tidskonst Prosessens tidskonst

ringprosessendFerkningenosessforst %)(Pr =

ss Disse to verdiene vi her har funnet beskriver to karakteristiske trekk ved prosessen, og kan vi bruke videre.

Disse to verdiene vi her har funnet beskriver to karakteristiske trekk ved prosessen, og kan vi bruke videre. Den prosessen vi har sett på til nå var bort i mot ideell. Den hadde blant annet ikke noe Den prosessen vi har sett på til nå var bort i mot ideell. Den hadde blant annet ikke noe dd det tar fra pådragsendringen til endringen i responsen viser seg. Dette kan illustreres ved den følgende skissen:

responsen viser seg. Dette kan illustreres ved den følgende skissen:

Figur 88 Ziegler-Nichols sprangrespons

Her representerer d dødtiden, og K sprangresponsens størrelse. Dødtiden d kalogså for ekvivalent dødtid ( Haugen sidTiden T er her en beregnet størrelse som brukes til å regne ut stigningstallet til den bratteste tangenten som kan

Her representerer d dødtiden, og K sprangresponsens størrelse. Dødtiden d kalogså for ekvivalent dødtid ( Haugen sidTiden T er her en beregnet størrelse som brukes til å regne ut stigningstallet til den bratteste tangenten som kanpppådragsendring ( tiden=0) til den brapådragsendring ( tiden=0) til den bratata


97/118


TRalletStigningst =)(

U betegner pådragsendringens størrelse. ( Både pådragsendringen og prosessverdienduttrykkes i %) og

K

ringen tidene d og T i sekunder ( eller minutter).

hols kom fram til for åpne sløyfer til å timale regulatorparametrene for det gjeldende rbeidspunktet.

ll for parametersetting etter Ziegler-Nichols åpen sløyfemetode alternativ1

Kp

Når vi har funnet disse verdiene kan vi bruke det formelverket som Ziegler-Nic

beregne de opa Tabell 3 Tabe

Ti Td

P-regulator udR /

1 0 ∞

PI-regulator udR /

9,0 3,3d 0

PID-regulator udR /

2,1 2d 0,5d =

4iT

Noen ganger kan det være vanskelig å finneden optimale tangenten etter figur 63. Da kommer vi tilbake til hv

s

ne ne dødtid, prosessforsterkning og

dskonstant for prosessen. idskonstanten tt= T3-T2, dødtiden td= T2-T1

Bruker vi da disse nye verdiene kan vi finne de optimale regulatorinnstillingene ved å sette n i denne tabellen.( F

Figur 89 Sprangrespons

ordan for terkning og tidskonstant ble funnet etter figur 61. Figur 65 viser hvordan vi skal kunne finparametretiTog prosessforsterkningen er som angitt tidligere.

in er prosessforsterkningen.)


98/118


Tabell 4 Tabell for parametersetting etter Ziegler-Nichols åpen sløyfemetode alternativ 2

Ti Td Kp

P-regulator Ft

t

⋅ t ∞ 0

d

PI-regulator t⋅9.0 3,3t 0 Ftd ⋅

t d

PID-regulator Ftd ⋅tt⋅2,1

2td

2dt


99/118


Andre optimaliseringsmetoder. Ziegler-Nichols brukte visse forutsetninger når de utviklet sine metoder. Er ikke disse forutsetningene til stede, vil heller ikke metoden resultater bli optimale. Det er derfor i ettertid kommet flere alternative metoder på markedet som med sine litt annerledes forutsetninger gir litt andre resultater. Vi skal nå se på noen alternative optimaliseringsmetoder, og hvordan de blir brukt for å finnfram til de optimale regulatorparametrene.

e

ens Ziegler-Nichols brukte den bratteste tangenten for å beregne tidskonstant og

ngenten i endepunktet for reaksjonskurven og fikk derfor

n det Ziegler-

=prosessforsterkningen og U=sprangets

ter på tid sen.

K Ti Td

Cohan-Coons metode. Mstigningstall. Cohan-Coon brukte i stedet tavet annet resultat av sine forsøk enNichols gjorde. Også Cohan-Coon er enempirisk metode, og teorien er derfor utvikletfra praktiske forsøk. I den etterfølgende tabellen er Kstørrelse, τ=dødtiden og T=prosessens tidskonstant uttrykt som den tiden den avsatte tangenten avset sak

Tabell 5 Tabell for parametersetting etter Cohan-Coons metode

pP-regulator

⎟⎠

⎜⎝

+3τK

⎞⎛ 11 T ∞ 0

PI-regulator ⎟⎠

⎜⎝

+⋅12

9,0τK

⎞⎛ 11 T

T

Tτ

τ

τ 209

30

+

+⋅

3 0

PID-regulator ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

41

341τT

K

T

Tτ

τ

τ 813+⋅

632+

Tτ

τ2

4 11+

Figur 90 Cohan-Coons metode


100/118


. RI-2005 101/118

n og tidskonstanten. Hadde vi bare hatt tidskonstanten til

kningen høy nok. Beklageligvis inneholder også de fleste prosesser en dødtid, ed prosessen før dødtiden er utløpt, uansett hva vi prøver å gjøre.

orhåpentligvis er prosessen konstruert slik at dødtiden er minst mulig.

et vil også medføre at prosessen blir ustabilitet.

rkningen (F), dødtiden(τ) og prosessens tidskonstant(T) om utgangspunkt for å finne reguleringsparametrene. Disse prosessparametrene finner vi

som

Sym τ

λλ=2(T+τ) for mer robust regulering ( mer stabil, ikke så lett å få til å svinge)

abell 6 Tabell for parametersetting etter IMC-metoden

egulatortype Kp Ti (sekunder) Td (sekunder)

IMC-metoden ( internal model control) De fleste prosesser inneholder to viktige elementer vi må ta hensyn til ved reguleringen av dem. Det er dødtiden til prosesseprosessen å bale med kunne vi fått en brukbar regulering bare ved å sette regulatorforsterhvor ingenting skjer mFMed dødtid i prosessen kan vi øke regulatorforsterkningen for å få en raskere respons, men d IMC-metoden bruker prosessforstes

i figur 65.

Metoden antyder bare parametre for PI og PID-regulatorer og antyder følgende innstillinger:

bolene i tabellene betyr:

= prosessens dødtid i sekunder T= prosessens tidskonstant i sekunder F= prosessforsterkningen ( dimmensjonsløs)

= 2T for aggresiv men lite robust regulering

T

RPI-regulator

)( τλ +FT T 0 ( ikke aktuell)

PID-regulator )2/( τλ +F

T T τ/2

( Denne tabellen er hentet fra www.expertune..com/ArtInTechMay99.html og er forfattet av John Gerry.)

finne korrekte regulatorparametere er en komplisert og til tider langdryg affære.

lle har spesielle forutsetninger. Andre av metodene er teoretisk baserte men også der temmer ikke de forutsetningene hundre prosent blir parameterangivelsene heller ikke ptimale. et er derfor stor sjanse for at dere må etterjustere parameterne når dere setter dem inn i gulatoren og prøver på prosessen.

ÅDe metodene vi har sett på her er noen av alle de metodene som over tid er utviklet. Mange er som de fleste av de vi har sett på her empiriske, altså forsøksbaserte, metoder somaSoDre

Utarbeidet av : Roy Rasmussen. Høgskolen i Vestfold avd


Utarbeidet av : Rasmussen. Høgskolen i Vestfold avd. RI-2005 Roy

102/118

raktisk bruk av regulatoralgoritmer.

et vi har sett på til nå er anvendelse av det man ofte kaller en ideell regulatoralgoritme, eller lgoritmer for en serieregulator.

ndt i

ren.

er ser vi hvordan de ulike typene behandler avvik og prosessverdi, og dermed gir ulik irkning på reguleringsprosessen.

nf reguleringteknikken, men som vi til nå ikke har nakket om, nemlig Laplace-transformasjon, vil vi kunne skrive disse likningene slik:

om vi ser har vi å bytte ut operatoren t med s fått en enklere presentasjonsform på kningssettet. Det å transformere fra tidsplanet ( t-pla eknikk som

brukes for å kunne få vekk ulineære likningssett og bearbeide dem lineært. Mer om dette kommer senere i kurset under sesjonen om lineære systemer. Den delen er matematisk tung.

P DaDet hadde jo vært enkelt om det var bare denne typen regulatoroppsett som blir anvepraktisk bruk. Så heldige er vi ikke. Generelt kan vi skrive likningen for de ulike regulatoralgoritmene som i den følgende figu Hv

Figur 91 Regulatoralgoritmer i tidsplanet

In ører vi en ny teknikk som er mye brukt i s

i s-planet Figur 92 Regulatoralgoritmer Sli net ) til s-planet er en t


Hvis vi ser på de ulike regulatortypene ser vi at for den ideelle regulatoren så er det

guleringsavviket som er retningsgivende for bidraget fra alle de tre elementene, P,I og D. år vi derimot til serieregulatoren ser vi at avviket e ikke er med i bergningen for den erivative komponenten. or par bare avviket og ikke prosessverdien (regulatorforsterkningen) om har betydning for integrasjons og derivasjonsleddet.

raktisk vil de ulike regulatorprodusentene kunne implementere de ulike løsningene slik, med lgende betegnelser.

reGdF alellregulatoren så er det s Pfø

Figur 93 Ideell regulator

Figur 94 Serieregulator

Figur 95 Parallellregulator


103/118


Eksempler på ulike regulatorfabrikanters algoritmer.

ypi= F•e+

Regulatoralgoritmer. Den generelle likningen for en PI-algoritme er:

tidIF− ∫ +

2t

1t

startverdiedt

r er . En alternativ algoritme for en PI-regulato

Ypi= F e + •tidi −

t + startverdi. e•∆

Den store forskjellen på disse to algoritmene er at i den siste så har ikke forsterkningen noen

en til regulatoren.

plemette kan i mange tilfelle gjøre at regulatoren ikke reagerer slik som forventet.

rbeider etter.

ritiske arameterne i en prosess. tegraltiden ble satt til uendelig, derivattiden til 0 og forsterkningen ble øket slik at selvsving

kulle inntreffe. Men den gang ei. latorutgangen.

å viste det seg at regulatoren kunne benytte seg av to ulike algoritmer. I den ene var I-nksjonen og P-funksjonen koblet i serie med I-funksjonen først. Når så I-tiden ble satt til

unksjonen, og altså ingen reaksjon å regulatorutgangen.( Se Yokogawa-regulatoren litt senere)

innvirkning på integralvirkning De ulike regulatorprodusentene operere med til dels svært forskjellige algoritmer im entert i utstyret. DMed moderne regulatorer er det i dag viktig å få fatt i hvilken algoritme den enkelte regulatoren a Et lite eksempel. En studentgruppe skulle ved hjelp av Ziegler-Nichols første regel finne fram til de kpInsDet var omtrent ingen reaksjon i det hele tatt på reguSfuuendelig, så kom det ikke noe avvikssignal gjennom til P-fp FUJI, Regulatortype PNA3. Algoritmen som er implementert i denne uttrykkes slik:

∆Mvk= P

[(e1k-ek-1) +

TieDT

k + DT( PVTd

k-1)]

Her betyr de ulike elementene følgende:

k + PVk-2 - 2PV


104/118


PV = prosessverdi ( process value) PVk = prosessverdi hvor k er nummer i avlesningsrekkefølgen

∆Mvk = endring i regulatorutgang ( manipulated value) ved måling k ek = avviket ved måling k ( PV-SV, prosessverdi - setpunktsverdi)

i

ling.

kningen her har innvirkning på alle elementene i PID-

formelen. Fuji-regulatoren er en digital en om til en digital verdi som

ehand hva samplingsfrekvensen til gulatoren har å si for reguleringsresultatet., både for I og D delen til regulatoren.

okogawa regulatorer serier YS-80 og YS-100.

Yokogawa presenterer sine algoritmer på følgende form: Generell PID:

også kalt PV-derivativ : PI-D: MV=

P = proposjonalbåndet

T = integraltiden TD = derivattiden DT = Kontrollsyklus/ samplingsfrekvensen i sekunder mellom hver samp

k-1 er nest siste sampling osv. K = siste sampling, Vi kan se av formelen at forsteralgoritmen. Det er også en annen vesentlig ting vi kan se av denneregulator. Den leser av den analoge inngangsverdien, gjør d

les i den digitale reguleringsalgoritmen. Vi kan altså sebre Y

P100 ( 1+

TiS1 +

S)m/Td(1TdS

+) • E

Denne regulatorens proporsjonalfunksjon virker på setpunktsendringer. PV- proporsjonaltype PID-regulator ( type I-PD)

har følgende formel: I-PD : MV= P

100 ( PV + TiS1 E +

S)m/Td(1TdS

+PV)

Hvor de ulike elementene betyr følgende: MV = manipulert verdi, dvs utgangen fra regulatoralgoritmen E = avviket, forskjellen mellom setpunkt og prosessverdi ( E= PV-SV ) PV = prosessverdi SV = setpunktsverdi P = proposjonalbåndet


105/118


Ti = integraltiden

algoritmen ser vi at den digitale regulatorens samplingstid inngår i gulatoralgoritmen ( S ).

I denne regulatortypen er ikke proporsjonal og derivasjonsfunksjonen virksom på avviket mellom setpunkt og måleverdi, men på måleverdien alene. Det vil si at ved en setpunktsendring ( stor ?) så vil ikke dette medføre noen rask respons på regulatorutgangen, og dermed en mer stabil regulering ( i enkelte tilfelle). Dette kan være spesielt gunstig f. eks. der hvor regulatorparametrene blir satt numerisk fra en overordnet datamaskin.

Td = derivattiden m = derivatforsterkning, (settes normalt til 1 ) S = Laplace-operator, regulatorens samplingstid Også i dennere

SV

+

-

PV

++

MV

11

+TiS

100P

11

++

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

TdTd m S( / )

11

++

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

TdTd m S( / )

100P

1TiS

SV

++

+MV

PV

PV-proporsjonal type PID( I-PD)

PV-derivativ type PID (PI-D)

-

Figur 96: Grafisk framstilling av regulatoralgoritme


106/118


Foxboro- 760serie regulator.

∆Mvk= P

100 {(en-en-1) + It∆ en + t

D∆

[( PVn - PVn-1 ) - (PVn-1 - PVn-2)] }

Vi ser at denne regulatoralgoritmen er praktisk talt identisk med den algoritmen som er implementert i Fuji-regulatoren. Proporsjonalleddet er identisk bortsett fra at Foxboro bruker å sette inn forsterkningen P i stedet for Fuji’s p-bånd. Integralleddet er identisk med Fuji’s. ∆t er det samme som Fuji’s DT = samplingsfrekvensen. Derivatfunksjonen er også helt identisk, selv om oppsettet i formelen er litt forskjellig. (Fuji’s formel er trukket sammen) Foxboro kaller denne algoritmen for en inkrementell algoritme og sier selv at den har visse svakheter. De vil blant annet ikke kunne utføre ren proporsjonalkontroll på en tilfredsstillende måte. Den er også ute av stand til å motvirke integral-windup i en kaskadesløyfes primærloop. Disse problemene kan motvirkes ved å legge inn en fast verdi i tillegg til den verdien som blir regnet ut av algoritmen over. Denne verdien regnes ut ved hjelp av en bestemt algoritme. Alfa-Laval ECA-regulator. Den generelle PID-regulatoren kan man utføre enten på serieform eller på paralellform. På paralellform kan vi skrive formelen på følgende måte:

u= K(e+Ti1∫ dtte )( + Td

dtde )

På serieform vil følgende likningssett beskrive PID-algoritmen.

e1= e+Td dtde

u= K(e1+ ∫Ti1 e1(t)dt)

Grafisk kan vi vise disse to måtene å tenke regulering på slik:


107/118


P

I

D

e u∑

Figur 97 Parallellregulator,Alfa Laval

Figur 98: Serieregulator, Alfa Laval

∑ ∑

I

P

D

e ue1

Det er den parellelle formen som normalt beskrives i lærebøker, og det er den som oftest kalles en idealregulator. Det karakteristiske er at P,I og D funksjonene er adskilte. På grunn av diverse historiske forhold er det ikke denne formen som realiseres i industrielle regulatorer. Den historiske bakgrunnen for at det var serieformen som i alt vesentlig blir implementert er at paralellformen var vanskelig å realisere i pneumatiske regulatorer. Av figuren for serieregulatoren ser vi at I og D delene ikke er uavhengige som i parallellregulatoren. I serieregulatoren arbeider I-delen både på avviket og på derivatdelen. Vi kan kalle den en seriekobling av en PI-regulator og en PD-regulator. Som vi ser av de grafiske framstillingene skiller disse to måtene å sette opp reguleringsalgoritmen bare på om vi bruker alle tre parameterne. Bruker vi ikke D-funksjonen vil serie og parallellregulatoren gi identisk resultat.


108/118


Programmerbare regulatorer. De fleste moderne regulatorer er programmerbare. Det vil si at vi relativt fritt kan benytte alle inn og utganger til ulike funksjoner og gjerne forriglinger i prosessen. De ulike fabrikantene har litt ulik filosofi på hvordan programmeringen skal foregå. Her kommer en liten oversikt over hvordan noen gjør det. Moderne ensløyferegulatorer (single-loop regulatorer) i dag er svært ofte i stand til å ta seg av komplette kaskadesløyfer. Tabellen viser hvordan enkelte regulatorer har mulighet til å plukke opp og handtere signal fra prosessen. Tabell 7: Oversikt over inn/utganger på moderne regulatorer

Fuji Foxboro Alfa-Laval Siemens Yokogawa CC-S 760-serie ECA SipartDR22 YS-100 Analoge inn 5 4 5 5 5 Analoge ut 5 2 3 4 3 Digitale inn 3 2 4 4 6* Kan velge Digitale ut 2 2 6 8 dig. inn/ut=6 Kaskade ? ja ja ja ja ja Alarmutganger 3 4 4 Seriekomm. Ja Ja Ja Ja Ja Som vi ser av tabellen så snakker man ikke lenger om single-loop regulatorer, men som oftest om dual-loop regulatorer. De moderne regulatortypene har dessuten mulighetene til å kjøre en komplett kaskadesløyfe også mange andre muligheter. De fleste er i dag også det som kalles programmerbare. Denne programmeringen gjøres på ulike måter hos de ulike produsentene. De fleste, dvs. alle de som er nevnt over bortsett fra en, er det jeg vil kalle parametrerbare og konfigurerbare. Med det så mener jeg følgende: De ulike reguleringsparametrene, samt andre typer parametre, som f.eks. lineariseringsparametre kan settes, dvs. velges i regulatoren. Funksjonen til regulatoren fastsettes ved at man ut fra et antall ferdigprogrammerte funksjoner velger ut og setter sammen disse slik at man får ønsket resultat.


109/118


Prinsippet for denne «programmeringsmåten» kan vi si er som følger. Start

konfigurering

Analogporter

V-overløp

Linearisering

Parshallrenne

Individuelllinearisering Venturirenne

Grenseverdier

Parametrering

AutotuneTuning

Konstanter

Autotuneparametre

Reguleringsparametre

Manuelltune

Kvardratrotuttrekning

Kommunikasjon

Regulatorfunksjon

Digitalporter

Dette er et tenkt oppsett, men likner svært på hvordan Fuji, Foxboro og Alfa Laval gjør «programmeringen». Her er det tenkt utført hvordan få lineasrisert en måling på en parshalrenne. NB!!!! Dette er bare et prinsippeksempel og ikke noe reellt konfigureringseksempel. Den litt tykkere streken mellom funksjonsblokkene viser hvordan funksjonene blir valgt ut og satt sammen.

Figur 99 Programmeringsmåte: konfigureing


110/118


For å vise denne struktureringsmåten enda tydeligere, viser jeg herved hvordan Fuji strukturerer en kaskaderegulator.

SubPID

21

A003

A000

A001

A002

W01

030

935

Sub-PID

22

A07

A04

A05

A06

W02

A00

A02

A02

PID

40

A17

A14

A15

A16

W06

035

A08

93E

67

A13

A10

A11

A12

W05

A01

A15

93E

Sub-PID

23

A0B

A08

A09

A0A

W03

A04

A15

93E

67

A0F

A0C

A0D

A0E

W04

A00

A14

93E

AI1/030

KPV

LS2

PV/035

MI

KPV SV

LS2

LS2

SV

MVRSV

Figur 100 Konfigurering (programmering) av Fuji-regulatorer

Som vi ser av bildet bruker Fuji en samling av blokker hvor nummeret i midtre boks øverst forteller hva slags blokk det er. Boksen øverst til venstre i hver blokk forteller hvilken wafer det er. Totalt kan et program bygges ut til å inneholde maks 24 wafere. Småboksene på høyre og venstre side av blokken er definerte parametre som er ulike avhengig av hvilken blokk det er. Som vi ser i eksempelet er blokken som har fått nr.67 brukt to ganger. Det er altså mulig å bruke enkelte funksjoner opptil flere ganger i et «program» å få programmet til å fungere slik vi ønsker. Blokken som har fått nummer 40 er PID algoritmen. Pilene på figuren viser signalretningen. Læreboka antyder på side 187 noen av de funksjonene som er bygget inn i slike wafere i Fuji-regulatoren. Vedlagt ligger også et ark hvor konfigureringsalternativene for Fuji-regulatoren er satt sammen og vises grafisk.


111/118


Den andre måten å programmere på representeres i denne regulatorsamlingen av Yokogawa. Yokogawa bruker et programmeringsspråk som likner på den programmeringsmåten som HP bruker på sine lommekalkulatorer. Det har også samme struktur som et assemblerspråk. Eksempelet med kaskaderegulator vil bli programmert slik i en Yokogawaregulator.

Program Funksjon 1 LD X1 Les trykk (inngang1) 2 LD X2 Les difftrykk fra måleblende

( inngang2) 3 SQT Trekk kvadratroten av

mengdesignalet 4 CSC Kaskaderegulatoralgoritme 5 ST Y1 Sett resultatet til utgang 1 6 END Programslutt Figur 101 Regulatorprogrammering Yokogawa (kaskadesløyfe)

Dette er programmet som utfører funksjonen som beskrives i følgende prosessdiagram.

FICSQT

TT

FT

TIC

Figur 102 Kaskadesløyfe realisert av programmet i figur 71


112/118


Yokogawaregulatorens funksjon kan også vises ved hjelp av følgende skisse:

Figur 103 Registeroversikt, Yokogawa regulator

Programmet i Yokogawa-regulatoren kan inneholde totalt ca 100 programsteg i hovedprogrammet og ca. det samme i ulike sub-program. Sub-programmene kan gjennomkjøres flere ganger i en programsekvens og kalles opp fra ulike plasser i hovedprogrammet. Med en syklustid på programmet på 200 ms kan maks antall programsteg pr. gjennomløp ligge på omtrent 200. De moderne digitale regulatorene kan kommunisere med hverandre og en overordnet datamaskin som regel over en RS-485 buss. På en slik buss kan det koples opp til 16 regulatorer i serie. Dette var et lite innblikk i hvordan moderne programmerbare regulatorer kan programmeres. De fleste leverandører har i tillegg til disse «flaggskipsregulatorene» også mange mindre og enklere regulatorer. Ofte kalles de for temperaturregulatorer, mm. Disse regulatorene kan som regel ikke programmeres/struktureres, men det ligger ganske mange og omfattende standardprogram innebygd i dem slik at de er svært anvendelige i de fleste tilfelle. Det som regel er et minus ved disse enklere regulatortypene er at man bare kan lese av en verdi i et sifferdisplay. Dette medfører at man må bytte mellom f.eks. setpunkt og måleverdi. Det blir derfor vanskeligere å se sammenhengen i prosessen. Etter min mening gir dessuten en slik


113/118


digital anvisning av en prosessverdi en dårligere informasjon fordi man ikke ser hvor i måleområdet måleverdien befinner seg. Man må kjenne til måleområdet for å kunne se om målingen ligger midt i, nesten på topp eller nesten på nedre målegrense. Her er det imidlertid mange som vil være uenig med meg å si at en nøyaktig avlesning som en slik digital verdi gir er bedre.


114/118


Referanseliste: Mikell P. Groover: Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Prentice Hall 2000: ISBN 0-13-088978-4 Eckhardt Ignatowitz: Prosesskjemi Yrkesopplæring ans—1996 ISBN: 82-585-0954-3 Kjell Bjerketveit: TFS-teknisk flytskjema for kjemisk prosessindustri Norsk Hydro 1990. Kompendium. Tor Onshus: Instrumenteringssystemer Kompendium NTNU, 1995 ( 95-6-X) Roy Rasmussen : Begreper og definisjoner Lysbildeserie, undervisningsunderlag HVE-2000 Roy Rasmussen: Dokumentasjon i automatiseringsanlegg Lysbildeserie, undervisningsunderlag HVE-2001 Glossary of Process Control Terms: internettartikkel : P.E.Gerry http://www.expertune.com/glossary.html hentet 6/11-2004. Aschehoug og Gyldendals Store Norske leksikon. Utgave 1980. Fundamentals of process dynamics. Massilimano Borolo. Power-point presentasjon fra et kurs holdt i Bangkok 8-12. juli 2002. Kursarrangør: ICS Unido ( International centre for Science and High Technology. United Nations Industrial development Organization.) Hentet 1/11-2004. http://students.caslab.units.it/Reattori%20Chimici/1/21_Dynamicpart1_MB.ppt Bjørnar Larsen :Reguleringsteknikk for automatiseringsfaget. Vett og Viten: ISBN: 82-412-0141-9 Bertil Thomas: Moderne reguleringsteknikk, Universitetsforlaget: ISBN:82-00-40992-9 Finn Haugen: Praktisk reguleringsteknikk: Tapir, ISBN: 82-519-1887-1, 2. utgave. Yokogawa General Spesifications: YS 170 Single loop programmable controller, GS-1B7C2-01E, 1996 ( figur 36) Prosesskontroll 1, Folkets brevskole, Yrkeslære for instrument serviceteknikere I prosessindustrien ( figur 35)


115/118

http://www.expertune.com/glossary.html

http://students.caslab.units.it/Reattori Chimici/1/21_Dynamicpart1_MB.ppt


Bjørnar Larsen: Reguleringsteknikk for teknisk fagskole, Gyldendal ISBN:82-05-29729-0 Kåre Bjørvik / Per Hveem: Reguleringsteknikk, Trondheim august 1999. Kompendium til undervisning ved Høgskolen i Trøndelag http://www.expertune.com/ArtInTechMay99.html Roy Rasmussen: Lærerveiledning til Reguleringsteknikk for automatiseringsfaget, Vett og Viten: ISBN 82-412-0233-4, 1998.


116/118

http://www.expertune.com/ArtInTechMay99.html


Figur 1 Produksjonssystemet ..................................................................................................... 9 Figur 2 Sammenheng mellom produksjonsrate og produktvariasjoner ................................... 15 Figur 3 Produksjon med faste arbeidsplasser/ Job-shop ........................................................ 16 Figur 4 Arbeid organisert i arbeidsstasjoner ............................................................................ 16 Figur 5 Arbeidet utført som en celle-layout. ............................................................................ 17 Figur 6 Samlebånd / flow-line................................................................................................ 17 Figur 7 Produksjonsformer tilpasset ulike produksjonstall..................................................... 18 Figur 9 Automasjonsmuligheter i produksjonssystemene ....................................................... 21 Figur 10 De tre automatiseringstypene relativt til produksjonsvolum og produktvariasjon... 24 Figur 11 Modell for sammenheng mellom produksjon og automasjon (CIM) ...................... 25 Figur 12 Sammenhengen mellom de ulike systemene i en fabrikk......................................... 29 Figur 15 Blokkskjema med tilleggsinformasjon ...................................................................... 38 Figur 16 Blokkskjema over olje-gassbehandling .................................................................... 38 Figur 17 Prosessflytskjema av prosessen i figur 13 ................................................................ 39 Figur 18 Prosess-skjema m/dimensjonstabell ......................................................................... 40 Figur 19 Symboler for prosessutstyr ....................................................................................... 44 Figur 20 P&ID skjema av kjemisk framstillingsprosess....................................................... 46 Figur 21 TFS over destillasjonskolonne ( Nork Hydro, opplæringsanlegg) ........................... 47 Figur 22 Sammenheng mellom ISO 3511 og NS 1438.......................................................... 48 Figur 23 ANSI standarden...................................................................................................... 48 Figur 24 Norsok er en nasjonal tilpassningsstandard for Norsk Sokkel. ................................ 48 Figur 25 Norsok og andre instrumentstandarder..................................................................... 49 Figur 26 Standardiseringsorganisasjoner. ............................................................................... 49 Figur 27 Dokumenter og deres sammenheng.......................................................................... 50 Figur 29 Blokkskjema av reguleringssløyfe............................................................................ 56 Figur 30 Nivåreguleringssløyfe. Navnsatte komponenter....................................................... 56 Figur 31 Bilde av varmeveksler Figur 32 PI&D skjema over temperaturregulering av varmeveksler..................................................................................... 57 Figur 34 Vortex- mengdemåler ............................................................................................... 57 Figur 35 Reguleringsventil...................................................................................................... 58 Figur 37 Blokkskjema med reguleringsbetegnelser ............................................................... 60 Figur 38 Seriekopling av transferfunksjoner........................................................................... 61 Figur 39 Parallellkopling av transferfunksjoner...................................................................... 61 Figur 40 negativ tilbakekopling ............................................................................................... 61 Figur 41 Positiv tilbakekopling ............................................................................................... 62 Figur 43 Direktevirkende regulator.......................................................................................... 63 Figur 44 Kaskaderegulering ................................................................................................... 64 Figur 47 Måletekniske begrep................................................................................................. 67 Figur 65 Blokkskjema over en PID-regulator. ........................................................................ 80 Figur 96: Grafisk framstilling av regulatoralgoritme............................................................. 106 Figur 97 Parallellregulator,Alfa Laval ................................................................................... 108 Figur 98: Serieregulator, Alfa Laval ...................................................................................... 108 Figur 100 Konfigurering (programmering) av Fuji-regulatorer............................................. 111 Figur 101 Regulatorprogrammering Yokogawa (kaskadesløyfe) .......................................... 112 Figur 102 Kaskadesløyfe realisert av programmet i figur 71................................................. 112 Figur 103 Registeroversikt, Yokogawa regulator .................................................................. 113


117/118



118/118

Produksjon Og Automasjon52

Documents

automation

apparater

og deres karakteristika

de ulike elementene

vi har sett

la oss se

denne produksjonsformen

det vil si