Программа КИП и А

Android ⁄ Windows

Описание и работа ТРМ10

Введение

Настоящее Руководство по эксплуатации предназначено для ознакомления обслуживающего персонала с устройством, принципом действия, конструкцией, технической эксплуатацией и обслуживанием измерителя ПИД-регулятора микропроцессорного одноканального ТРМ10 с универсальным измерительным входом (в дальнейшем по тексту именуемого «прибор»).
Прибор выпускается согласно ТУ 4211-016-46526536-2005 и имеет сертификат соответствия ГОСТ-Р. Прибор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 32528.
Прибор соответствует ГОСТ 12997 и относится к изделиям государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. При этом, по устойчивости к электромагнитным воздействиям и по уровню излучаемых радиопомех прибор соответствует оборудованию класса А по ГОСТ 51522 (МЭК 61326-1).
Прибор обладает улучшенными по сравнению с предыдущей серией характеристиками:
- питание прибора от сети переменного тока напряжением 90...264 В (номинальное напряжение 220 В) частотой 47...63 Гц или сети постоянного тока напряжения 20...375 В (номинальное напряжение 24 В);
- высокая помехоустойчивость к электромагнитным воздействиям;
- увеличенный срок гарантии, гарантийный срок обслуживания составляет 5 лет;
- повышение универсальности прибора, позволяющее более гибко использовать приборы и уменьшить их номенклатуру за счет использования:
- универсального входа;
- встроенного источника напряжения 24 В для питания активных датчиков, выходных аналоговых устройств (ЦАП) или других низковольтных цепей АСУ;
- использование усовершенствованной математической модели ПИД-регулятора и автонастройки.
Приборы выпускаются класса точности 0,25; 0,5. Класс точности зависит от типа подключаемого внешнего датчика.
Прибор изготавливается в различных модификациях, отличающихся друг от друга конструктивным исполнением и типом встроенных выходных устройств. Информация о модификации прибора зашифрована в коде полного условного обозначения:

Условное обозначение ТРМ10

Конструктивное исполнение:
Щ11 - корпус щитового крепления с размерами 96х96х47 мм и степенью защиты со стороны передней панели IP54;
Габаритный чертеж корпуса прибора приведен в Приложении А.
У - универсальные измерительные входы.

Тип встроенного выходного устройства (ВУ):

Обозначение выхода	Тип выходного элемента	Технические параметры
Р	Контакты электромагнитного реле	Ток не более 4 А при напряжении не более 250 В (50 Гц)
К	Оптопара транзисторная n-p-n-типа	Постоянный ток не более 400 мА при напряжении не более 60 В
Т	Выход для управления внешним твердотельным реле	Выходное напряжение 4...6 В, постоянный ток не более 25 мА
С	Оптопара симисторная	Ток не более 50 мА при переменном напряжении не более 250 В (50 Гц)
С3	Три оптопары симисторные	Ток не более 50 мА (на каждую оптопару) при переменном напряжении не более 250 В (50 Гц)
И	ЦАП «параметр - ток»	Постоянный ток 4...20 мА на внешней нагрузке не более 1 кОм, напряжение питания 12...30 В
У	ЦАП «параметр - напряжение»	Постоянное напряжение 0...10 В на внешней нагрузке не менее 2 кОм, напряжение питания 16...30 В

Пример записи обозначения прибора в документации другой продукции, где он может быть применен:
Измеритель ПИД-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ10-Щ11.У.РК ТУ 4211-016-46526536-2005
Пример записи обозначения прибора при его заказе: ТРМ10-Щ11.У.РК При этом изготовлению и поставке подлежит измеритель ПИД-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ10 в корпусе щитового крепления. Тип встроенных выходных устройств - реле электромагнитное и транзисторная оптопара.

1 Назначение прибора

Измеритель ПИД-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ10 совместно с первичным преобразователем (датчиком) предназначен для измерения и регулирования температуры и других физических параметров, значение которых внешним датчиком может быть преобразовано в сигналы постоянного тока или напряжения.
Прибор может использоваться для измерения и регулирования технологических параметров в различных отраслях промышленности, в том числе подконтрольных Ростехнадзору, а также коммунального и сельского хозяйства.
Прибор позволяет осуществлять следующие функции:
- измерение температуры или других физических величин (давления, влажности, расхода, уровня и т.п.) в одной точке с помощью стандартного датчика, подключаемого к универсальному входу прибора;
- скоростные измерения (0,1 с) с использованием унифицированных датчиков тока или напряжения;
- регулирование измеряемой величины по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону;
- отображение текущего измерения на встроенном светодиодном цифровом индикаторе;
- автоматическое определение коэффициентов ПИД-регулятора (автонастройка);
- формирование управляющего воздействия на Выходе 1 с помощью выходного аналогового сигнала (при использовании в качестве выходного устройства цифроаналогового преобразователя (ЦАП)) или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (при использовании дискретного выходного устройства);
- формирование на Выходе 2 дополнительного сигнала управления по двухпозиционному закону или сигнала «Авария».

2 Технические характеристики и условия эксплуатации

2.1 Технические характеристики прибора

Основные технические характеристики прибора приведены в табл. 2.1-2.3.

Таблица 2.1 - Характеристики прибора

Наименование	Значение
Напряжение питания переменного тока постоянного тока	90...264 В (номинальное 220 В), 47...63 Гц 20...375 В (номинальное 24 В)
Потребляемая мощность, Вт, не более	5,5
Максимально допустимый ток встроенного источника питания, мА	80
Количество каналов	1
Время опроса входа (секунд, не более): - термометры сопротивления - термоэлектрические преобразователи - унифицированные сигналы постоянного напряжения и тока	0,8 0,4 0,1
Предел основной приведенной погрешности при измерении: - термоэлектрическими преобразователями, % - термометрами сопротивления и унифицированными сигналами постоянного напряжения и тока, %	±0,5 ±0,25
Степень защиты корпуса	IP54
Габаритные размеры прибора:	(96х96х47) ± 1
Масса прибора, кг, не более	0,5
Средний срок службы, лет	8

Таблица 2.2 - Используемые на входе сигналы постоянного тока и напряжения

Наименование	Диапазон измерений, %	Значение единицы младшего разряда, ед. изм.	Предел основной приведенной погрешности, %
Сигнал постоянного напряжения
-50...+50 мВ	0...100	0,1; 1,0	±0,25
Унифицированные сигналы по ГОСТ 26.011-80
0...1 В	0...100	0,1; 1,0	±0,25
0...5 мА	0...100	0,1; 1,0	±0,25
0...20 мА	0...100	0,1; 1,0	±0,25
4...20 мА	0...100	0,1; 1,0	±0,25
Примечание - Максимально возможный диапазон индикации от -999 до 9999. При индицируемых значениях выше 999,9 и ниже минус 199,9 цена единицы младшего разряда равна 1.

Таблица 2.3 – Используемые на входе первичные преобразователи (датчики)

Наименование	Диапазон измерений, °С	Значение единицы младшего разряда, °С²⁾	Предел основной приведенной погрешности, %
Термометры сопротивления по ГОСТ Р 8.625-2006 или термопреобразователи сопротивления по ГОСТ 6651-94^{3) 5)}
Cu 50 (а¹⁾ = 0,00426 °С^-1)	-50...+200	0,1	±0,25
50М (а = 0,00428 °С^-1)	-200...+200	0,1; 1,0
Pt 50 (а = 0,00385 °С^-1)	-200...+850	0,1; 1,0
50П (а = 0,00391 °С^-1)	-240...+1100	0,1; 1,0
Cu 100 (а = 0,00426 °С^-1)	-50...+200	0,1
100М (а = 0,00428 °С^-1)	-200...+200	0,1; 1,0
Pt 100 (а = 0,00385 °С^-1)	-200...+850	0,1; 1,0
100П (а = 0,00391 °С^-1)	-240...+1100	0,1; 1,0
Ni 100 (а = 0,00617 °С^-1)	-60...+180	0,1
Pt 500 (а = 0,00385 °С^-1)	-200...+850	0,1; 1,0
500П (а = 0,00391 °С^-1)	-250...+1100	0,1; 1,0
Cu 500 (а = 0,00426 °С^-1)	-50...+200	0,1
500М (а = 0,00428 °С^-1)	-200...+200	0,1; 1,0
Ni500 (а = 0,00617 °С^-1)	-60...+180	0,1
Cu 1000 (а = 0,00426 °С^-1)	-50...+200	0,1
1000М (а = 0,00428 °С^-1)	-200...+200	0,1; 1,0
Pt 1000 (а = 0,00385 °С^-1)	-200...+850	0,1; 1,0
1000П (а = 0,00391 °С^-1)	-250...+1100	0,1; 1,0
Ni 1000 (а=0,00617 °С-1)	-60...+180	0,1	±0,25
Термоэлектрические преобразователи по ГОСТ Р 8.585-2001
ТХК (L)	-200...+800	0,1; 1,0	±0,5 (±0,25)⁴⁾
ТЖК (J)	-200...+1200
ТНН (N)	-200...+1300
ТХА (К)	-200...+1360
ТПП (S)	-50...+1750
ТПП (R)	-50...+1750
ТПР (В)	+200.+1800
ТВР (А-1)	0...+2500
ТВР (А-2)	0...+1800
ТВР (А-3)	0...+1800
ТМК (Т)	-250...+400
Примечания 1) - Температурный коэффициент термометра сопротивления - отношение разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С (R0), деленное на 100 °С и округленное до пятого знака после запятой. 2) - При температуре выше 999,9 и ниже минус 199,9 °С цена единицы младшего разряда равна 1 °С. 3) - Допускается применение нестандартизованного медного термометра сопротивления с R0 = 53 Ом а = 0,00426 °С^-1) и диапазоном измерений от минус 50 до +180 °С. 4) - Основная приведенная погрешность без КХС. 5) - Приборы, работающие с термопреобразователями сопротивления с НСХ по ГОСТ 6651 предназначены для использования в странах СНГ

2.2 Условия эксплуатации прибора

По устойчивости к механическим воздействиям при эксплуатации прибор соответствует группе исполнения N2 по ГОСТ 12997-84.
По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации прибор соответствует группе исполнения В4 по ГОСТ 12997-84.
При этом прибор эксплуатируется при следующих условиях:
- закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов;
- температура окружающего воздуха от минус 20 до +50 °С;
- верхний предел относительной влажности воздуха - не более 80 % при +35 °С и более низких температурах без конденсации влаги;
- атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.
Примечание - Требования в части внешних воздействующих факторов являются обязательными, как относящиеся к требованиям безопасности.

3 Устройство и работа прибора

3.1 Принцип действия

Структурная схема прибора приведена на рисунке 3.1.

Структурная схема ТРМ10
Рисунок 3.1 – Структурная схема прибора

Прибор содержит канал универсального входа для подключения первичного преобразователя (датчика), блок обработки данных, четырехразрядный светодиодный цифровой индикатор и выходные устройства (ВУ), предназначенные для управления внешним оборудованием. Блок обработки данных включает в себя цифровой фильтр, вычислитель квадратного корня, ПИД-регулятор, устройство сравнения. ПИД-регулирование осуществляется посредством ВУ1. При необходимости дополнительного двухпозиционного регулирования или для организации аварийной сигнализации следует использовать устройство сравнения и связанное с ним ВУ2.
В зависимости от модификации прибора ВУ1 может быть дискретного или аналогового типа, ВУ2 - только дискретного типа (см. п. 3.2.5).
Внимание. В модификации ТРМ10-Х.С3 для подключения нагрузки используются оба выхода, поэтому устройство сравнения не задействовано.

3.1.1 Цифровая фильтрация и коррекция измерений

3.1.1.1 Цифровая фильтрация измерений
Для ослабления влияния внешних импульсных помех на эксплуатационные характеристики прибора в программу его работы введена цифровая фильтрация результатов измерений.
Фильтрация осуществляется в два этапа.
На первом этапе фильтрации из текущих измерений входных параметров отфильтровываются значения, имеющие явно выраженные «провалы» или «выбросы».
Для этого прибор вычисляет разность между результатами измерений входной величины, выполненных в двух последних циклах опроса, и сравнивает ее с заданным значением, называемым «полосой фильтра». Если вычисленная разность превышает заданный предел, то производится повторное измерение, полученный результат отбрасывается, а значение полосы фильтра удваивается. В случае подтверждения нового значения фильтр перестраивается (т.е. полоса фильтра уменьшается до исходной) на новое стабильное состояние измеряемой величины. Такой алгоритм позволяет защитить прибор от воздействия единичных импульсных и коммутационных помех, возникающих на производстве при работе силового оборудования.
Полоса фильтра задается в единицах измеряемой величины параметром b1-8 (см. приложение В).
Следует иметь в виду, что чем меньше значение полосы фильтра, тем лучше помехозащищенность измерительного канала, но при этом (из-за возможных повторных измерений) хуже реакция прибора на быстрое фактическое изменение входного параметра.
Поэтому при задании полосы фильтра следует учитывать максимальную скорость изменения контролируемой величины, а также установленную для используемого датчика периодичность опроса.
При необходимости фильтр может быть отключен установкой нулевого значения параметра b1-8.
На втором этапе фильтрации осуществляется сглаживание (демпфирование) сигнала с целью устранения шумовых составляющих.
Основной характеристикой сглаживающего фильтра является «постоянная времени фильтра» - интервал, в течение которого изменение выходного сигнала фильтра достигает 0,63 от изменения входного сигнала.
Постоянная времени фильтра задается в секундах параметром b1-9.
Следует помнить, что увеличение значения постоянной времени фильтра улучшает помехозащищенность канала измерения, но одновременно увеличивает его инерционность, т. е. реакция прибора на быстрые изменения входной величины замедляется.
При необходимости фильтр может быть отключен установкой нулевого значения параметра b1-9.
Временные диаграммы работы цифровых фильтров представлены на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Временные диаграммы работы цифрового фильтра: контролируемая температура (а), фильтры отключены (б), включен фильтр b1-8 (в), включены фильтры b1-8 и b1-9 (г)

3.1.1.2 Коррекция измерительной характеристики датчиков
Для устранения начальной погрешности преобразования входных сигналов и погрешностей, вносимых соединительными проводами, измеренные и отфильтрованные прибором значения могут быть откорректированы. Погрешности выявляются при проведении метрологических испытаний и устраняются путем ввода корректирующих значений. В приборе есть два типа коррекции, с помощью которых можно осуществлять сдвиг и изменение наклона измерительной характеристики.
Сдвиг характеристики осуществляется путем прибавления к измеренной величине значения, заданного параметром b1-1 (см. Приложение В). Значения сдвига характеристики датчика задаются в единицах измерения физической величины и служат для компенсации погрешностей, вносимых сопротивлениями подводящих проводов (при подключении термометров сопротивления по двухпроводной схеме), а также при отклонении у термометра сопротивления значения R0.
Пример сдвига измерительной характеристики графически представлен на рисунке 3.3, а.
Изменение наклона характеристики осуществляется путем умножения измеренной (и скорректированной «сдвигом», если эта коррекция необходима) величины на поправочный коэффициент β, значение которого задается параметром b1-2.
Данный вид коррекции используется, как правило, для компенсации погрешностей самих датчиков (например, при отклонении у термометров сопротивления параметра α от стандартного значения) или погрешностей, связанных с разбросом сопротивлений шунтирующих резисторов (при работе с преобразователями, выходным сигналом которых является ток).
Значение поправочного коэффициента β задается в безразмерных единицах в диапазоне от 0,900 до 1,100 и перед установкой может быть определено по формуле:

β = Пфакт / Пизм,

где
β - значение поправочного коэффициента, устанавливаемого параметром;
Пфакт - фактическое значение контролируемой входной величины;
Пизм - измеренное прибором значение той же величины.
Пример изменения наклона измерительной характеристики графически представлен на рисунке 3.3, б.

Рисунок 3.3 - Коррекция «сдвиг характеристики» (а) и «наклон характеристики» (б)

Определить необходимость введения поправочного коэффициента можно, измерив максимальное или близкое к нему значение параметра, где отклонение наклона измерительной характеристики наиболее заметно.
Внимание! Задание корректирующих значений, отличающихся от заводских установок (b1-1 = 0.0 и b1-2 = 1.000), изменяет стандартные метрологические характеристики прибора и должно производиться только в технически обоснованных случаях квалифицированными специалистами.

3.1.2 Вычисление квадратного корня с учетом настроек масштабирования

Для работы с унифицированными датчиками, сигнал которых пропорционален квадрату измеряемой величины (датчики расхода жидкости или газа), в приборах используется программный модуль вычислителя квадратного корня. Для включения/выключения вычислителя необходимо установить соответствующее значение параметра b1-3 (см. Приложение В).
Вычисление квадратного корня, с учетом настроек масштабирования, и последующая выдача сигнала на индикацию происходят по следующей формуле (3.2):

Формула 3-2

где:
Пн – заданное пользователем нижнее значение границы диапазона измерения b1-5(, b2-5);
Пв – заданное пользователем верхнее значение границы диапазона измерения b1-6(, b2-6);
Iх – значение сигнала с датчика в относительных единицах от 0,000 до 1,000.

3.1.3 Режим быстрого измерения

При использовании датчиков с унифицированным сигналом тока и напряжения возможна работа в режиме «быстрого измерения». Время измерения и реакции на изменение входного сигнала тока и напряжения этом случае составляет не более 0,1 секунды на канал.
Режим быстрого измерения включается и выключается установкой соответствующего значения параметра b0-5 - «Режим быстрого измерения».

3.2 Устройство прибора

3.2.1 Конструкция прибора

Прибор конструктивно выполнен в пластмассовом корпусе, предназначенном для щитового крепления. Эскиз корпусов с габаритными и установочными размерами приведен в приложении А.
На лицевой панели расположены клавиатура управления прибором, цифровой индикатор и светодиоды, на задней - клеммник для подсоединения внешних связей датчиков, исполнительных устройств и цепей питания.
Для установки прибора в щит в комплекте прилагаются крепежные элементы.
На рисунке 3.4 приведен внешний вид лицевой панели прибора.

Рисунок 3.4 – Лицевая панель прибора

На лицевой панели расположены элементы управления и индикации.
Четырехразрядный цифровой индикатор, предназначенный для отображения значений измеряемых величин и функциональных параметров прибора.
Восемь светодиодов красного свечения сигнализируют о различных режимах работы:
- светодиоды «К1» и «К2» сигнализируют о включении выходных устройств ПИД-регулятора (только для выхода дискретного типа) и устройства сравнения, соответственно;
- светодиоды «Т», «τи», «τд», «Хp», «С1» и «С2» засвечиваются в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ и сигнализируют о том, какой параметр выбран для редактирования (см. п. 6.3).
Кнопка [ПРОГ] предназначена для входа в режим ПРОГРАММИРОВАНИЕ, а также для записи новых установленных значений в энергонезависимую память прибора.
Кнопка «∧» предназначена для выбора программируемого параметра и увеличения его значения. При удержании кнопки скорость изменения возрастает.
Кнопка «∨» предназначена для выбора программируемого параметра и уменьшения его значения. При удержании кнопки скорость изменения возрастает.

3.2.2 Входные устройства

Входное измерительное устройство в приборе является универсальным, т.е. к нему можно подключать любые первичные преобразователи (датчики) из перечисленных в таблице 2.2. Ко входу прибора можно подключить одновременно один датчик.
В качестве датчиков могут быть использованы:
- термометры сопротивления;
- преобразователи термоэлектрические;
- активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного напряжения или тока.
Активные преобразователи с выходным аналоговым сигналом в виде постоянного напряжения (-50...50 мВ, 0...1 В) или тока (0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА) могут быть использованы для измерения как температуры, так и других физических величин: давления, расхода, уровня и т. п.
3.2.2.1 Подключение термометров сопротивления
Работа датчиков основана на температурной зависимости электрического сопротивления металлов. Датчик физически выполнен в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала, заключенной в защитную гильзу. Термометры сопротивления характеризуются двумя параметрами: R₀ - сопротивлением датчика при 0 °С и α - отношением разницы сопротивлений датчика, измеренных при температуре 100 и 0 °С, к его сопротивлению, измеренному при 0 °С (R0), деленным на 100 °С.
В приборах используется трехпроводная схема подключения термометров сопротивления. К одному из выводов терморезистора Rt подсоединяются два провода, а третий подключается к другому выводу Rt (рисунок 3.5, нумерация контактов приведена в приложении Б (рисунок Б.1)). Такая схема позволяет скомпенсировать сопротивление соединительных проводов. При этом необходимо соблюдать условие равенства сопротивлений всех трех проводов.

Рисунок 3.5

Термометры сопротивления могут подключаться к прибору с использованием двухпроводной линии, но при этом отсутствует компенсация при изменении сопротивления соединительных проводов. Поэтому будет наблюдаться некоторая зависимость показаний прибора от колебаний температуры проводов. В случае использования двухпроводной линии для компенсации паразитного сопротивления проводов необходимо при подготовке прибора к работе выполнить действия, указанные в приложении Г.
3.2.2.2 Подключение термоэлектрических преобразователей
Термоэлектрический преобразователь (термопара) состоит из двух соединенных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Соединенные концы, называемые «рабочим спаем», опускают в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключают ко входу прибора (рисунок 3.6, нумерация контактов приведена в Приложении Б (рисунок Б.1)). Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то термопара вырабатывает термоЭДС, которая и подается на измеритель.

Рисунок 3.6

Поскольку термоЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая» (ее свободных концов), чтобы скомпенсировать ее в дальнейших вычислениях.
В приборах предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчик температуры «холодного спая» установлен рядом с присоединительным клеммником.
Примечание - Для отключения компенсации «холодного спая» необходимо ввести код 100 (см. п. 6). Компенсация «холодного спая» будет вновь включена только при изменении кода датчика или новом включении прибора.
Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же самых материалов, что и термопара, при этом рекомендуется помещать провода в защитный экран (рисунок 3.7). Допускается также использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, которые в диапазоне температур 0...100 °С аналогичны характеристикам материалов электродов термопары. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность.
Внимание! При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Рисунок 3.7

3.2.2.3 Подключение датчиков, имеющих унифицированный выходной сигнал тока или напряжения
Многие датчики различных физических величин оснащены нормирующими измерительными преобразователями. Нормирующие преобразователи трансформируют сигналы с первичных преобразователей (термопар, термометров сопротивления, манометров, расходомеров и др.) в унифицированный сигнал постоянного тока. Величина этого тока лежит в следующих диапазонах: от 0 до 5, от 0 до 20, от 4 до 20 мА. Диапазон выходного тока нормирующего преобразователя пропорционален значению физической величины, измеряемой датчиком, и соответствует рабочему диапазону датчика, указанному в его технических характеристиках. В связи с тем, что прибор измеряет только входное напряжение, при подключении датчиков постоянного тока необходимо использовать входящее в комплектацию нагрузочное сопротивление Rн = 50,000 ± 0,025 Ом (см. рисунок 3.8 и Приложение Б).

Рисунок 3.8

При необходимости питания нормирующих преобразователей, использующих внешние источники питания постоянного тока, может применяться встроенный в прибор гальванически изолированный от питающей сети и измерительной части прибора источник 24 В.
Примечание - Максимальная нагрузочная способность встроенного источника питания составляет 80 мА.
Схема подключения к прибору источника универсального сигнала постоянного напряжения приведена в приложении Б (см. рисунок Б.12).

3.2.3 ПИД-регулятор

3.2.3.1 Общие сведения
ПИД-регулирование является наиболее точным и эффективным методом поддержания контролируемой величины на заданном уровне. На рисунке 3.9 приведена функциональная схема ПИД-регулятора.
Основное назначение регулятора - формирование управляющего сигнала Y, задающего выходную мощность исполнительного механизма (ИМ) и направленного на уменьшение рассогласования Е или отклонения текущего значения регулируемой величины Т от величины уставки Туст. В операторной форме формула ПИД-регулятора выглядит следующим образом:

Формула 3-3

Как следует из формулы, ПИД-регулятор состоит из трех основных частей: пропорциональной Кп, интегральной 1/рТи и дифференциальной рТд.

Рисунок 3.9 – Функциональная схема ПИД-регулятора

На практике, для формирования цифровых регуляторов используются разностные формулы, позволяющие работать не с непрерывным во времени сигналом, а с квантованным по времени. Таким образом, для расчета управляющего сигнала на выходе цифрового ПИД- регулятора используется формула:

Формула 3-4

где:
Xp – полоса пропорциональности;
Ei – рассогласование или разность между уставкой Туст и текущим значением измеренной величины Тi;
τд – дифференциальная постоянная;
ΔEi – разность между двумя соседними рассогласованиями Ei и Ei–1;
Δtизм – время между двумя соседними измерениями Ti и Ti–1;
τи – и нтегральная постоянная;
∑Ei – накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).
Пропорциональная составляющая зависит от рассогласования Ei и отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования.
Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования ∑EiΔtизм и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки.
Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения рассогласования ΔEi / Δtизм и позволяет улучшить качество переходного процесса.
Время между соседними измерениями Δtизм определяется временем опроса одного канала измерения.
3.2.3.2 Параметры настройки регулятора
Для эффективной работы необходимо для конкретного объекта управления подобрать коэффициенты ПИД-регулятора: Хр, τи и τд. Это возможно сделать вручную (см. приложение И) или использовать автонастройку (см. приложение Ж).
Внимание! В некоторых случаях ПИД-регулирование является избыточным или недопустимым. В таких случаях выставив коэффициент τи =0 или τд = 0 можно получить соответственно ПД- или ПИ-регулятор.
Для формирования корректного управляющего сигнала ПИД-регулятора необходимо задать тип исполнительного устройства: нагреватель или холодильник (параметр А1-4). Нагревателем условно называют устройство, при включении которого увеличивается значение измеряемого параметра. Холодильником называют устройство, при включении которого уменьшается значение измеряемого параметра.
Вид управляющего сигнала на выходе прибора зависит от типа выходного устройства (см. п. 3.2.5). Прибор выдает либо управляющий сигнал в виде постоянного тока или напряжения (для аналоговых ВУ), либо в виде ШИМ-сигнала (для дискретных ВУ). На рисунке 3.10 представлены виды управляющих сигналов для аналогового и дискретного выходов.

Рисунок 3.10 – Принцип управления в режиме «Нагреватель»

В отличие от аналогового выхода, у которого выходной сигнал непрерывен во времени, выходной сигнал дискретного ВУ преобразуется в последовательность импульсов (рисунок 3.12) согласно следующей формуле:

D = Tсл * (Y / 100%)

где:
D – длительность импульса, [с]
Тсл – период следования импульсов, [с]
Y – с игнал на выходе ПИД-регулятора, [%].

Рисунок 3.11

Период следования импульсов Тсл зависит от параметров пускового оборудования исполнительного механизма и задается параметром А1-5. Малое значение ТСЛ приводит к частым коммутациям и быстрому износу силовых контактов, а большое значение - к ухудшению качества регулирования.
В зависимости от встроенного дискретного ВУ, необходимо установить минимальную длительность импульса ШИМ, которая задается параметром А1-8.
Для исключения излишних срабатываний регулятора при небольшом значении рассогласования Ei для вычисления значений Yi используется уточненное значение Еp, вычисленное в соответствии с условиями:
- если |Ei| < Xd, то ЕР = 0;
- если Ei > Xd, то ЕР = Ei - Xd;
- если Ei < - Xd, то ЕР = Ei + Xd,
где Xd - зона чувствительности (рисунок 3.12).
Зона нечувствительности задается параметром А1-2.

Рисунок 3.12

В случае технологической необходимости ограничить максимальную мощность исполнительного механизма в приборе имеется возможность ограничения выходного управляющего воздействия. Например, если необходимо, чтобы мощность ИМ не превышала 80 %, то необходимо выставить соответствующее значение в параметре А1-3 (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13

Внимание! Перед настройкой регулятора необходимо задать период ШИМа (параметр А1-5, режим работы регулятора (параметр А1-6) и минимальную длительность импульса ШИМ (параметр А1-8))
Если после автоматической или ручной настройки переходная характеристика объекта отличается от идеальной, необходимо откорректировать заданные параметры регулирования согласно рисунку 3.14.

Рисунок 3.14

3.2.4 Устройство сравнения

Устройство сравнения предназначено для двухпозиционного регулирования или сигнализации о входе или выходе за установленные пределы измеряемой величины.
Устройство сравнения работает по одному из представленных на рисунке 3.15 типов логики.

Рисунок 3.15

- тип логики 1 (прямой гистерезис) применяется в случае использования прибора для управления работой нагревателя (например, ТЭНа).
При этом выходное устройство, подключенное к устройству сравнения, первоначально включается при значениях Т < С1, выключается при Т > С2 и вновь включается при Т < С1, осуществляя тем самым двухпозиционное регулирование в пределах (С2 - С1);
- тип логики 2 (обратный гистерезис) применяется в случае использования прибора для управления работой охладителя (например, вентилятора).
При этом выходное устройство первоначально включается при значениях Т > С2, а выключается при Т < С1;
- тип логики 3 (П-образная) применяется при использовании прибора для сигнализации о входе контролируемой величины в заданные границы.
При этом выходное устройство включается при С1 < Т < С2;
- тип логики 4 (U-образная) применяется при использовании прибора для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы.
При этом выходное устройство включается при Т > С2 и Т < С1.
Задание уставок устройства сравнения С1 и С2 проводится при программировании параметров регулирования прибора (см. п. 6.2).

3.2.5 Выходные устройства

Выходные устройства предназначены для передачи выходного управляющего сигнала на исполнительные механизмы.
Схемы подключения ВУ приведены в приложении Б.
ВУ могут быть двух типов: дискретные и аналоговые.
Внимание! Вне зависимости от типа, любое выходное устройство гальванически изолировано от измерительного блока (за исключением выхода Т).
Дискретное ВУ - электромагнитное реле, транзисторная оптопара, оптосимистор - используется для управления (включения/выключения) нагрузкой либо непосредственно, либо через более мощные управляющие элементы, такие как пускатели, твердотельные реле, тиристоры или симисторы.
- Электромагнитное реле (выход Р) предназначено для коммутации силовых цепей напряжением не более 250 В и рабочим током не более 4 А.
- Транзисторная оптопара (выход К) применяется, как правило, для управления низковольтным реле (не более 60 В при токе не более 400 мА). Во избежание выхода из строя транзистора из-за большого тока самоиндукции параллельно обмотке внешнего реле необходимо устанавливать диод VD1 (см. рис. Б.2).
- Транзисторный ключ (выход Т) предназначен для прямого подключения к прибору в качестве нагрузки твердотельного реле (выходное напряжение 4...6 В, постоянный ток не более 25 мА).
Внимание. Максимальная длина соединительного кабеля между прибором с выходом Т и твердотельным реле не должна превышать 3 м.
- Оптосимистор (выход С) имеет внутреннюю схему перехода через ноль и включается в цепь управления мощного симистора или пары встречно-параллельно включенных тиристоров через ограничивающий резистор R1 (см. рисунок Б.3). Величина сопротивления резистора определяет ток управления симистора. Нагрузочная способность выхода - ток не более 50 мА при переменном напряжении не более 250 В. Для предотвращения пробоя тиристоров из-за высоковольтных скачков напряжения в сети к их выводам рекомендуется подключать фильтрующую RC цепочку (R2C1).
- Три оптосимистора (выход С3) по рабочим параметрам аналогичны выходу С и предназначены для управления трехфазной нагрузкой (см. рисунок Б.5).
Аналоговое ВУ представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, позволяющий формировать аналоговый сигнал постоянного тока или напряжения.
Формирователь токового сигнала (выход И) преобразует выходное значение ПИД- регулятора в токовый сигнал 4...20 мА на активной нагрузке Rн (см. рисунок 3.16).

Рисунок 3.16

Для работы ВУ необходимо использовать внешний источник питания постоянного тока. Сопротивление нагрузки Rн зависит от напряжения источника питания Uп и выбирается из графика (см. рисунок 3.17). В том случае, если для измерения токового сигнала используется измерительный шунт Rи и его номинал меньше необходимого сопротивления нагрузки, то используется добавочный ограничивающий резистор Rогр, сопротивление которого вычисляется из соотношения:

Rогр = Rн – Rи

Типовые соотношения: Uп = 12 В, Rн = Rи = 100 Ом; Uп = 24 В, Rн = 700 Ом (Rи = 100 Ом, Rогр = 620 Ом).
Внимание!
1) Напряжение источника питания ЦАП не должно быть более 30 В. В качестве внешнего источника питания может быть использован встроенный в прибор источник 24 В.
2) Допускается применение резистора с величиной сопротивления, отличающейся от рассчитанной не более чем на ± 10%.

Рисунок 3.17 – График зависимости Rн(Uп)

Формирователь сигнала постоянного напряжения (выход У) преобразует значение на выходе ПИД-регулятора в сигнал напряжения 0...10 В. Сопротивление нагрузки Rн подключаемой к ЦАП, должно быть в диапазоне от 2 до 10 кОм.
Для питания выхода возможно использование встроенного источника питания 24 В
Внимание! Напряжение источника питания ЦАП не должно превышать 30 В.

< Назад

Содержание

Вперед >

П о л н а я в е р с и я