1. Regulatory cyfrowe

Wraz z szerokim rozpowszechnieniem mikrokomputerów pojawiła się nowa klasa regulatorów: regulatory cyfrowe.

W regulatorach cyfrowych sygnał wyjściowy jest obliczany przez program umie­szczony w pamięci regulatora. Przez zmianę programu można zmienić rodzaj regulatora. Z reguły użytkownik ma do wyboru wiele wariantów podprogra­mów, z których może zestawić potrzebny mu program: nazywa się to konfigu­rowaniem regulatora.

Ponieważ regulator jest właściwie małym komputerem, może więc realizować znacznie bardziej skomplikowane przekształcenia syg­nałów niż regulatory analogowe. Niektóre regulatory są wyposażone w adap­tacyjne (samodopasowujące) filtry zakłóceń oraz adaptacyjny system doboru parametrów.

W regulatorze cyfrowym sygnały wejściowe muszą być przetwarzane do postaci cyfrowej przez przetworniki analogowo-cyfrowe, a sygnały wyjściowe z postaci cyfrowej — przez przetworniki cyfrowo-analogowe. Często, mimo że regulator jest kilkukanałowy, jest tylko jeden przetwornik a/c i jeden przetwornik c/a obsługujący po kilka wejść i wyjść. Sygnały wejściowe i wyjściowe są wtedy komutowane (przełączane). Przy kilku kanałach opóźnienia wynikające z oczekiwania na obsługę przez przetwornik są pomijalne, szczególnie w zestawieniu z dużymi stałymi czasu obiektów regulacji (regulatory te są jak pamiętamy przeznaczone do regulacji procesów wolno-zmiennych), regulatory cyfrowe są więc traktowane tak, jak ciągłe regulatory analogowe.

Jako przykład regulatora cyfrowego zostanie omówiony regulator EFTRONIK X produkowany przez MERA-PNEFAL S.A. Był to regulator dwukanałowy prze­znaczony do sterowania wolnozmiennych ciągłych procesów przemysłowych, mógł pracować jako regulator samodzielny albo we współpracy z komputero­wym układem sterowania bezpośredniego, albo nadrzędnego.

Regulator nie ma ustalonego algorytmu działania. Wynikowy algorytm powstaje w procesie programowania (ustalania konfiguracji) polegającym na zestawieniu ze sobą podstawowych podprogramów i wpisywaniu wartości parametrów, z jakimi te podprogramy mają być wykonywane. Podprogramy podzielone są, dla ułatwienia programowania, na 6 grup, zwanych przez producenta warstwami. Na rys. 1. przedstawiono schematycznie możliwe sposoby tworzenia sygnałów wyjściowych regulatora. Pokazano na nim też, do której warstwy (liczby nad nawiasami klamrowymi w górnej części rysunku) należą poszczególne funkcje.

Rys. 1. Schemat prezentujący sposób wypracowania sygnałów wyjściowych różnych typów regulatora

2P — regulator dwustawny; 3P — regulator trójstawny; Wl... W5 — złącza kablowe

Warstwa 1 obejmuje podprogramy przetwarzania analogowych sygnałów wej­ściowych — każdy sygnał wejściowy musi przejść przez tę warstwę.

Podprogramy z warstwy 1 obejmują arytmetyczne funkcje jednoargumentowe umożliwiające:

• Zmianę nachylenia (współczynnika wzmocnienia) charakterystyki sygnału wejściowego i przesunięcie jej punktu zerowego (jeżeli chcemy, aby charakte­rystyka ta pozostała nie zmieniona, należy wpisać współczynnik „1").

• Odwrócenie charakterystyki pomiaru.

• Różne formuły pierwiastkowania.

• Podnoszenie do kwadratu.

• Nastawianie wartości stałej. Jest to przede wszystkim wartość zadana. Przypomnijmy, że niedokładność nastawienia wartości zadanej lub jej zakłócenia przenoszą się wprost jako błędy regulacji. Istotną zaletą regulatora cyfrowe­go jest więc fakt, że raz wpisana wartość stałej nie podlega żadnym zakłóce­niom.

Warstwa 2 podprogramy tu umieszczone są przeznaczone do obsługi wejść dyskretnych (dwustanowych) i umożliwiają ustawienie stałej czasu filtru wej­ściowego oraz ustalenie czy dane wejście ma zostać zanegowane.

Warstwa 3 zawiera podprogramy arytmetycznych funkcji dwuargumentowych umożliwiających:

• Dodawanie i odejmowanie dwu wartości z możliwością różnicowania ich wagi przesunięcia wyniku działania.

• Mnożenie i dzielenie dwu wartości.

• Dodawanie i odejmowanie dwu wartości, gdy do sygnału podstawowego (X2) jest dodawana lub odejmowana poprawka (klXl) stanowiąca niewielki skład­nik sumy.

Warstwa 4 zawiera podprogramy algorytmów regulacji. Jest to najważniejsza grupa podprogramów decydująca o klasie regulatora. Dlatego też jest to grupa najbardziej rozbudowana.

Opierając się na podstawowym algorytmie regulatora PID, stworzono możliwości najrozmaitszych konfiguracji, z których najważniej­sze są: regulacja stosunku w różnych wariantach i regulacja kaskadowa. Ponad­to, co pokazano na rys. 1. (warianty przedstawione na rys. 1. nie mogą być zrealizowane jednocześnie, ponieważ regulator jest jedynie dwukanałowy) regu­lator może być konfigurowany jako:

- regulator o wyjściu ciągłym,

- regulator dwustawny,

- regulator trójstawny,

- regulator trójstawny ze sprzężeniem wewnętrznym,

- regulator trójstawny z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym.

Poniżej zestawiono przykładowe struktury regulatora, lepiej pokazujące różnorodność możliwych konfiguracji, na schematach podano także numery warstw, w których są pro­gramowane poszczególne funkcje schematu blokowego. W warstwie 5 są umieszczone podprogramy przetwarzania wyjściowych sygnałów analogowych, a w warstwie 6 wyjściowych sygnałów dyskretnych. Pod­programy te umożliwiają ustalenie dla sygnałów analogowych dopuszczalnych wartości maksymalnych i minimalnych oraz wartości sygnału wyjściowego po ponownym załączeniu regulatora (np. po zaniku napięcia zasilającego). Dla sygnałów dyskretnych można zaprogramować stan wyjścia (0 czy 1) po zaniku napięcia oraz negację wyjścia.

Zestawienie przykładowych struktur regulatora cyfrowego EFTRONIK X

1 Układ automatycznej regulacji jednoobwodowy stałowartościowy z regulatorem o wyjściu ciągłym („ANALOG"). Przykład pokazuje dwa niezależne układy regulacji stałowartościowej z regulatorami o różnych algorytmach regulacji, rewersją działania regulatora, pierwiastko­waniem sygnału wejściowego.

2. Układ automatycznej regulacji stosunku z regulatorem „ANALOG". Przykład pokazuje układ regulacji stosunku z pierwiastkowaniem sygnałów z pomiaru natężeń przepływów i wykorzystaniem wyjścia AO 2 np. do rejestracji.

3. Układ kaskadowej regulacji z regulatorem „ANALOG". Przykład pokazuje kaskadowy układ regulacji z regulatorami: głównym PID (Rewers) i pomocniczym P (Normal).

4. Układ regulacji stałowartościowej z przełączaniem źródła wartości mierzonej z regulatorem „ANALOG". Przykład pokazuje układ regulacji stałowartościowej z przełączaniem, sygnałem dyskretnym z wejścia DI 1, źródła sygnału wielkości mierzonej regulatora.

5. Układ automatycznej regulacji jednoobwodowy stałowartościowy z regulatorem dwustawnym („2P"). Przykład pokazuje dwa niezależne regulatory typu „2P".

6. Układ automatycznej regulacji jednoobwodowy stałowartościowy z regulatorem trójstawnym („3P"). Przykład pokazuje dwa niezależne regulatory typu „3P".

7. Układ automatycznej regulacji jednoobwodowy stałowartościowy z regulatorem z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym („3P sprz. wew."). Przykład przedstawia dwa niezależne układy regulacji z regulatorami typu „3P sprz. wew."/regulator krokowy.

8. Układ automatycznej regulacji jednoobwodowy stałowartościowy z regulatorem trójstawnym z zewnętrznym

sprzężeniem zwrotnym („3P sprz. zew."). Przykład pokazuje układ jednoob­wodowy z regulatorem typu „3P

sprz. zew." w wersji połączeń:

• sygnał z przetwornika pomiarowego — AI 1;

• sygnał sprzężenia zwrotnego — AI 2;

• regulator „PID, 3P sprz. zew." w kanale I.

Programowanie (ustalanie konfiguracji regulatora) polega na wybraniu podpro­gramów najodpowiedniejszych dla realizowanego zadania regulacji i włączenia ich w strukturę regulatora. Odbywa się to przez wpisywanie pod określone adresy kodu funkcji lub wartości parametru. Adres składa się z numeru warstwy, numeru kanału i numeru parametru (parametrem może być kod funkcji lub liczba). Jeżeli chcemy np. z warstwy 3 wybrać jeden z podprogramów dla kanału 2, to musimy pod adresy od 3-2-01 do 3-2-07 wpisać liczby (wartości parametrów)

określające numer warstwy, z której pochodzą przekształcane sygnały, którą z funkcji wybieramy i jakie są wartości współczynników.

Programy przygotowuje się za pomocą tzw. tablic konfiguracyjnych wchodzących w skład dokumentacji dostarczanej wraz z regulatorem. Tablice te zawierają listę wszystkich adresów, pod którymi należy wpisywać wartości parametrów oraz dopuszczalne wartości tych parametrów. Wiedząc, jaki regulator chcemy otrzymać trzeba wypełnić tablice konfiguracyjne, a potem wpisać je do pamięci regulatora.

Programy wpisuje się za pomocą przycisków i wyświetlaczy, znajdujących się na tablicy czołowej regulatora ( rys. 2.). Wpisywanie rozpoczyna się przełączeniem regulatora na tryb pracy: programowanie. Ponie­waż regulator jest zabezpieczony przed ingerencją osób niepowołanych, przed rozpoczęciem wpisywania programu trzeba wpisać hasło. Przed wpisaniem war­tości każdego z parametrów najpierw na górnym wyświetlaczu jest ustawiany adres. W tym celu przyciskami 13.1 i 13.2 (rys. 2) uaktywnia się określone pole wyświetlacza po czym przyciskami 11.1 i 11.2 ustawia się potrzebną wartość danej cyfry. Po wpisaniu w ten sposób wszystkich cyfr adresu krótko naciska się przycisk MODĘ (10 na rys. 2.), powodując przejście na dolny wyświetlacz, na którym taką samą metodą wpisuje się wartość parametru. Kolejne naciśnięcie przycisku MODĘ spowoduje wpisanie wartości parametru do pamięci regulato­ra. Dokładnie sposób wpisywania programu jest opisany w instrukcji obsługi. Po zakończeniu wpisywania programu regulator jest przygotowany do pracy. Przyciski i wyświetlacze płyty czołowej regulatora są przyporządkowane ka­nałowi, którego numer jest wyświetlany na wyświetlaczu numeru kanału (3 na rys. 2.). Zmiany kanału można dokonać za pomocą przycisku MODE.

Rys. 2. Widok płyty czołowej

1 — wyświetlacz wielkości mierzonej PV;

2 — wyświetlacz wielkoś­ci: zadającej SP wyjściowej OUT, kodu alarmów EPR;

3 — wyświe­tlacz numeru kanału CHAN.NO;

4 — wskaźnik diodowy od­chyłki regulacji;

5 — wskaźnik diodowy sygnału wyjściowego;

6.1 — wskaźnik alarmu odchyłki MAX;

6.2 — wskaźnik alarmu odchyłki MIN;

7 — wskaźnik wystąpienia alarmu ALARM;

8 — wskaźnik dostępności na wyświetlaczu 2 wielkości zadającej SP lub kodu alarmu SP-ERR;

9 — sygnalizacja reżimu pracy: M — sterowanie ręczne,

A — sterowanie automatyczne,

C — kom­puter,

CAS — wartość zadająca zdalna;

10 — przycisk — przełącz­nik kanałów kwitowanie alarmów;

11 — przyciski;

12 — przycisk zmiany reżimu pracy;

13.1 — przycisk — zwiększanie wartości wiel­kości wyjściowej;

13.2 — przycisk — zmniejszanie wartości wielkości wyjściowej;

14.1 — kieszonka na tabliczkę — wielkości fizyczne;

14.2 — kieszonka na tabliczkę — symbol obwodu

Dla wybranego kanału górny wyświetlacz wyświetla wartość mierzoną, a na wyświe­tlacz dolny można przywołać wartość wielkości zadanej, wielkość wyjściową albo kod alarmu, jeżeli alarm wystąpił. Regulator daje możliwość programowania sygnalizacji alarmowej przy przekroczeniu pewnych poziomów przez różne wiel­kości. Jeżeli jest wyświetlana wartość zadana i jeżeli jest to układ regulacji stało-wartościowej (tzn. jeżeli wartość zadana jest zapisana w programie), to można ją zmienić i nową wartość wpisać do programu. Po zmianie wartości zadanej zmieni się też wartość uchybu regulacji wskazywanej na pionowym wskaźniku diodowym.

Dla regulatora przewidziano cztery reżimy pracy (przełączane przyciskiem 12 na rys. 2.) sygnalizowane diodami świecącymi:

A — AUTOMATYKA — automatyczna regulacja stałowartościowa z war­tością zadaną wpisaną do pamięci

regulatora.

CAS — KASKADA — automatyczna regulacja z wartością zadaną od regula­tora nadrzędnego.

C — KOMPUTER — automatyczna regulacja z wartością zadaną od kom­putera nadrzędnego.

M — RĘKA — sterowanie ręczne, wartość sygnału wyjściowego regulatora jest utrzymywana na stałym

poziomie, ale może być ręcznie zmieniana.

Akceptowane i sygnalizowane mogą być tylko te reżimy pracy, które zostały zaprogramowane. Przełączanie między dowolnymi reżimami pracy, w tym także przejście z trybu PRACA do trybu PROGRAMOWANIE, odbywa się bez zmiany sygnału wyjściowego, czyli bezzakłóceniowo.

---