Архив / 2003 / №1(21) / Новости компании овен

ТРМ101. Новый ПИД регулятор от компании ОВЕН

Необходимость постоянно повышать качество продукции диктует все более жесткие требования к производственным мощностям, которые сегодня уже не возможно представить без высокого уровня автоматизации, уменьшающей влияние человеческого фактора на конечный результат. Основными критериями, предъявляемыми производителями оборудования к средствам автоматизации, стали многофункциональность, возможность интеграции в единую информационную сеть предприятия, но в то же время надежность и удобство в эксплуатации.

Все эти пожелания потребителей были учтены при подготовке к выпуску нового ПИД регулятора ОВЕН ТРМ101.

Рис. 1. Корпус ТРМ101: а — крепление хомутом; б — крепление фиксаторами
Рис. 1. Корпус ТРМ101: а — крепление хомутом; б — крепление фиксаторами

Функциональными прообразами для разработки нового прибора были выбраны наиболее популярные регуляторы OMRON и JUMO. Особое внимание было уделено авто настройке ПИД регулятора. В ТРМ101 применен новейший способ автонастройки, со стоящий из алгоритмов предварительной настройки и точной подстройки, который позволяет добиться высокой точности регулирования на подавляющем большинстве объектов. Российской промышленностью производится немало регуляторов с различными алгоритмами предварительной настройки, однако точную подстройку, позволяющую корректировать коэффициенты ПИД регулятора во время работы, пока можно было встретить только у ведущих зарубежных производителей.

К другим достоинствам ТРМ101 можно отнести наличие универсального входа для подключения широкого перечня измерительных датчиков, встроенный интерфейс RS 485, позволяющий интегрировать прибор в АСУ ТП предприятия, возможность дистанционного управления, а также ряд дополнительных параметров ПИД регулятора, таких как ограничение выходной мощностии скорости изменения выходного сигнала и т.д.

В статье мы подробнее расскажем об особенностях работыТРМ101.

Конструкция прибора. Управление прибором

Специально для ТРМ101 был разработан новый миниатюрный корпус из легкой полупрозрачной пластмассы с габаритными размерами 48Х48Х102 мм и степенью защиты IP54 со стороны лицевой панели (рис. 1). Корпус имеет два вида крепления для установки в щит: хомут, позволяющий оперативно закреплять и снимать прибор (рис. 1, а), и фиксаторы для более плотного и жесткого крепления (рис. 1, б).

Управлять прибором можно с помощью меню кнопками, находящимися на лицевой панели, или по интерфейсу RS 485. Меню содержит программируемые параметры для настройки прибора, индицируемые параметры (текущее значение измеряемого параметра, выходная мощность ПИД регулятора) и сервисные функции (запуск или остановка прибора, запуск автонастройки и т.п). Параметры меню и их значения можно просматривать и изменять, не прерывая работы прибора. Доступ к меню можно заблокировать и управлять прибором только по интерфейсу RS 485. Также прибор можно запускать или останавливать, замыкая ключ на его втором входе.

Просмотр меню осуществляется с помощью двух четырехразрядных цифровых светодиодных индикаторов (рис. 2), которые отображают название параметра (верхний) и его значение (нижний). При индикации измеряемого параметра на верхнем индикаторе отображается его текущее значение, а на нижнем — уставка. Точечные индикаторы отображают текущее состояние прибора, например срабатывание сигнализации, включение вы ходных устройств, запуск и окончание автонастройки и т.п. Функционально ТРМ101 можно разделить на несколько блоков, представленных на рис. 3.

Универсальный вход

Одно из преимуществ ТРМ101 — это универсальный вход для подключения из мерительных датчиков (вход 1 на рис. 3). Под универсальностью входа подразумевается возможность подключения практически всех используемых в производственной практике датчиков температуры, а также датчиков с унифицированным выходным сигналом тока или напряжения (например, для измерения давления).

Таблица 1

Наименование и НСХ датчика или сигнала

Диапазон измерений

Предел допустимой осн. погрешности, %

Разрешающая способность

Термопреобразователи сопротивления по ГОСТ Р 50353

ТСМ 50М W100 =1,426
ТСМ 50М W100 =1,428
ТСП 50П W100 =1,385
ТСП 50П W100 =1,391
ТСМ 100М W100 =1,426
ТСМ 100М W100 =1,428
ТСП 100П W100 =1,385
ТСП 100П W100 =1,391

-50…+200 °С
-190…+200 °С
-200…+750 °С
-200…+750 °С
-50…+200 °С
-190…+200 °С
-200…+750 °С
-200…+750 °С

0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С

Термопреобразователь сопротивления по DIN 43760

Pt 100

-200…+750 °С

0,5

0,1°С

Термопреобразователи сопротивления по ГОСТ 6651

ТСМ гр.23
ТСМ гр.21

-50…+200 °С
-200…+600 °С

0,5
0,5

0,1°С
0,1°С

Термопары по ГОСТ Р 8.585

TХК (L)
ТЖК (J)
ТНН (N)
ТХА (K)
ТПП (S)
ТПП (R)
ТПР (B)
ТВР (A-1)
ТВР (A-2)
ТВР (A-3)
ТМК (Т)

-200…+800 °С
-200…+1200 °С
-200…+1300 °С
-200…+1300 °С
0…+1750 °С
0…+1750 °С
-200…+1800 °С
0…+2500 °С
0…+1800 °С
0…+1600 °С
-200…+400 °С

0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С
0,1°С

Сигналы постоянного напряжения и тока по ГОСТ 26.011

0…5 мА
0…20 мА
4…20 мА
-50,0…+50 мВ
0…1 В

0…100%
0…100%
0…100%
0…100%
0…100%

0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

0,1 %
0,1 %
0,1 %
0,1 %
0,1 %

Примечание. W100 — отношение сопротивления датчика, измеренного при температуре 100 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С

 

В сочетании с различными датчиками ТРМ101 может измерять температуры от -200 °С до 2300 °С.

При программировании прибора пользователю необходимо только задать код типа датчика. Перечень датчиков, с которыми может работать прибор, приведен в табл. 1.

Регулирование в ТРМ101. ПИД регулятор и автонастройка

Практика показала, что наибольшая точность регулирования достигается при применении ПИД регуляторов. Как изве стно, выходной сигнал ПИД регулятора зависит от действия трех составляющих: пропорциональной, дифференциальной и интегральной. Степень влияния каждой из них определяется своим коэффициентом — полосой пропорциональности, по стоянными времени дифференцирования и интегрирования. Перед началом работы регулятор необходимо настроить, подобрав эти коэффициенты. Это весьма трудо емкая операция, которая требует специ альных знаний по теории автоматического регулирования.

В современных приборах используются различные алгоритмы автонастройки, позволяющие автоматически определять коэффициенты ПИД регулятора. Однако, как правило, автонастройку можно проводить только во время наладки на специально подготовленном оборудова нии, т.к. в этом режиме возможны большие выбросы температуры, что может отрицательно повлиять на качество готовой продукции.

Особенно остро проблема подбора ко эффициентов стоит для объектов, параметры которых меняются в процессе работы в зависимости от технологической опера ции, например при изменении рабочей температуры печи или объема ее загрузки.

Рис. 2. Лицевая панель ТРМ101
Рис. 2. Лицевая панель ТРМ101

Разработчики ОВЕН применили новый способ автонастройки, разработанный совместно с сотрудниками МЭИ, который значительно повышает точность определения коэффициентов и применим для подавляющего большинства объектов. Его основное преимущество состоит в том, что в прибор заложено два алгорима: предварительной автонастройки и точной подстройки.

Предварительная автонастройка (подобная применяемой большинством производителей ПИД-регуляторов) является отдельным режимом работы прибора и осуществляется при наладке. В ходе этой настройки прибор вычисляет приближен ные значения коэффициентов ПИД-регулятора и заносит их в память. Тесты показали, что после предварительной автонастройки колебания температуры не превышали 2 °С.

Точную подстройку пользователь может использовать во время работы, например, после загрузки печи или установки другой рабочей температуры, когда параметры объекта меняются, и точность регулирования снижается. Для этого не обходимо задать допустимые границы отклонения температуры от уставки и запустить подстройку, не прерывая регулирования. Точность регулирования после подстройки составляет около 0,5 °С. Однако в ходе подстройки система совершает несколько колебаний в допустимых границах и только затем выходит на точное поддержание температуры.

Дополнительные параметры ПИД регулятора. Ограничения управляющего воздействия. Интегральное насыщение

Несмотря на универсальность метода ПИД регулирования существует ряд объектов, для которых необходима его корректировка.

Например, в системе парового отопления резкое изменение управляющего воздействия ПИД регулятора может привести к аварийной ситуации: при скачкообразном увеличении давления возможен разрыв трубопровода, а при полном за крытии задвижки — размораживание всей системы.

Рис. 3. Функциональная схема прибора
Рис. 3. Функциональная схема прибора

В ТРМ101 заложен ряд дополнительных параметров, позволяющих учесть особенности регулируемого объекта:

— ограничение скорости изменения управляющего сигнала, обеспечивающее плавное открытие клапана (рис. 4);
— ограничение минимальной выходной мощности, предотвращающее полное закрытие задвижки и обеспечивающее минимально безопасный уровень выходного сигнала регулятора для поддержания работоспособности системы (рис. 5);

— ограничение максимальной выходной мощности, применяющееся для плавного разогрева системы со слишком мощным нагревателем (рис. 5).

Специалистам известно, что при регулировании инерционных систем по ПИД закону, на этапе выхода на уставку возникает перерегулирование, в результате которого значение измеряемого параметра может превысить аварийный уровень (кривая II на рис. 6). Причина этого — длительное достижение температуры уставки и, следовательно, большое значение накопленной интегральной составляющей. Этот эффект называется интегральным насыщением. Полезное действие интегральной составляющей начинается в зоне, близкой к уставке. Поэтому для ограничения зоны действия интегральной составляющей в ТРМ101 введен специальный параметр (кривая I на рис. 6).

Управление исполнительными механизмами. Выходные устройства прибора

Для управления в ТРМ 101 использу ется ВУ1 — первое выходное устройство. В зависимости от его типа, прибор обес печивает управление любыми исполни тельными механизмами, требующими ключевого (вкл./выкл.) или аналогового регулирования: нагревателями, холодиль ными установками, задвижками и т.п.

К ключевым выходным устройствам относятся электромагнитное реле, тран зисторная оптопара и симисторная опто пара; к аналоговым — преобразователь ЦАП с токовым выходом 4…20 мА.

Ключевые выходные устройства могут управлять электромеханическим комму тационным устройствами (пускателями, реле) или полупроводниковыми элемен тами (твердотельными реле, симистора ми, тиристорами).

Аналоговый выход можно использо вать для подключения к электронным ре гуляторам мощности (например, к БУСТ, производства ОВЕН, рис. 7), частотным преобразователям, клапанам с токовым управлением и т. п.

Система управления, построенная на основе ТРМ101 с ключевым выходом, ре ализует ШИМ регулирование. Для изме нения уровня напряжения на нагрузке не обходимо использовать ТРМ101 с анало говым выходом и электронным регулято ром мощности.

Рис. 4. Ограничение скорости изменения управляющего сигнала по закону υогр=(Yогр.max-Yогр.min)/Δt
Рис. 4. Ограничение скорости изменения управляющего сигнала по закону υогр=(Yогр.max-Yогр.min)/Δt
Рис. 5. Ограничение минимальной и максимальной выходной мощности.
Рис. 5. Ограничение минимальной и максимальной выходной мощности.
Рис. 6. Эффект интегрального насыщения
Рис. 6. Эффект интегрального насыщения

Второе выходное устройство ВУ2 ис пользуется для сигнализации либо для ре гистрации. Устройство сигнализации под ключают к электромагнитному реле. Регистратор, в качестве которого чаще всего используются самописцы или платы АЦП, встроенные в персональный ком пьютер, подключают к ЦАП 4…20 мА. Модификации ТРМ101 и соответству ющие им выходные устройства приведе ны в табл. 2.

Таблица 2

Модификации

ВУ1

ВУ2

Тип устройства

Рекомендации к использованию

Тип устройства

Рекомендации к использованию

ТРМ101-Р.Р
ТРМ101-Р.И
ТРМ101-К.Р
ТРМ101-К.И
ТРМ101-С.Р
ТРМ101-С.И
ТРМ101-И.Р
ТРМ101-И.И

э/м реле
э/м реле
транзисторная оптопара
транзисторная оптопара
симисторная оптопара
симисторная оптопара
ЦАП с выходом 4...20 мА
ЦАП с выходом 4...20 мА

регулирование
регулирование
регулирование
регулирование
регулирование
регулирование
регулирование
регулирование

э/м реле
ЦАП с выходом 4...20 мА
э/м реле
ЦАП с выходом 4...20 мА
э/м реле
ЦАП с выходом 4...20 мА
э/м реле
ЦАП с выходом 4...20 мА

сигнализация
регистрация
сигнализация
регистрация
сигнализация
регистрация
сигнализация
регистрация

Сигнализация о процессе регулирования

В ТРМ101 реализовано два типа сиг нализации: о выходе параметра за задан ные пределы и об обрыве в цепи регули рования.

Рис. 7. Схема подключения к усилителю мощности ОВЕН БУСТ
Рис. 7. Схема подключения к усилителю мощности ОВЕН БУСТ

Для сигнализации о выходе регулируе мого параметра за заданные пределы в ТРМ101 используется реле (ВУ2), для ко торого в зависимости от системы регули рования пользователь может задать тип логики и порог срабатывания X.

В ТРМ101 заложено семь типов логи ки срабатывания реле (рис. 8):

1) измеренное значение превышает уставку регулятора на Х;
2) измеренное значение меньше устав ки регулятора на Х;
3) измеренное значение выходит за за данный диапазон;
4) измеренное значение находится в заданном диапазоне;

В некоторых системах при выходе на уставку может произойти ложное сраба тывание сигнализации. Чтобы это пре дотвратить можно задать логику реле с блокировкой первого срабатывания:

5) анал. п. 1 с блокировкой 1 го сраба тывания;
6) анал. п. 2 с блокировкой 1 го сраба тывания;
7) анал. п. 3 с блокировкой 1 го сраба тывания;

Диаграммы типов 5 — 7 совпадают с диаграммами типов 1, 2, 3.

Функция сигнализации об обрыве в цепи регулирования (в импортных анало гах она называется LBA) введена в регуля торы ОВЕН впервые. Ее действие основывается на том, что в слу чае обрыва в цепи регулиро вания при подаче управля ющего воздействия значе ние регулируемого парамет ра не меняется. Два параме тра — «время диагностики обрыва цепи» и «зона кон троля при обрыве цепи» обеспечивают работу сигна лизации об обрыве.

Рис. 8. Диаграммы срабатывания реле по типам логики 1-4; Х — порог срабатывания; D — зона возврата (гистерезис)
Рис. 8. Диаграммы срабатывания реле по типам логики 1-4; Х — порог срабатывания; D — зона возврата (гистерезис)

На рис. 9 приведен при мер срабатывания сигнали зации об обрыве. В точке А (рис. 9, а) нагреватель вышел из строя, и температура начинает уменьшаться. ПИД регулятор (рис. 9, б) увеличивает мощность выходного сигнала Y, контро лируя отклик системы. Поскольку рассо гласование между уставкой и текущим значением температуры продолжает рас ти, Y достигает 100 %. В момент достиже ния выходной мощности 100 % прибор включает отсчет времени диагностики об рыва цепи. Сигнализация об обрыве в це пи сработает, если за это время рассогла сование сократится на величину, мень шую "зоны контроля при обрыве в цепи", или увеличится (рис. 9, в).

Сигналы о выходе параметра за задан ные пределы и об обрыве цепи коммути руются через логическую схему "ИЛИ" на одно выходное устройство. Это означает, что если одна из них срабатывает, то вы ходное устройство включа ется.

Интерфейс RS 485

Для работы в сети в ТРМ101 имеется встроен ный интерфейс RS 485. Об мен данными ведется по протоколу ОВЕН, который обеспечивает прием и пере дачу любых программируе мых параметров прибора для регистрации, задания новых параметров регулирования, запуск и остановку регули рования и т.п. В качестве программного обеспечения можно использовать SCADA систему ОВЕН OPM или любое другое про граммное обеспечение при наличии специального драй вера.

Прибор можно подклю чать через преобразователь RS 485"RS 232 (например, ОВЕН АС3) к последовательному порту персонального компьютера для про граммного обеспечения программирова ния или регистрации данных.

Краткая справка

RS 485 поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 256 и передачу дан ных на расстояние до 1200 м. При исполь зовании повторителей количество под ключенных узлов и расстояние передачи может быть увеличено. Для соединения приборов применяется экранированная витая пара проводов, к которым предъяв ляются следующие требования: сечение не менее 0,2 мм2 и погонная емкость не более 60 пф/м.

Все приборы в сети соединяются в по следовательную шину (рис. 10). Для пре дотвращения влияния помех к клеммам приборов, находящихся на концах линии связи, подключаются с обоих концов согласующие резисторы Rсогл = 120 Ом. На промежуточных приборах в линии согласую щие резисторы не устанавливаются.

Дистанционное управление

Рис. 10. Схема подключения приборов в сети RS-485
Рис. 10. Схема подключения приборов в сети RS-485
Рис. 11. Фильтрация единичных помех
Рис. 11. Фильтрация единичных помех
Рис. 12. Сглаживание входного сигнала
Рис. 12. Сглаживание входного сигнала
Рис. 9. Пример обрыва в цепи регулирования: а — температурный график; б — зависимость выходного сигнала от времени; в — срабатывание сигнализации
Рис. 9. Пример обрыва в цепи регулирования: а — температурный график; б — зависимость выходного сигнала от времени; в — срабатывание сигнализации

Помимо управления по RS 485 в ТРМ101 существует воз можность дистанционного управления с помощью двух клю чей Кл1 и Кл2, подсоединенных к дополнительному входу ТРМ101 (вход 2 на рис. 3). Оператор, находящийся у пульта уп равления, может осуществлять запуск и остановку процесса регулирования ключом Кл1 или переходить на управление по интерфейсу RS 485 ключом Кл2. Команды, поступающие от ключей, имеют приоритет над управлением кнопками, что позволяет оператору контролировать процесс, находясь в уда лении от прибора.

Помехоустойчивость

ТРМ101 предназначен для промышленного использования, поэтому особое внимание при его создании было уделено поме хоустойчивости.

При работе в условиях промышленных помех сигнал с датчи ка может быть сильно зашумлен. Чтобы сократить их негативное влияние в прибор введен двухступенчатый цифровой фильтр: на первой ступени устраняются сильные единичные помехи (рис. 11), на второй — шумовые составляющие сигнала с помо щью экспоненциального сглаживания (рис. 12).

Импульсный источник питания обеспечивает устойчивую работу прибора при колебаниях напряжения питающей сети 85…265 В переменного тока частотой 50…60 Гц.

Послесловие

Мы надеемся, что наша новая разработка завоюет популяр ность среди пользователей и займет достойное место в современ ном мире промышленной автоматики. Отдел новых разработок ОВЕН будет ждать ваших отзывов о ТРМ101 по электронному адресу razrab@owen.ru и будет благодарен за информацию, осо бенно в период внедрения прибора.

Илья Новиков