Настройка ПИД-регулятора EMKO ESM-4435 на работу в режиме нормирующего преобразователя

1. Зачем нужны нормирующие преобразователи сигналов

Нормирующие преобразователи — это приборы, предназначенные для преобразования входных аналоговых сигналов, например, сигналов с термопар, термопреобразователей сопротивления или переменных резисторов, в стандартный унифицированный аналоговый сигнал в виде тока 0...20 мА, 4...20 мА, 0...5 мА или напряжения 0...1 В, 0...10 В, 2...10 В.

В промышленности нормирующие преобразователи, их называют также измерительным или промежуточными преобразователями, активно используют по нескольким причинам.

Во-первых, нормирующие преобразователи используют для согласования первичных средств измерений (в частности термопар и термопреобразователей сопротивления) со вторичными средствами измерений разных производителей, такими как модули аналогового ввода, ПЛК или локальные регуляторы, у которых есть аналоговые входы, воспринимающие унифицированные сигналы тока или напряжения. Стоить отметить, что статических характеристик термопар и термопреобразователей сопротивлений не менее двух десятков, а наиболее распространённых унифицированных сигналов в виде тока и напряжения всего шесть!

Во-вторых, нормирующие преобразователи, при наличии у них гальванической развязки, увеличивают помехозащищенность первичных и вторичных средств измерений.

В-третьих, нормирующие преобразователи, при наличии у них гальванической развязки, используют для защиты в целом дорогостоящего оборудования и его измерительных цепей от внешних пагубных воздействий, таких как короткое замыкание, мощные скачки напряжения вследствие удара молнии и т.д.

В-четвертых, нормирующие преобразователи используют для увеличения длины линии связи между первичными и вторичными измерительными приборами. Например, сигнал от термопар можно передавать только с помощью специальных экранированных компенсационных проводов, изготовленных из тех же сплавов, что и сами датчики температуры, притом длина линии связи не должна превышать 20 м. Тогда как токовый сигнал можно передавать через экранированные медные провода с длиной линии связи до 100 м без использования повторителей.

Стоит отметить, что промышленность выпускает нормирующие преобразователи как с гальванической развязкой так и без нее. Для улучшения помехозащищенности и защиты измерительной системы в целом, следует использовать нормирующие преобразователи именно с гальванической развязкой.

2. Виды нормирующих преобразователей сигналов

Измерительные преобразователи сигналов изготавливаются в виде таблеток, как например на рисунке 1а (нормирующий преобразователь T120), устанавливаемых в коммутационную головку термопары или термопреобразователя сопротивления, или в виде модулей на DIN-рейку — рисунок 1б (компактный преобразователь К121).

Нормирующий преобразователь
Рисунок 1a — Внешний вид нормирующих преобразователей в форме таблетки
преобразователь аналогового сигнала
Рисунок 1б — Внешний вид нормирующих преобразователей в форме модулей на DIN-рейку

В промышленности так же встречаются приборы у которых функция нормирующего преобразователя является одним из режимов работы. Такой функцией, например, обладает измеритель - регулятор ECD2-M, см. рисунок 2. У  двухканального ПИД-регулятора ECD2-M достаточно включить режим нормирующего преобразователя, задать диапазон преобразования и диапазон выходного сигнала, и после этого прибор готов к работе.

ПИД-регулятор Elhart
Рисунок 2 — Внешний вид прибора ECD2-M, поддерживающего функцию
нормирующего преобразователя

Может не столь очевидно, но нормирующий преобразователь можно реализовать путем настройки ПИД-регулятора, имеющего аналоговый выход. В данной статье мы подробно рассмотрим настройку ПИД-регулятора на примере регулятора фирмы EMKO серии ESM-4435, который имеет универсальный измерительный вход и аналоговый выход в виде тока 4...20 мА. Внешний вид ESM-4435 представлен на рисунке 3, а его функциональная схема на рисунке 4.

 Внешний вид EMKO ESM-4435
Рисунок 3 — Внешний вид ПИД-регулятора ESM-4435
Функциональная схема EMKO ESM-4435
Рисунок 4 — Функциональная схема ПИД-регулятора ESM-4435

3. Настройка ПИД-регулятора в режим нормирующего преобразователя

Работа промежуточного преобразователя состоит из двух этапов — измерение сигнала, поступающего от первичного преобразователя (датчика), и его линейное преобразование в сигнал тока или напряжения. Так как неотъемлемой функцией ПИД-регулятора является измерение, первая часть задачи реализуется автоматически.

Чтобы ПИД-регулятор работал так же, как и нормирующий преобразователь требуется:

  1. выделить из ПИД-регулятора линейную, иначе говоря, пропорциональную составляющую, то есть получить П-регулятор;
  2. задать режим работы регулятора, при котором увеличение значения измеряемого параметра будет приводить к увеличению выходного сигнала регулятора;
  3. задать диапазон преобразования.

Пункт 1

Как мы помним, аббревиатура «ПИД-регулятор» расшифровывается как пропорционально интегрально дифференциальный регулятор. Одна из распространенных формул ПИД закона регулирования имеет вид:

Pвых = 1 Xp ( e + 1 Tu edt + Td de dt ) 100 ( % ) Pвых= {1} over Xp cdot (e+{1} over {Tu} int edt + Td{de}over{dt}) cdot 100 (%)

где:
Рвых — выходной сигнал ПИД-регулятора, выраженный в %;
е — ошибка регулирования, то есть разность между измеренным на входе значением и уставкой, выраженная в °С;
Xp, Tu, Td — настраиваемые коэффициенты ПИД-регулятора, а именно полоса пропорциональности, выраженная в °С, время интегрирования и время дифференцирования, выраженные в секундах.

Для получения П-регулятора требуется отключить интегральную и дифференциальную части. В цифровых регуляторах это реализуется путем задания коэффициентов Тu и Тd равными нулю, при этом интегральная и дифференциальные части ПИД регулятора программно отключаются. Таким образом, формула (1) преобразуется в формулу (2):

Pвых = 1 Xp ( e ) 100 ( % ) Pвых= {1} over Xp cdot (e) cdot 100 (%)

Пункт 2

П-регулятор, ровно как и ПИД, может работать в двух режимах — в режиме «Нагреватель» и в режиме «Холодильник». Режим «Нагреватель» — это режим, при котором увеличение значения измеряемого параметра приводит к уменьшению выходного сигнала регулятора, а режим «Холодильник» — режим, при котором увеличение значения измеряемого параметра приводит к увеличению выходного сигнала регулятора. Графики работы указанных режимов представлены на рисунке 5.

Режим пид регулятора
Рисунок 5a — Режимы работы П-регулятора в режиме «Нагреватель»
Режим пид регулятора
Рисунок 5б — Режимы работы П-регулятора в режиме «Холодильник»

Выходной сигнал нормирующего преобразователя прямо пропорционален измеренному значению, следовательно, нам требуется выбрать режим работы регулятора «Холодильник» (рисунок 5б).

Пункт 3

Выходной сигнал П-регулятора формируется по формуле (2). Если обозначить уставку через SV (распространенное обозначение уставки, которое расшифровывается как Set Value), а измеренную величину обозначить через PV (Process Value), то ошибка регулирования будет определяться формулой (3): е = PV – SV

И формула (2) преобразуется в формулу (4):

Pвых = 1 Xp ( PV SV ) 100 ( % ) Pвых= {1} over Xp cdot (PV-SV) cdot 100 (%)

Таким образом, в формуле (4) всего три переменные — PV – измеряемая величина, а SV и Xp – настраиваемые параметры, которые и определяют диапазон преобразования, где SV – точка начала диапазона, а Xp — сам диапазон, см. рисунок 6.

Режим нормирующего преобразователя
Рисунок 6 — Режим нормирующего преобразователя

Действие ПИД-регулятора EMKO серии ESM-4435 удовлетворяет всем необходимым условиям, то есть имеет универсальный аналоговый вход, поддерживает режимы «Нагреватель» и «Холодильник» и имеет аналоговый токовый выход, который может выдавать ток в диапазоне 0…20 мА или 4…20 мА.

Единственное, на что надо обратить внимание, что уставка SV задается в параметре PSEt, а полоса пропорциональности Хр не задается напрямую, а вычисляется по формуле (5):

Xp = ( uPL LoL ) P 100 ( ° C ) Xp = (uPL-LoL) {P} over {100} (°C)

где:
uPL и LoL – верхняя и нижняя границы измерения, задаваемые в °С;
P – коэффициент полосы пропорциональности, задаваемый в %.

4. Пример настройки ПИД-регулятора EMKO серии ESM-4435 в режим нормирующего преобразователя

Приведем пример. Допустим, у нас имеется датчик температуры ТС034-50М.В3.26 с диапазоном измерения (-50…180) °С и панель оператора типа ELHART ELP-07 с измерительным входом 4…20 мА, настроенный на диапазон измерения (-10…120) °С. При этом у нас нет возможности перенастроить диапазон измерения программируемого логического контроллера, так как нет доступа к его программе.

Подключаем измеритель-регулятор ESM-4435 согласно схеме подключения, указанной на рисунке 7.

Схема подключения пид-регулятора 
Рисунок 7 — Схема подключения ESM-4435

Задаем настройки ПИД-регулятора ESM-4435, согласно таблице 1.

Таблица 1 — Параметры настройки ПИД-регулятора ESM-4435
Номер параметра в сводной таблице Имя параметра Название параметра Значение параметра
  PSEt Уставка регулятора -10 °С
7 iSSL Тип входного сигнала 1 – термопреобразователь сопротивления
9 rtdS Тип термопреобразователя сопротивления 3 – 50М с десятичной точкой
18 LoL Минимальное значение шкалы измерения -10,0 °С
19 uPL Максимальное значение шкалы измерения 120,0 °С
23 P Коэффициент полосы пропорциональности 100 % от диапазона LoL…uPL
24 I Время интегрирования 0 сек при установке 0 интегральная составляющая отключается программно
25 D Время дифференцирования 0 сек при установке 0 дифференциальная составляющая отключается программно
40 oAot Тип выходного сигнала 1 – ток 4…20 мА
41 oFnC Режим работы регулятора CooL – «Холодильник»

В нашем случае, при настройках, указанных в таблице 1, параметр Хр будет равен: Xp = ( uPL LoL ) P 100 = ( 120 ( 10 ) ) 100 100 = 130 ( ° C ) Xp = (uPL-LoL) {P} over {100} = (120-(-10)) {100} over {100}=130 (°C)

Результат преобразования представлен на рисунке 8.

Зависимость выходного сигнала 
Рисунок 8 — Зависимость выходного сигнала от измеренной температуры

Что получается?

При измеренной температуре PV равной уставке SV, то есть -10°С , выходной сигнал равен 4 мА:

Pвых = 1 130 ( 10 ( 10 ) ) 100 = 0 ( % ) Pвых = {1} over {130} cdot (-10-(-10)) cdot 100 = 0 (%)

При измеренной температуре PV равной 55°С, выходной сигнал равен 12 мА:

Pвых = 1 130 ( 55 ( 10 ) ) 100 = 50 ( % ) Pвых = {1} over {130} cdot (55-(-10)) cdot 100 = 50 (%)

При измеренной температуре PV равной 120°С, выходной сигнал равен 20 мА:

Pвых = 1 130 ( 120 ( 10 ) ) 100 = 100 ( % ) Pвых = {1} over {130} cdot (120-(-10)) cdot 100 = 100 (%)

Что нам и требовалось получить.

5. Вывод

Однако, данное решение не может служить равноценной заменой нормирующего преобразователя, так как основная масса общепромышленных ПИД-регуляторов, в том числе ESM-4435, существенно уступает им в точности измерения и точности формирования выходного сигнала, а компактность размещения измерительных преобразователей в разы выше.

Что касается точности, предел приведенной погрешности измерения для термопар, термопреобразователей сопротивления или датчиков с выходом в виде напряжения у ПИД-регулятора ESM-4435 составляет 0,25%, при этом погрешность формирования аналогового выхода не нормируется. Таким образом, использование ПИД-регуляторов в качестве нормирующих преобразователей возможно только в случае отсутствия высоких требований к точности преобразования. Представленные на рисунке 1 измерительные преобразователи серии К121 фирмы Seneca, напротив, имеют точность преобразования (ВНИМАНИЕ! Не измерения, а преобразования, то есть измерения + формирования выходного токового сигнала) всего ±0,1 % основной приведенной погрешности и ±0,01 %/°С дополнительной погрешности на каждый градус температуры окружающего воздуха относительно 20 °С. Соответственно, приборы типа К121 и подобные ему вносят минимальные искажения в измеряемый сигнал.

Что касается размеров, на рисунке 1б расположены 13(!) нормирующих преобразователей с общей шириной 6,2х13 = 80 (мм), где 6,2 — ширина К121, а 13 — их количество. 13 приборов ESM-4435 c размерами передней панели 48х48 мм при установке в один ряд будут иметь общую ширину 828 мм, при межосевом расстоянии между приборами равном 65 мм. В итоге имеем разницу в ширине компоновки приборов в один ряд 8 см против 83 см.

Таким образом, применение ПИД-регуляторов в качестве нормирующих преобразователей может служить временной мерой, применимой только в случае острой необходимости.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Матирный А.А.


 Наверх