MED NETTRESSURS
Forord Forord Dette er en av to bøker om praktisk automatiseringsteknikk. Denne boken, automatiseringsteknikk 2, tar for seg praktisk reguleringsteknikk og systemforståelse. Bok 2, automatiseringsteknikk 1, dekker måle- nøyaktighet og kalibrering, måleteknikk for trykk, nivå, gjennomstrømning, temperatur, ph og gassanalyse. Både digitale og analoge måleteknikker behandles. Hovedmålet med denne boken er reguleringsteknikk og systemforståelse. Boken tar derfor for seg mange fagdisipliner. Eksempler på det er PID-regulering, dokumentasjon, pådragsorganer, omformere, prosessdata, grunnleggende om sikkerhet, og grunnleggende om vedlikeholdsteknikk. Målgruppen er studenter i teknisk fagskole, men boken er tilrettelagt for VG2 og VG3 automatisering i videregående skole. Det er laget en tilpasset nettressurs for hver studieretning. Både veiledninger, oppgaver, animasjoner, videofilmer og tekniske spesifikasjoner er tilpasset læreplanene for studieretningene. Læreboken passer også svært godt til selvstudium også for etter- og videreutdanning i industrien. Mer enn bare papirbok Til boken er det knyttet store digitale nettressurser. Video- og animasjonsfilmer Elektroniske tester Animasjoner Lenker til nettsteder Tekniske spesifikasjoner Dynamiske simulatorer Oppgaver med løsningsforslag DIGITAL NETTRESSURS PAPIRBASERTE LÆREBØKER Brukeren kan bruke boken og samtidig se konkretiserende animasjoner og videofilmer i nettressursen. Brukerens kunnskaper kan testes gjennom elektroniske tester. I oppgavesamlingen kan brukeren løse oppgaver og kontrollere svarene mot løsningsforslag. 2 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Forord Det er viktig at teoriene knyttes til praktisk anvendelse. Derfor har nettressursen tilrettelagte tekniske spesifikasjoner, for reguleringsteknisk utstyr. Dette er pdf-filer som kan lastes ned til brukerens datamaskin. Nettressursen har også lenker til anbefalte nettsteder som kan være utdypning til læringen. I boken er det symboler som henviser til digitale ressurser på nettsiden. Symbolene vises i tabellen. Symbol Forklaring PowerPoint til lærer/instruktør Symbolet viser at du kan studere animasjon i den digitale ressursen. Symbolet viser at du kan se videofilm i den digitale ressursen. Symbolet viser at du kan lese mer i tekniske spesifikasjoner. Alle tekniske spesifikasjoner kan lastes ned. Symbolet viser at du kan teste kunnskaper i den digitale ressursen. Dette er felles symbol for elektroniske tester og papirbaserte oppgaver. Papirbaserte oppgaver lastes ned som pdf-filer, sammen med løsningsforslag. Symbolet viser til regneark som kan lastes ned for bruk i oppgaver. Symbolet viser til at du kan se dynamiske simulatorer i den digitale ressursen. Til boken er det laget PowerPoint-serier for hvert kapittel i boken. PowerPoint-seriene inneholder illustrasjoner fra boken sammen med animasjoner i den digitale nettressursen. Dette er et unikt pedagogisk hjelpemiddel for lærer i undervisningen. Om forfatter Bjørnar Larsen har undervist automatiseringsfaget i skole og industri i en årrekke. Han har vært medlem i fagprøvenemder i 18 år og har skrevet mer enn 30 lærebøker for skole og industri. Forfatteren har også produsert elektroniske læremidler, elektronisk informasjonsverktøy og videofilmer. Arbeidet er utført for en lang rekke bedrifter og organisasjoner. Vi nevner Noretyl, Hydro Polymers, Herøya Industripark, YARA, NHO, Utdanningsdirektoratet, Industriskolen, Vett og Viten og Gyldendal. Forfatteren deltok i det Europeiske prosjektet CELEBRATE, der han produserte mer enn 60 animasjoner for realfaget. Hele 22 land deltok i CELEBRATE-prosjektet. Animasjonene til forfatteren har siden blitt en pedagogisk veiviser for utvikling av tilsvarende animasjoner, for bruk i elektroniske læremidler i inn og utland. Bjørnar Larsen 1. mars 2013 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 3
Innholdsfortegnelse Kapittel 1: Dokumentasjon...19 1.1 Dokumentasjonsstandarder - Hva er det?...20 1.1.1 Eksempeler på standarder...20 1.1.2 Eksempel på datablader...22 1.2 Eksempler på deler av anlegg som bør dokumenteres...22 1.3 Skjematyper...23 1.3.1 Blokkskjema (forkortet BS)...23 1.3.2 Prosesskjema (forkortet PS)...24 Instrumentert prosessflytskjema (forkortet TFS og P&ID)...27 1.4 Hvorfor brukes flytskjemaer?...27 1.4.1 Hvilke informasjon som kan leses av TFS-skjemaet... 27 1.5 Eksempler på tegneregler...28 1.5.1 Symboler...29 1.5.2 Nummerering av apparatur og utstyr...29 1.5.3 Merking av rørledninger...31 1.5.4 Eksempel på bokstavkoder for prosessmedier...32 1.5.5 Merking av trykk og diameter...34 1.5.6 Nummerering av manuelle ventiler, flenser med mer (rørarmaturer)...35 1.6 Instrumentering...35 1.7 Instrumentets plassering...36 1.8 Ventilposisjon ved luftsvikt...36 1.9 Typer måle- og styresignaler...37 1.10 Standardiserte bokstavforkortelser...38 1.10.1 Tilleggsfunksjoner...39 1.11 Sløyfetegning...40 1.12 Eksempel på dokumentasjon for oppkobling/montasje (engelsk Hook Up)...43 1.12.1 Montasje av en måleomformer i kasse...43 1.13 Grunnleggende om sikkerhet i anlegg...45 1.13.1 Hva er forrigling? Her er et enkelt eksempel...45 1.13.2 Forriglingsmatriser (FM)...46 1.13.3 Symboler som brukes i forriglingsmatriser...46 1.13.4 Eksempel på sikring av en reaktor...47 1.14 Alarmer...48 1.14.1 Klassifisering av alarmer...49 4 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Innholdsfortegnelse 1.14.2 Førstefeil...49 1.14.3 Forvarselsignaler...49 1.14.4 Alarmer kan også grupperes etter viktighet:...50 1.14.5 Eksempel på påkalling og presentasjon av alarmer... 50 Kapittel 2: Reguleringsventiler...55 2 Innledning...56 2.1 Reguleringsventilen i reguleringssløyfen...56 2.2 Sammenligning av elektrisk strømningskrets med en vannkrets... 57 2.3 Ulike arbeidsforhold...57 2.3.1 Reguleringsventil...58 2.3.2 Ventilen...58 2.3.3 Membranaktuatoren...59 2.4 Sylinderaktuator...60 2.5 Flere deler i ventilen...61 2.5.1 Pakkboksen...61 2.6 Krefter langs spindelen...62 2.7 Dobbeltseteventil...63 2.8 Treveisventil, også kalt blandeventil...64 2.8.1 Innledning...64 2.9 Ventiler med dreiebevegelse...65 2.9.1 Spjeldventil...65 2.10 Kuleventiler...67 2.10.1 Kulesegmentventil (VeeBall)...67 2.11 Kalottventil...68 2.12 Membranventil...68 2.13 Sluseventil...69 2.14 Ventilens kapasitetsindeks...69 2.14.1 Definisjon ev ventilens kv-verdi...70 2.14.2 Ventilens Cv-verdi...70 2.15 Ligning for gjennomstrømningen i en reguleringsventil...70 2.16 Ventilkarakteristikker...70 2.16.1 Vi skiller mellom tre hovedkarakteristikker...71 2.16.2 Hurtigåpnende karakteristikk...71 2.16.3 Likeprosentlig karakteristikk...72 2.16.4 Lineær karakteristikk...73 2.17 Installert karakteristikk...73 2.17.1 Andre forhold som bestemmer ventilvalg...75 2.18 Eksempel på ventildataskilt...75 2.19 Omformere til reguleringsventiler...77 2.20 Plate/dyse-element...77 2.21 Strøm- til luftomformer (I/P omformere)...78 2.21.1 I/P-omformer...79 2.21.2 Blokkskjema for en I/P-omformer...79 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 5
Innholdsfortegnelse 2.22 Ventilstiller (eng. positioner)...80 2.22.1 Blokkskjema for ventilstiller...80 2.23 Digitale ventilstillere...81 2.24 Elektriske forstillingsmekanismer (aktuatorer)...82 2.24.1 Styring av elektriske forstillingsmekanismer...82 2.25 Reduksjonsventil...83 2.25.1 Blokkskjema til reduksjonsventilen...84 Kapittel 3: Frekvensomformere...87 3 Innledning...88 3.1 Fordeler med trinnløs hastighetsregulering...89 3.1.1 Spare energi...89 3.1.2 Prosessoptimalisering...89 3.1.3 Skånsom maskindrift...89 3.1.4 Bedre arbeidsmiljø...89 3.1.5 Mindre vedlikehold...90 3.2 Teori om frekvensomformere...91 3.3 Elektromagnetisk stråling...92 3.4 Litt om EMC-direktivet...93 3.4.1 Hva omfatter EMC-direktivet?...94 3.5 CE-merking...94 3.6 Radiostøy...96 3.6.1 Terminering...96 3.6.2 Andre beskyttelser...97 3.7 Betjeningsenhet...97 Kapittel 4: Innledning til reguleringsteknikk...99 4.1 Manuell regulering av bilens hastighet...100 4.1.1 Belastning...101 4.1.2 Prosess...102 4.2 Eksempler...103 4.2.1 Regulering av væskenivå i en tank...103 4.3 Oppsummering...105 4.3.1 Åpen sløyfe...105 4.3.2 Lukket sløyfe...106 4.3.3 Pådragsorgan...106 4.3.4 Forstillingsenhet...106 4.3.5 Manuell regulering...106 4.3.6 Automatisk regulering...107 4.3.7 Reguleringsavvik...107 4.4 Test av en mekanisk regulator med animasjon...107 4.4.1 Regulerinssystemets virkemåte...107 4.4.2 Vi tester med animasjonen...108 6 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Innholdsfortegnelse 4.4.3 Test 1...108 4.4.4 Test 2...108 4.4.5 Test 3...108 Kapittel 5: Grunnleggende om PID-regulering...111 5.1 Innledning...112 5.1.1 Tre grunnleggende regulatortyper...112 5.2 Blokkskjema til PID-regulator...112 5.3 Installasjon av simulator...113 5.3.1 Innføring i bruk av simulatoren...113 5.4 Tre regulatortyper...114 5.4.1 P-regulator (proporsjonal regulator)...114 5.4.2 Test 1. Endre regulatorforsterkningen...115 5.4.3 Ligningen til P-regulator...116 5.4.4 Test 2. Endre ventilen Kv...117 5.5 Test 3. Endring av måleområde til LT...117 5.6 Test 4. Endring av pumpetrykk...120 5.7 Direkte og reversert regulator...121 5.7.1 Direkte regulator...122 5.7.2 Reversert regulator brukes i simulatoren...122 5.8 PI-regulator...122 5.9 Grafer til P- og I-bidraget...124 5.10 Test 3. Vi endrer I-tiden...125 5.11 Litt teori om I-forsterkeren...128 5.12 PI-regulatorens utgang når avviket er konstant...129 5.12.1 Definisjon av I-tid...129 5.12.2 Hva er tilnærmet beste I-tid i en reguleringssløyfe?... 129 5.12.3 Hva er sløyfens dødtid?...130 5.12.4 Vi måler sløyfens dødtid...130 5.12.5 Vi beregner I-tiden og tester reguleringen...131 5.12.6 Hva skjer dersom prosessens dødtid endrer seg?...132 5.13 Til slutt et tankeeksperiment med dødtid...133 5.14 PID-regulator...134 5.15 PID-regulator med simulatoren...134 5.15.1 Test 1. Først PI-regulator...135 5.15.2 D-forsterkeren demper svingninger...136 5.15.3 Hvor lang skal D-tiden være?...136 5.16 Oppsummering av hele kapittel 5...137 5.16.1 Hva er det viktigste i kapittel 1 til og med 5?...137 Kapittel 6: Regulatorjustering...141 6 Innledning...142 6.1 To optimaliseringsmetoder...143 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 7
Innholdsfortegnelse 6.1.1 Ziegler og Nichols 1. metode...143 6.1.2 Fremgangsmåte...143 6.1.3 Beregningsmetoder...144 6.1.4 Vi beregner regulatorparameterne...144 6.2 Ziegler og Nichols 2. metode...145 6.3 Ziegler og Nichols 2. metode...145 6.3.1 Du må måle tre parametere...145 6.3.2 Definisjon på tidskonstant...147 6.3.3 Ligningene til Ziegler og Nichols 2. metode...148 6.3.4 Beregning regulatorparametre til reguleringssløyfen... 148 6.3.5 Øvelse med simulator...149 6.3.6 Repetisjon med animasjoner...149 Kapittel 7: Videregående regulering...153 7 Kaskaderegulering (seriekoblede regulatorer)...154 7.1 Regulering av væskenivå...154 7.1.1 Endring i utstrømming...154 7.1.2 Endring i tilførsel...154 7.1.3 Vi bygger en strømningsregulering...154 7.1.4 Vi bygger sammen to reguleringssløyfer...155 7.1.5 Forklaring til kaskadereguleringen...156 7.2 Test av reguleringssløyfer i varmeveksler...156 7.2.1 Forberedelse...156 7.2.2 Enkeltsløyferegulering med varmeveksler...156 7.2.3 Test med konstantregulering...157 7.2.4 Kaskaderegulering av varmeveksleren...158 7.2.5 Simulatorforsøk med Kaskaderegulering...160 7.2.6 Parameterstyring av varmeveksler...160 7.2.8 Simulatorforsøk med parameterstyring...162 7.3 Forholdsregulering...163 7.4 Foroverkopling (eng. Feed Forward)...164 7.4.1 Innledning...164 7.5 Eksempler på bruk av foroverkobling...165 7.5.1 Stripping - hva er det?...165 7.5.2 Stripping av gass fra råolje...165 7.5.3 Prinsipielt eksempel fra å kjøre bil...166 7.5.4 Eksempel fra klimaanlegg...166 7.6 Forholdsregulering i blande- og krystalliseringsprosess...167 7.7 Delt områderegulering (Split Range Control)...169 7.7.1 Eksempel...170 Kapittel 8: Prosessdatasystemer...173 8 Litt om datanettverk...174 8 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Innholdsfortegnelse 8.1 Nettverk seriell punkt-til-punkt...174 8.2 Stjernenett...174 8.3 Ringnett...175 8.4 Bussnett...175 8.5 Kombinerte datanettverk...176 8.6 Repeater (forsterker)...177 8.7 Multiplekser...177 8.8 Programmerbare regulatorer...178 8.9 Prinsipielt om programmering av en digital regulator...178 8.9.1 Eksempel 1...179 8.9.2 Eksempel 2...180 8.9.3 Eksempel 3...180 8.10 PC overordnet regulatorer...181 8.11 Distribuerte kontrollsystemer...182 8.11.1 Innledning...182 8.11.2 Prinsipper om distribuerte kontrollsystemer...182 8.11.3 Eksempel på distribuert kontrollsystem...184 8.12 Feltbuss (eng. Fieldbus Control System)...184 8.12.1 Signalkabel for feltbuss...185 8.13 Noen feltbusstandarder...186 8.14 Fordeler med bruk av feltbuss i nye anlegg...187 8.15 Kostnadsbesparelser ved bruk av feltbuss...187 8.15.1 Under konstruksjon og installasjon...187 8.15.2 Under uttesting...188 8.15.3 I produksjonsfasen...188 8.16 Eksempel på et styresystem...188 8.17 Eksempel på anlegg med feltbuss...189 8.18 Eksempler på enkel konfigurering i et datasystem...190 8.19 Programeksempel 1...191 8.20 Programeksempel 2...191 8.20.1 Anti Reset Windup...192 8.20.2 Forsøk med regulator uten Anti Reset Windup...193 8.20.3 Hva gjør Anti Reset Windup?...193 8.21 Prosessautomatisering for bedriftens totale verdiskaping... 194 8.21.1 Integrerte programpakker...194 8.22 Trådløse løsninger...195 8.23 Eksempel på nytt instrument som monteres i trådløst nettverk... 195 8.24 Elektronisk krysskobling (eng. Electronic Marshalling)...195 8.25 Elektronisk krysskobling...196 8.26 Litt om mann-maskin-kommunikasjon...198 Kapittel 9: Klimaanlegg...201 9 Innledning...202 9.1 Prosessutstyr i klimaanlegg...202 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 9
Innholdsfortegnelse 9.1.1 Innledning...202 9.2 Det viktigste prosessutsyret...202 9.2.1 Vifte...203 9.2.2 Spjeld...203 9.2.3 Varmevekslere...204 9.2.4 Reguleringen av varme- og kjølebatteriene...204 9.2.5 Filtre...206 9.3 Varmegjenvinnere...207 9.3.1 Innledning...207 9.3.2 Roterende varmegjenvinner...207 9.3.3 Luft til væskegjenvinner...209 9.4 Ventilasjonsaggregat...210 9.5 Regulering av klimaanlegg...210 9.5.1 Regulere små luftmengder...210 9.6 Regulere store luftmengder...211 9.7 Eksempel på regulering og styring av et ventilasjonsanlegg... 212 9.7.1 Symbolskjema for anlegget...212 9.7.2 Funksjonsbeskrivelser...214 9.7.3 Reguleringen...214 9.7.4 Utekompensering (foroverkobling)...215 9.7.5 Minimumsbegrensning...215 9.7.6 Litt om styring og sikkerhet...215 9.7.7 Oppstart...216 9.7.8 Stopp...216 9.8 Regulering av elektrisk varmebatteri (varmeveksler)...216 9.9 Litt om varmepumper...217 9.9.1 Innledning...217 9.9.2 Et kjøleskap har en varmepumpe...217 9.10 Varmepumpens virkemåte...218 9.10.1 Varmepumpe koblet sammen med ventilasjonsaggregat. 219 Kapittel 10: Datastyrte verktøymaskiner og roboter...223 10 Verktøymaskiner...224 10.1 Hva er en CNC-styrt maskin?...224 10.1.1 Hva kjennetegner en CNC-styrt maskin?...224 10.1.2 Maskineksempel...225 10.2 Koordinatsystemet...226 10.2.1 Orientering om aksene...227 10.2.2 Nullpunkter...228 10.2.3 Programmerte nullpunkter...229 10.3 Reguleringsprinsipp...229 10.4 Enkodere...230 10.4.1 Inkrementell giver...230 10.4.1.1 Prinsipiell virkemåte...230 10 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Innholdsfortegnelse 10.4.2 Absoluttgivere...232 10.5 Glasstaver...233 10.6 Servomotor...234 10.6.1 Egenskaper til servomotor...234 10.7 Kulemutterskrue...235 10.7.1 Kulemutterskruens virkemåte...235 10.8 Litt om programmerbare styringer (PLS) i CNC-styrte maskiner... 236 10.8.1 Eksempel på nødstopp...236 10.9 Maskinens betjeningspanel...237 10.9.1 Styringens hovedmodus...238 10.10 Bearbeidingsprogrammer...238 10.10.1 Litt om programmeringsmetoder...238 10.10.2 Manuell programmering...238 10.10.3 Programeksempel for manuell programmering...240 10.11 Dialogbasert programmering...240 10.11.1 Maskinerings meny...241 10.11.2 Kontur meny...241 10.11.3 Simulering...242 10.12 Datastøttet programmering CAD/CAM...242 10.13 CNC-maskin koblet inn i datanettverk...243 10.14 Verktøy...244 10.14.1 Verktøyholdere...244 10.14.2 Verktøydata. Forinnstilling av verktøy...245 10.15 Industriroboter...246 10.15.1 Innledning...246 10.16 Robotens prinsipielle oppbygging...246 10.16.1 Robotene kan deles opp i to typer...247 10.16.2 Robotens ledd og akser...247 10.17 Prinsipielt om styresystem...248 10.18 Eksempel på robotens gripemekanismer...249 10.18.1 Gripetenger...249 10.18.2 Sugekopper...249 10.18.3 Gripemekanismer for å velge verktøy...250 10.19 Prinsipper for programmeringsmetoder...250 10.19.1 Led- og læreprogrammering...250 10.19.2 Jogg og læreprogrammering...251 10.19.3 Eksempel på multifunksjonspaneler...251 10.19.4 Ekstern programmering...251 10.20 Noen forkortelser som brukes ofte...252 Kapittel 11: Sikkerhet...255 11 Målsetning med sikkerhet...256 11.1 Sikkerhet omfatter to områder:...256 11.1.1 Arbeide på tre forskjellige nivåer...257 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 11
Innholdsfortegnelse 11.2 Sikring av verktøy i høyden...257 11.3 Sikkerhetsbarrierer...257 11.3.1 Eksempel på sikkerhetsbarrierer...257 11.3.2 Sikker jobbanalyse (SJA)...258 11.4 Hva koster en ulykke?...259 11.5 Eksempel på HMS-verktøy...260 11.5.1 Fire viktige punkter til ettertanke...260 11.6 Litt om løsemiddler...262 11.6.1 Eksempel på løsemidler...263 11.7 Toksikologi...263 11.7.1 Opptak i kroppen...263 11.8 Giftig stoff...263 11.8.1 Klassifisering...263 11.8.2 Litt om luftveier og lunger...264 11.9 Eksempler på produkter med løsemidler...264 11.10 Slik tas løsemidlene opp i kroppen...264 11.10.1 Innånding...264 11.10.2 Opptak gjennom huden...265 11.11 Hvordan løsemidlene skader kroppen...265 11.11.1 Skader på hjernen og nervesystemet...265 11.11.2 Øynene...266 11.11.3 Blod og hjerte...266 11.11.4 Nyrene og leveren...266 11.11.5 Skader i huden...266 11.12 Litt om sikkerhet i elektriske anlegg...267 11.12.1 Verktøy og verneutstyr...267 11.12.2 Litt om verktøy og verneutstyr ved arbeid AUS...267 11.12.3 Isolerende hansker...268 11.12.4 Hjelm...269 11.13 Litt om håndverktøy...269 11.13.1 Håndtaksisolert verktøy:...270 11.13.2 Bruksisolert verktøy:...270 11.13.3 Fullisolert verktøy:...270 11.14 Isolerende gulvmatter og avskjermingsduker...270 11.15 Lysbueskader...271 11.16 Litt om måleinstrumenter...271 11.16.1 Innledning...271 11.17 Spenningsmåling på ulineære nett...272 11.17.1 Instrumentkategorier...273 11.18 Tilleggsutstyr...274 11.18.1 Jord og kortsluttnings sikre spenningstestere...274 Kapittel 12: Vedlikeholdssystemer...277 12 Innføring om vedlikehold...278 12 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
Innholdsfortegnelse 12.1 Eksempel på vedlikehold i hverdagen...278 12.2 Vedlikehold i industri...278 12.2.1 Vedlikehold er nødvendig for å...278 12.2.2 Vedlikeholdet må være en nødvendig del av driften...278 12.2.3 Arbeid systematisk og effektivt...279 12.3 Miljø...279 12.3.1 Vedlikehold og ytre miljø...280 12.3.2 Vedlikehold og indre miljø...280 12.4 Vedlikehold og sikkerhet...280 12.4.1 Vedlikehold og effektivitet...281 12.4.2 Vedlikehold og kvalitet...281 12.5 Tilgjengelighet...281 12.6 Vedlikeholdssirkelen...281 12.7 Tre vedlikeholdskriterier...282 12.7.1 Normalt vedlikehold...282 12.7.2 Periodisk vedlikehold (eng: Scheduled maintenance)... 283 12.7.3 Tilstandstyrt vedlikehold (eng: Condition based maintenance)...283 12.7.4 Korrektivt vedlikehold (eng: Corrective Maintenance)... 283 12.7.5 Overvåking...284 12.7.6 Inspeksjon...284 12.7.7 Tilstandskontroll...284 12.7.8 Driftskontroll...285 12.7.9 Pålitelighet...285 12.8 Samarbeidssyklusen...286 12.9 Generelt om vedlikeholdssystemer...287 12.10 Eksempel på administrasjon av vedlikeholdet...288 12.10.1 Registrert informasjon...288 12.10.2 Eksempel...288 12.10.3 Prinsipielt blokkskjema for et vedlikeholdsarbeid... 289 12.11 Eksempel fra et vedlikeholdssystem...290 12.11.1 Innledning...290 12.12 Kalibrering...290 12.12.1 Manuell kalibreringsprosedyre...291 12.12.2 Automatisert kalibrering...291 12.12.3 Orientering om automatisk kalibrering (drag and drop)... 293 12.12.4 Analoge instrumenter...295 12.12.5 Online kalibrering av reguleringsventiler...295 Kilder...296 Tillegg...297 Stikkordregister...298 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 13
Kapittel 1 1.1 Dokumentasjonsstandarder - Hva er det? Dokumentasjon til alle typer anlegg lages etter dokumentasjonsstandarder. Standarder finnes innenfor mange områder. Standardene brukes i mange ulike situasjoner i et moderne samfunn. De omgir oss i hverdagen uten at vi tenker over det eller behøver å tenke over det. Standarder er felles goder som bidrar til systematisering både i næringslivet og i samfunnet som helhet. De effektiviserer og forenkler. Uten standarder ville samfunnet gått i stå. Det er vanskelig å se for seg et samfunn der skruer og mutre ikke lenger passer sammen. Eller om det hadde vært flere måter å skru i en lyspære på? En standard utarbeides etter initiativ fra interessegrupper. En standard gir retningslinjer for hvilke krav som skal settes til varer og tjenester. En standard regulerer hvordan prøving, sertifisering og akkreditering skal gjennomføres. Akkreditering er en frivillig ordning organisasjoner gjennomfører for å bevise sin kompetanse overfor kunder, myndighetskrav eller seg selv. Akkreditering har de senere år blitt brukt innen EU-systemet til kontroll av kompetanse og gjennomføringsevne. En standard er et forslag til valg av løsning. En standard bidrar til utvikling av formålstjenlige og sikre produkter, produksjonsprosesser og tjenester. Noen standarder kan brukes frivillig. En standard gir mer detaljerte beskrivelser til EU-direktiver, nasjonale lover og forskrifter. 1.1.1 Eksempeler på standarder Dokumentasjon til anlegg lages ut fra en eller flere nasjonale og internasjonale standarder. Bedriftene har i tillegg ofte sin egen standard som er bygd opp rundt en eller flere nasjonale og internasjonale standarder. Dette gjelder alle fag, også automatiseringsfag. Tabell 1 viser eksempler på standardiseringsorganisasjoner. Standard Logo Forklaring ISO ISA ANSI International Organization for Standardization International Federation of National Standardization Associations American National Standard Institute DIN Deutches Institut fűr Normung Tabell 1 NORSOK Norsk Standard 14 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Reguleringsventiler 2.4 Sylinderaktuator Start animasjonen Sylinderaktuator. Studer virkemåten til sylinderaktuatoren. Figur 8 viser tegning av en dobbeltvirkende sylinderaktuator. I figur 8 til venstre er sylinderen i nederste posisjon. Til høyre i øverste posisjon. Figur 8 Som figur 8 viser har ikke en dobbeltvirkende sylinderaktuatoren returfjær. Sylinderaktuatoren kalles derfor for dobbeltvirkende. Når stempelet skal flyttes, øker trykket på den ene siden og senkes på den andre siden. Som du ser kan du styre stempelet til den posisjonen du ønsker. Det vil si det samme som å styre ventilpluggen til en vilkårlig posisjon. Sylinderaktuatoren har større skyvekraft enn membranmotoren, fordi den bruker større styretrykk. Eksempel på styretrykk er fra 10 bar til flere hundre bar. Eksempel: Figur 9 viser en enkeltvirkende sylinder. Den er enkeltvirkende fordi den har fjærretur. Kraften fra sylinderen virker mot fjærkraften. Figur 9 Eksempel: Beregn skyvekraften til sylinderen når styretrykket er 10 bar og sylinderen er sirkulær, med diameteren 20cm. Løsning: Sylinderens areal er: A = πr 2 = 3,14 0,1 2 = 0,0314m 2 Kraften fra sylinderen blir: F = p A = 1000000(N) 0,0314(m 2 ) = 31400Nm 2. Omgjort til kg blir det: 31400N/9,81m/s2 = 3200,8 kg eller 3,2tonn. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 15
Kapittel 2 2.5 Flere deler i ventilen Vi skal nå sette navn på flere deler i ventilen. Figur 10 viser en seteventil, med flere navn på deler i ventilen. 1. Ventilhuset 2. Plugg 3. Sete 4. Pakkboks med pakninger, fjær, pakkboksstrammer og stempel 5. Ventilspindel Figur 10. Seteventil. 2.5.1 Pakkboksen Mediet strømmer inn i ventilhusets innløp, videre gjennom den justerbare åpningen mellom plugg og sete og videre ut utløpet. Start videofi lmen Seteventil_med_hysterese. Studer oppbygning og virkemåte. For å hindre at mediet slipper ut langs spindelen går spindelen gjennom en pakkboks. Spindelen beveger seg i pakkboksen, som da slites over tid. Derfor er den konstruert slik at den kan strammes. Dette gjøres med muttere på toppen av pakkboksstemplet. På undersiden av pakningene er det her en fjær. Fjæren sørger for at strammingen av pakkboksen ikke blir for hard. For hard stramming kan forårsake beveger seg «hakkete». Dette kalles for hysterese. I verste tilfelle kan spindelen bli sittende helt fast med for hardt strammet pakkboks. Start animasjonen Seteventil_med_hysterese. Test virkningen av hysterese i pakkboksen. Figur 11. Pakkboks. 16 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Reguleringsventiler 2.6 Krefter langs spindelen Figur 12 viser de kreftene som virker langs spindelen når reguleringsventilen er i drift. Fjærkraften virker nedover langs spindelen. Motsatt fjærkraften virker membrankraften. Figur 12. Krefter langs spindelen når reguleringsventilen er i drift. Start animasjonen Seteventil_med_hysterese. Bruk animasjonen til å repetere krefter som virker lengs spindelen når reguleringsventilen er i drift. Når kraften fra membranen er like stor som fjærkraften, balanserer kreftene mot hverandre. Det kalles for kraft/ balanseprinsippet. Eksempel på styresignal, p, er 0,2 1bar. Når styretrykket er 0,2bar er reguleringsventilen lukket. Når styretrykket er 1bar, er reguleringsventilen helt åpen. Arealet til membranen og trykket, p, bestemmer hvor stor membrankraften skal være. Membrankraften er gitt ved F M = p A M. Vi leser dette slik: Kraften fra membranen er lik styretrykket, p, multiplisert med membranens areal A M. Man kan bruke aktuator som er laget for høyere styretrykk. Da kan vi bruke mindre aktuator. Pakningene som klemmer om spindelen er årsak til friksjonen mellom pakningens flater og spindelens flater. Friksjonen virker begge veier. Plugg og sete er til sammen en regulerbar strømningsmotstand. Vi får et trykkfall over plugg og sete. Da er trykket p 1 større enn p 2. Differanse- trykket over pluggen, Δp = p 1 p 2, driver mediestrømmen gjennom ventilen. Siden trykket p 1 er større enn trykket p 2 virker det en kraft oppover langs spindelen fra pluggen. Denne kraften er lik: F pro = (p 1 - p 2 ) A plugg Her er A plugg lik pluggens areal. Dersom ventilen skal klare å lukke mot prosessmediet, må fjærkraften være så stor at den overvinner F pro = (p 1 -p 2 ) A plugg og friksjonskraften fra pakkboksen. Dersom prosesstrykket er stort og pluggens areal er stor, blir F pro stor. Det krever det stort areal på aktuatorens membran for at Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 17
Kapittel 2 membrankraften F M = p A M skal bli tilsvarende stor. Styretrykket, p, kan også økes for å veie opp mot stort prosesstrykk og dermed stor F pro. Start videofi lmen Ventilvandring. Åpne databladet til Fisher Easy-e regvent. I databladet skal se på det som er merket med gult: 1. Trykklasser og størrelser på ventiler 2. Ventiltyper 3. Aktuatorer 4. Pakkbokser og pakninger 5. Type trim (plugg og sete) Gjennomfør elektronisk test 1. Husk at innholdet i datablader/spesifikasjoner ikke er «puggestoff». Utstyrspesifikasjoner er oppslagsverk som du må lære å bruke. Da må du først og fremst vite hva du søker etter. Vi kan si det slik: 1. Lære det grunnleggende om reguleringsventiler utenat. 2. Bli flink til å bruke utstyrsspesifikasjoner. 2.7 Dobbeltseteventil Figur 13 viser en dobbeltseteventil. Figur 13. Dobbeltseteventil. En dobbeltseteventil har dobbelt sett med plugg og sete. Mediet strømmer opp mellom den ene pluggen og setet og ned mellom den andre pluggen og setet. Kraften fra prosesstrykket,f pro = (p 1 -p 2 ) A plugg, De to kreftene virker motsatt vei. Kreftene F opp og F ned, utligner hverandre. Dobbeltseteventilen kalles derfor ofte for en balansert ventil. På grunn av at de to kreftene F opp og F ned er omtrent like store, trenger ventilen mindre innstillingskraft enn enkeltseteventilen med tilsvarende størrelse og samme prosesstrykk. Risikoen for lekkasje mellom plugg og sete, i stengt posisjon, er større enn hos enkeltseteventilen. Årsaken til det er at det er vanskelig å få begge pluggene til å treffe setene helt likt. Figur 14 viser en dobbeltseteventil installert i anlegg. Bildet er laget slik at du tilsynelatende kan se inn i ventilhuset. 18 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Grunnleggende om PID-regulering Vi skal teste reguleringssløyfens reguleringsevne når vi forandrer I-tiden. Vi skal teste reguleringen med I-tidene: a) 1 minutt b) 0,3 minutt c) 0,04 minutt a) I-tid lik 1 minutt: Skal-verdien skal flyttes fra 50% til 55%. Trykk på I slik at I-tiden og grafen for I-vises. Avviket fjernes sakte. Frys grafbildet når avviket er lik 0, som vist i figur 16. Figur 16 Skaler y-aksen til laveste verdi på om lag 40% og høyeste verdi til 60%. Da får du et forstørret bilde av amplituden. Er-verdien kommer sakte tilbake til skal-verdien etter en endring i skalverdien fra 50% til 55%. I dette eksemplet går det med ca. 384s før avviket er fjernet. For denne prosessen er denne i-tiden for lang. Reguleringen er stabil, men treg. Vi kan oppsummere det slik: I-forsterkeren øker pådraget over tid. I dette eksemplet åpnes reguleringsventilen over tid helt til avviket er lik null. Tips: Tiden måles mellom markør 1 og markør 2. Ruten for markør 1 og ruten for markør 2 viser her verdien til PV fordi vi i ruten Graph har valgt å måle på PV. Du kan måle på alle grafene. Test dette! b) I-tid lik 0,3 minutt: I-tiden er nå kortere enn i forsøk a. Figur 17 viser at avviket fjernes raskere etter en endring i skal-verdien, fra 50% til 55%. Reguleringen er rask og stabil. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 19
Kapittel 5 Figur 17 Figur 17 viser tekstet kopi av skjermbildet fra forsøket. Test at du får om lag samme resultat. Konklusjon: Med kortere I-tid fjernes avviket raskere. c) I-tid lik 0,04 minutt: Figur 18 viser at reguleringen blir ustabil. Vi har store og økende svingninger i er-verdien. Start animasjonen PI-regulering. Kjør animasjonen og tenk igjennom teorien om PI-regulering. Figur 18 Gjennomfør elektronisk test 3. Test at du får om lag samme resultat. Legg merke til at I-bidraget hele tiden er foran er-verdien i tid. Dette vises med ΔT i figuren. Pådraget er nå hele tiden foran den målte prosessverdien. Dette fører til ustabil regulering. Konklusjon: PI-regulator fjerner avvik over tid. Det er I-forsterkeren som fjerner siste rest av avviket. Kortere I-tid fjerner avviket raskere. test 3. Dersom I-virkningen gjøres for kort, blir reguleringssløyfen ustabil. Er-verdien svinger da rundt skal-verdien. Utfør simulatorforsøket om PI-regulering. 20 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Videregående regulering Figur 3 7.1.5 Forklaring til kaskadereguleringen LIC og FIC er koblet i serie, fordi LIC sin utgang sendes til FIC sin inngang der den blir skal-verdi for FIC. Si at q ut øker eller minker, da endres væskenivået i tanken. LIC mottar da ny er-verdi og LIC får et avvik. Dette avviket bruker LIC til å endre sin regulatorutgang og skal-verdien til FIC endres. Da endrer FIC åpningen. Gjennomstrømningen q inn ventil- endres og avvik i væskenivået fjernes. Endringer i q inn reguleres med FIC som vi tidligere har gjennomgått. 7.2 Test av reguleringssløyfer i varmeveksler 7.2.1 Forberedelse På nettressursen finner du driveren LVRTE2010_SP1f5std. Det er driveren til simulatorprogrammet. Last ned driveren og installer den på din datamaskin. På nettressursen laster du ned den zippede (komprimerte) filen Simulator_varmeveklser. Pakk ut den zippede filen. Du skal nå se filene Varmeveksler, Veiledning til simulator og flere forsøk til simulatoren. Lagre alle filene på din datamaskin. Dobbeltklikk den utpakkede simulatorfilen. Simulatoren skal nå starte. Åpne brukerveiledningen til varmeveksleren. Med simulatoren i drift gjennomgår du brukerveiledningen, for å bli kjent med simulatoren. 7.2.2 Enkeltsløyferegulering med varmeveksler inn Du skal nå teste avviksendringer i produkttemperaturen (Tp) med konstantregulering (single loop) og med kaskaderegulering. Til slutt skal du sammenligne maksimale avvik i de to reguleringene. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 21
Kapittel 7 7.2.3 Test med konstantregulering Figur 4 Start simulatoren med en regulator (enkeltsløyfe), TC 1. Dette gjøres med bryteren avmerket med gul hake i figur 4. I prosessbildet bruker du pauseknappen for å starte og stoppe simuleringen. Sett venderen TC1 i Auto. Se figur 5. Figur 5 La er-verdien svinge seg inn på skal-verdien. Når reguleringsavviket er lik null endrer du trykket, p s, i tilførsel til 8barg. 22 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Videregående regulering 7.2.5 Simulatorforsøk med Kaskaderegulering Utfør forsøket med simulatoren. Åpne simulatorforsøket Forsøk med kaskaderegulering. Gjennomfør elektronisk test 1. 7.2.6 Parameterstyring av varmeveksler I forsøket med kaskaderegulering så vi at kaskadereguleringen ble ustabil dersom produktstrømmen (prosesstrømmen Qp) ble lav. Se figur 8. Figur 8 Reguleringssløyfen ble treg dersom produktstrømmen (prosesstrømmen) økte. Årsaken til dette er at prosessforterkningen er stor ved små gjennom- strømninger og lav ved store gjennomstrømninger. Dersom man ønsker stabil og rask regulering, som er uavhengig av endringer i prosesstrømmen Qp, må regulatorparametrene endres når Qp endrer seg. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 23
Kapittel 7 Det ser vi av Ziegler og Nichols 2. regel for PI-regulator: T T Kp = 0, 9 F pro T D T T = åpen sløyfens tidskonstant. T D = åpen sløyfes dødtid. F pro = åpen sløyfes forsterkning (prosessforsterkning). Av ligningen for kp ser vi at dersom prosessforsterkningen,f pro, øker må regulatorforsterkningen reduseres. I varmevekslerprosessen endrer F pro seg når produktstrømmen, Qp, endrer seg. Vi måler produktstrømmen Qp. Det gjøres med FT 2. Måleverdien brukes til å styre regulatorparametrene i regulatoren TC 1. Når gjennomstrømningen oppnår en på forhånd bestemte grense byttes regulatorparametrene. De regulatorparametrene som skal brukes legges inn i en tabell i regulatoren TC1, se figur 10. Figur 9 24 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Videregående regulering Gjennomfør elektronisk test 2. Vi lager en foroverkobling. Vi monterer en temperaturføler ute for å måle utetemperaturen. Når utetemperaturen faller sender den signal til regulatoren. Regulatoren svarer med å øke sitt pådrag, slik at kulden som er på vei gjennom veggen møtes med økt pådrag av varme til salen. Med riktig innstilling av regulatoren blir temperaturavviket meget lite i salen. Temperaturføleren ute er en foroverkoblingen. 7.6 Forholdsregulering i blande- og krystalliseringsprosess Figur 15 viser en blande- og krystalliseringsprosess for produksjon av hjortetakksalt. Figur 15 Hjortetakksalt, også kalt hornsalt. Navnet kommer av at det ble opprinnelig ble framstilt av hjortens gevir. Hjortetakksalt er et tilsetningsstoff i bakverk. Det brukes da som hevemiddel. Et hevemiddel er et produkt som brukes i deigen for at sluttproduktet skal være lett, luftig og mykt. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 25
Kapittel 7 Hevemiddelet reagerer med varme som forårsaker en gassproduksjon av karbondioksid. Gassen danner bobler i deigen. Når deigen størkner, blir disse boblene igjen inne i bakverket. Hjortetakksalt lages av karbondioksidgass (CO 2 ), vanndamp (H 2 O) og ammoniakkgass (NH 3 ). Den kjemiske reaksjonen er slik: CO 2 + H 2 O + NH 3 NH 4 HCO 3 NH4HCO3 er da i krystallform. Eksempel på andre stoffer som er i krystallform er strøsukker og strøsalt. Når hjortetakksaltet (krystallene) varmes opp til ca. 60 C, spalter krystallene seg i de tre produksjonsgassene karbondioksidgass (CO 2 ), vanndamp (H2O) og ammoniakkgass (NH3). Vi sier at reaksjonsprosessen reverserer. Denne reaksjonen skrives slik: CO 2 + H 2 O + NH 3 NH 4 HCO 3 Det dannes da litt ammoniakkgass (NH 3 ), litt vanndamp (H 2 O) og mye karbondioksidgass (CO 2 ). Det er karbondioksidgass (CO 2 ) som gjør kaken porøs og lett. Start animasjonen Hjortetakksalt. Figur 16 Hjortetakk selges på boks til husholdning og i sekk til bakeriindustrien. Øvelse 1 med animasjonen: Venstreklikk på instrumenter og symboler, åpner tilhørende utstyr. Aktiveringsknappen «les om» åpner teksten som forteller om avsnittets virkemåte. I blandetanken skal ammoniakk (NH 3 prosess- ) og vann blandes i forholdet en del ammoniakk og 20 deler vann. Forholdsregulatoren FFCA 2 regulerer denne blandingen. 1. Kan du forklare den prinsipielle virkemåten til alle instrumenter i anlegget? 2. Kan du forklare den prinsipielle virkemåten til alle reguleringsventiler i anlegget? Øvelse 2 med animasjonen: Trykk på LT1. Du ser nå en reguleringssløyfe. Kan du forklare virkemåten til hele reguleringssløyfen? Ta utgangspunkt i at væskenivået i krystallisatoren synker og lag en funksjonsforklaring til reguleringssløyfen. 26 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk
Prosessdatasystemer 8.8 Programmerbare regulatorer Figur 9 viser en digital programmerbar regulator. Vi kan si at regulatoren er en liten datamaskin laget for å utføre oppgaver i regulering. Figur 9 Typisk for programmerbare regulatorer er at de inneholder flere små programmer som kan settes sammen og tilpasses reguleringsoppgaven. Bruk denne sammenligningen: Min PC har Microsoft Power Point installert. Power Point har mange små programmer som kan settes sammen til en presentasjon. Eksempel: 1. Sett inn bilde på presentasjonssiden 2. Legg animasjon til bildet 3. Legg animasjon på tekst 4. Legg tekst til bildet 5. Legg lyd til presentasjonssiden For punktene 1 til 5 brukes programmer i PowerPoint. 8.9 Prinsipielt om programmering av en digital regulator Programmering av regulatoren i figur 9 foregår med tastene på regulatorens front. Regulatoren kan også tilkobles datamaskin (PC). Programmet kan lages på datamaskin og overføres til regulatoren via USB serielt grensesnitt. Regulatoren har mange små programmer som kan settes sammen og tilpasses reguleringsoppgaver og enkle styringer. Eksempler på programmer er: 1. To programmer for PID-regulering 2. Programmerbare innganger for 4-20 ma, elektrisk spenning, Pt-100, termoelementer 3. Programmerbare utganger for 4-20 ma, SSR (Solid State rele) og rele. 4. Ni programmerbare digitale innganger 5. Ni programmerbare digitale utganger De ferdige programmene som skal brukes forbindes med hverandre med adresser. Figur 10 viser prinsippet for hvordan tre programmer er bygd sammen til et program for PID-regulering med alarmer for høy og lav PV. Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk 27
Kapittel 8 Figur 10 8.9.1 Eksempel 1 Alle regulatorleverandører har sin måte å lage programmer på, men de fleste ligner på modellen i figur 10. Når man programmerer regulatorer ved å bruke ferdige programrutiner, kalles det for konfigurering. I fortsettelsen bruker vi denne betegnelsen. Figur 11 viser regulering av temperaturen i en plastbearbeidingsmaskin, en såkalt ekstruder. Figur 11 Ekstruderen kan produsere to produkter, produkt A og produkt B. Hvert produkt trenger eget sett med regulatorparametre for å regulere best mulig. Parametrene legges i tabeller i regulatorprogrammet. Fra en PC eller operatørstasjon sender man signal til regulatoren når regulatorparameterne skal byttes. I dette eksemplet er det valgt to produkter, men man kan i prinsippet ha tabeller med parametre for så mange produkter man ønsker. 28 Automatiseringsteknikk 2: Praktisk reguleringsteknikk