Przetwornice częstotliwości kojarzone są najczęściej z elementami wykonawczymi służącymi do płynnego rozruchu lub korekty prędkości obrotowej silników elektrycznych. Wciąż niewielu projektantów systemów wykorzystuje potencjał ukryty w oprogramowaniu specjalizowanych falowników dla branży HVAC. W tym artykule przedstawmy ciekawe możliwości aplikacyjne z wykorzystaniem wbudowanych regulatorów PID.

Falowniki FRENIC HVAC firmy Fuji Electric zostały wyposażone w wewnętrzne regulatory typu PID. Do dyspozycji użytkownika oferowane są:

• dwukanałowy regulator PID mający wpływ na prędkość obrotową silnika;
• 3 regulatory PID do wykorzystania do sterowania procesami niezwiązanymi bezpośrednio z regulacją prędkości obrotowej silnika.

Kontrola prędkości z regulatorem PID 

Regulacja ciągła PID w falownikach Frenic HVAC pozwala na osiągnięcie zadanej wartości zmiennej procesowej (np. temperatury, ciśnienia, przepływu itp.) poprzez regulację prędkości obrotowej silnika mającego wpływ na ten proces. Mogą to być procesy z dodatnimi współczynnikami, np. procesy grzewcze lub związane ze zwiększaniem ciśnienia, procesy odwrotnie proporcjonalne (np. chłodnicze czy też związane z regulacją podciśnienia), bądź też procesy o mieszanej naturze (np. grzewczo-chłodnicze). Wbudowany w falownik Frenic HVAC regulator ma dwa kanały o niezależnie konfi gurowalnych parametrach pracy. Twórca systemu może w obydwu kanałach indywidualne ustawić:

• sposób zadawania wartości zadanej i mierzonej; 
• wartości stałych PID;
• filtrację sygnałów, zdefi niować skalę i jednostkę fizyczną wielkości mierzonej;
• wykrywanie anomalii w mierzonych wartościach;
• wyłączenie napędu (ale podtrzymanie pracy regulatora) jeśli dalsza praca jest ekonomicznie nieuzasadniona, co obniża zużycie energii elektrycznej.

Przełączenie pomiędzy kanałami może odbywać się automatycznie (falownik dysponuje sterownikiem programowalnym przez użytkownika), poprzez sieć BMS lub sygnałem z zewnętrznego elementu automatyki.

Rys. 1. Falowniki FRENIC HVAC fi rmy Fuji Electric z wewnętrznymi regulatorami PID możemy wykorzystać do sterowania wieloma procesami z zakresu instalacji chłodząco-grzewczych

Regulacja PID zewnętrznych procesów

Ze względu na złożoność sterowania niektórymi procesami, niezbędne jest równoczesne regulowanie kilku wartości danego procesu. Przykładem może być układ regulacji w systemach wentylacyjnych, gdzie w zależności od pomiarów fizykochemicznych regulowana jest objętość dostarczanego do pomieszczenia powietrza, natomiast kolejny układ regulacji zapewnia stabilizacje temperatury nawiewanego powietrza. Regulację nawiewu z uwzględnieniem komfortu można wykonać na opisanym wcześniej systemie regulacji ciągłej PID.

Regulacja drugiego parametru wymagać będzie przynajmniej jednego dodatkowego regulatora PID. To zadanie mogą przejąć wbudowane w falownik Frenic HVAC tzw. regulatory zewnętrzne. Pełnią one rolę regulatorów PID dla dodatkowych procesów, które nie wpływają bezpośrednio na prędkość obrotową napędzanego silnika. Wynikiem działania regulatorów zewnętrznych może być sterowanie grzałkami, zaworami czynników grzewczych i chłodniczych itp.

Dla regulatorów zewnętrznych PID możemy wyróżnić następujące tryby pracy:

• tryb proporcjonalny (np. procesy grzewcze);
• tryb inwersyjny (np. chłodzenie);
• uzależnienie powyższych działań od pracy napędzanego przez falownik silnika lub zewnętrznego sygnału zezwalającego (np. blokada grzania lub chłodzenia jeśli wentylator jest wyłączony).

Podobnie jak dla regulatora PID, regulującego prędkość obrotową silnika, tak tutaj również można regulować parametry stałych PID, używaną jednostkę miary, czy też dostosować skalę pomiaru. Dodatkowo mamy wpływ na wyjście regulatora PID. Do wyboru są następujące tryby pracy: 

• regulator z wyjściem ciągłym (na wyjściu analogowym);
• regulacja dwustanowa z histerezą (sterowanie wyjściem dwustanowym);
• regulacja PID z wyjściem dwustanowym (modulacja wypełnienia w cyklu o zdefi niowanej długości).

Do dyspozycji użytkownika są trzy regulatory zewnętrzne, a każdy z nich może sterować innym typem procesu i każdy z nich może być inaczej sparametryzowany, pozwalając tym samym na użycie w procesach o rożnej bezwładności oraz stabilności.

Rys. 2. Idea sterowania falownikiem z regulatorami PID

Pomiar i sterowanie

Każdy regulator procesowy ma przynajmniej jedno wyjście oraz dwa wejścia – wartość zadaną i procesową (zmierzoną). Firma Fuji Electric zaprojektowała falownik Frenic HVAC uwzględniając konieczność połączenia wewnętrznych regulatorów PID ze światem zewnętrznym, tak by ich wykorzystanie było jak najbardziej efektywne. Falownik został wyposażony w:

• 3 wejścia analogowe (napięciowe ±10V, napięciowe 0÷10V, prądowe 4÷20 mA);
• 2 wyjścia analogowe (niezależny wybór pomiędzy prądowym 4÷20 mA a napięciowym 0÷10V);
• 6 wyjść dwustanowych (4 tranzystorowe, 2 przekaźnikowe);
• 9 wejść dwustanowych.

Możliwości interfejsowe mogą być poszerzone poprzez instalację dodatkowych modułów z wejściami i wyjściami analogowymi (OPC-AIO), z wyjściami prądowymi (OPC-AO), pomiaru temperatury dla Pt100/1000, Ni100/1000 (OPC-PT), z 7 wyjściami przekaźnikowymi. Istnieje także możliwość zadawania wartości i monitorowanie procesu poprzez typowe sieci: Ethernet (Ethernet/IP, Medbus/IP, BACnet/IP, AllenBradley CSP), CANopen, Modbus RTU, Profi busDP, BACnet, Metasys N2, LonWorks, DeviceNet. 

Falownik pozwala na instalację i jednoczesne użycie do 3 modułów rozszerzeń.

Podsumowanie

Falowniki Frenic HVAC firmy Fuji Electric to rozwiązanie techniczne służące sterowaniu nie tylko prędkością obrotową silnika, ale także procesami pobocznymi. Pozwala to na zmniejszenie liczby dodatkowych regulatorów oraz większą spójność systemu. Rozbudowane możliwości komunikacyjne umożliwiają integrację z typowymi systemami BMS oraz sieciami stosowanymi w przemyśle.

Tomasz ŚLIWAKOWSKI
Inżynier aplikacyjny,
Amtek spol. s r.o. Sp. z o.o,
oddział w Polsce

www.amtek.pl