Bartłomiej ADAMSKI

W poprzedniej części artykułu (CHiK 3/2013 str. 46) omówiono podstawowe elementy systemu automatycznej regulacji (regulator, element wykonawczy – najczęściej zawór regulacyjny, element pomiarowy – czujnik pomiarowy, np. temperatury, wilgotności względnej itp.). W niniejszym artykule przedstawione zostaną ich zadania w ogólnym procesie przygotowania powietrza przy szczegółowym omówieniu „serca” systemu automatycznej regulacji – sterownika swobodnie programowalnego, wyboru odpowiednich algorytmów regulacji oraz doboru ich optymalnych nastaw.

Systemy regulacji automatycznej

Typowe urządzenia automatycznej regulacji systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych składają się z trzech, wymienionych w pierwszej części artykułu, podstawowych części:

• pomiarowej (czujniki temperatury, wilgotności, ciśnienia, jakości powietrza),
• elektronicznej (mikroprocesorowe sterowniki),
• wykonawczej (siłowniki i zawory regulacyjne lub przepustnice).

Dla zapewnienia poprawnego działania pracy całego układu regulacji niezbędny jest prawidłowy dobór każdego z wymienionych elementów.

Rola automatycznej regulacji

Regulacja jest procesem, w którym ciągle mierzy się wartość określonej wielkości fi zycznej tzw. wielkości regulowanej x(t) – (przytoczono pojęcia i nazwy z zakresu techniki regulacji i sterowania¹⁾ – i, przez porównanie jej z inną wielkością – tzw. wartość zadaną, wywiera się na nią odpowiedni wpływ w celu zrównania się wartości.

Części urządzeń, których działanie zamierza się regulować, określa się jako obiekty regulacji (w przypadku systemów klimatyzacji obiektem regulacji może być kanał wentylacyjny lub pomieszczenie). Łącznie z urządzeniami automatycznej regulacji stanowią one zamknięte układy regulacji, jeżeli droga oddziaływania regulatora jest zamknięta i obejmuje poszczególne elementy składowe układu (układy ze sprzężeniem zwrotnym).

Celem urządzenia regulacyjnego jest utrzymywanie wielkości regulowanej x(t) na z góry określonej wartości zadanej w (t). Można to wyrazić inaczej: powinna być utrzymywana możliwie najmniejsza wartość uchybu regulacji, czyli najmniejsza wartość różnicy pomiędzy wartością zadaną a bieżącą wartością wielkości regulowanej: x_w = w – x.

W urządzeniu regulacji automatycznej osiąga się to samoczynnie, wskutek tego, że za pomocą wielkości sterującej (nastawczej) y(t) elementu nastawczego (przyrządu nastawczego, zaworu regulacyjnego) wywierany jest taki wpływ na obiekt regulacji, że zostają wysterowane oddziałujące wielkości zakłócające z(t).

W technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej można przytoczyć następujące wielkości zakłócające:

• wpływ pogody, tj. temperatury zewnętrznej, promieniowania słonecznego i wiatru,
• wahania temperatury i ciśnienia czynnika grzejnego, zakłócenia temperatury pomieszczeń przez ludzi i urządzenia, otwieranie drzwi i okien.

Zadaniem zatem procesu automatycznej regulacji w systemach wentylacji i klimatyzacji jest pomiar określonej wielkości fi zycznej najczęściej jest to temperatura i wilgotność względna, porównanie odczytanych wyników pomiarów z zadanymi wartościami określonymi przez użytkownika lub projektanta–technologa a następnie wysłanie odpowiednich sygnałów do elementów wykonawczych (zawory regulacyjne chłodnicy i nagrzewnicy) tak, by wartości odczytane z pomiarów zrównały się z wartościami zadanymi. Wartości zadane powinny zostać utrzymane niezależnie od działania różnych wielkości zakłócających.

Na obecnym poziomie techniki „sercem” systemu automatycznej regulacji są sterowniki swobodnie programowalne. Dają one możliwość lepszego dopasowania układu regulacji do nietypowych zadań. Zaletą układów z programowalnymi sterownikami jest możliwość zmiany logiki sterowania po czasie, gdy uznamy, że obecne funkcje są niewystarczające. Należy również uwzględnić fakt, że sterowniki programowalne są z zasady przystosowane do pracy w systemach zdalnego nadzoru instalacji.

Regulowana wielkość fizyczna – zwykle temperatura, wilgotność względna – jest przetwarzana w czujniku pomiarowym na elektryczny sygnał analogowy. W sterowniku sygnał ten traktowany jest jako wartość rzeczywista. Zespoły elektroniczne wytwarzają nowy sygnał elektryczny i przesyłają go do przyłączonego członu nastawczego. Wszystkie sterowniki pracują z zasady według następujących algorytmów regulacji (funkcji przejścia): proporcjonalny (regulator P), proporcjonalno–całkujący (regulator PI) i proporcjonalno–całkująco–różniczkujący (regulator PID), jak również w kombinacji tych trzech metod.

Do standardowych algorytmów regulacji dołączane są dodatkowe układy, jak np. dla wielkości pomocniczych lub zakłócających, jak również układy przełączania struktur, kaskad itd.

Sposób pracy sterownika polega na tym, że wchodzący sygnał pomiarowy z czujnika jest porównywany z sygnałem wartości zadanej. Uzyskana odchyłka regulacji jest obrabiana w części regulacyjnej i odpowiednio do wprowadzonego algorytmu regulacji tworzony jest sygnał wyjściowy.

Oznacza to, że np. regulując temperaturę powietrza nawiewanego (taki przypadek ma miejsce w układach o dwuetapowym uzdatnianiu powietrza w klimatyzacji), czujnik umieszczony w strumieniu powietrza nawiewanego ciągle dokonuje pomiaru wartości temperatury nawiewu. Jeżeli układ automatycznej regulacji ma nawiewać powietrze o stałej temperaturze, wówczas sterownik swobodnie programowalny dokonuje porównania odczytanych wartości temperatury w kanale nawiewnym (z czujnika pomiarowego) z wartością zadaną i w zależności od przyjętego algorytmu regulacji wysyła odpowiedni sygnał do zaworów chłodnicy i nagrzewnicy centrali klimatyzacyjnej, tak by wartość zadaną utrzymać.

Sterowniki posiadają wyjścia regulacji dwupołożeniowej, trójpołożeniowej oraz wyjścia analogowe o standartowo przyjętych sygnałach wyjściowych od 0 do 10 V lub od 0 (4) do 20 mA.

Rys. 1. Charakterystyka statyczna algorytmu regulacji dwupołożeniowej i odpowiedź skokowa (z prawej strony) [1]

Algorytmy regulacji

Przy programowaniu sterowników swobodnie programowalnych istotną sprawą jest dobór rodzaju regulatora i konfi guracja jego parametrów. Ze względu na zasadę działania algorytmy regulacji stosowane w sterownikach klimatyzacyjnych możemy podzielić na:

• algorytmy o działaniu ciągłym (proporcjonalne, proporcjonalno– całkowe, proporcjonalno–całkująco–różniczkujące),
• algorytmy o działaniu przerywanym (dwupołożeniowe, trójpołożeniowe).

Odpowiednie algorytmy regulacji są dobierane przez projektanta AKPiA w oparciu o układ technologiczny systemu. Każdy z nich cechuje się określonymi zaletami i wadami. Poniżej opis poszczególnych, najczęściej wykorzystywanych algorytmów regulacji oraz ich cechy charakterystyczne.

Algorytmy o działaniu przerywanym

(...)

Algorytmy o działaniu proporcjonalnym P

(...)

Algorytm regulacji o działaniu całkującym I

(...)

Algorytm regulacji o działaniu proporcjonalno-całkującym PI

(...)

Algorytm regulacji o działaniu proporcjonalno–całkująco–różniczkującym PID

(...)

Regulacja kaskadowa

(...)

Wybór algorytmu regulacji i dobór jego parametrów

(...)

W kolejnej, ostatniej części artykułu przedstawiony zostanie dobór urządzeń automatycznej regulacji dla wybranych systemów klimatyzacyjnych.

¹⁾ Regulacja automatyczna – sterowanie automatyczne w układzie lub systemie ze sprzężeniem zwrotnym, realizowane przez porównanie wartości wielkości sterowanej z wartością wielkości zadającej i przez wykorzystanie wyników tego porównania do wytworzenia odpowiedniej wielkości sterującej. Sterowanie – oddziaływanie na obiekt sterowania, w celu uzyskania działania tego obiektu zgodnie z pożądanym algorytmem działania.

Literatura

[1] RECKNAGEL, SPRENGER, HONMANN, SCHRAMEK: Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja. Wydanie 1. Gdańsk, 1994.
[2] Bruno JUNKER: Regulacja urządzeń wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Arkady. Warszawa, 1980.
[3] Dieter WURSTLIN: Regulacja urządzeń ogrzewczych wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Arkady. Warszawa, 1978.
[4] Ulrich DUMMEL, Hans-Jurgen MULLER: Pomiary i regulacja urządzeń ogrzewczych, wentylacyjnych i sanitarnych. Arkady. Warszawa, 1971.
[5] Krystyna KOSTYRKO, Bożena OKOŁOWICZ-GRABOWSKA: Pomiary i regulacja wilgotności w pomieszczeniach. Arkady. Warszawa, 1977.
[6] Ludwik MICHALSKI, Krystyna ECKERSDORF, Jacek KUCHARSKI: Termometria. Przyrządy i metody. Politechnika Łódzka. 1998.
[7] Katalogi branżowe i materiały pomocowe firm: Honeywell, Siemens, T.A.C. Polska.
[8] Bernard ZAWADA, Zbigniew KIDAWA: Automatyczna regulacja systemów wentylacji i klimatyzacji. Politechnika Warszawska.