Ktoś kiedyś zapytał kolegę, czym się zajmuje. Bez wahania odpowiedział: „Jestem inżynierem aparatury i sterowania”.

„A co to takiego?” — zapytał jego rozmówca.

„...Och. Eee...” — pomyślał inżynier. „No cóż, teraz mam kłopoty”.

 

Czym są aparatura i sterowanie?

Stosunkowo łatwo wyjaśnić, czym zajmuje się inżynier mechanik, elektryk, chemik czy elektroenergetyk, ale zwięzłe opisanie pracy inżyniera specjalizującego się w aparaturze i sterowaniu to zupełnie inna historia.

Aparatura i sterowanie to dziedziny interdyscyplinarne. Wymagają wiedzy z zakresu chemii, mechaniki, elektryczności i magnetyzmu, elektroniki, mikrokontrolerów i mikroprocesorów, języków programowania, sterowania procesami oraz innych dziedzin, takich jak zasady pneumatyki i hydrauliki oraz komunikacji.

To właśnie sprawia, że aparatura i sterowanie są tak interesujące i pouczające.

W tym artykule przedstawię pełny przegląd podstawowych zasad aparatury i sterowania (I & C) wykorzystywanych w funkcjonowaniu i eksploatacji zakładów przemysłowych, takich jak zakłady naftowo-gazowe, celulozowo-papiernicze, cukrownie, zakłady farmaceutyczne, spożywcze i chemiczne.

Najpierw musimy omówić jak dokonywać pomiarów. W tym celu potrzebujemy przyrządu pomiarowego.

 

Czym jest przyrząd pomiarowy?

Przyrząd pomiarowy to urządzenie zdolne do wykrywania zmian, fizycznych lub innego rodzaju, zachodzących w określonym procesie. Następnie przekształca te zmiany fizyczne w pewną formę informacji zrozumiałą dla użytkownika.

Rozważmy przykład przedstawiony na rysunku 1.

 

Rysunek 1. Przykład przyrządu pomiarowego.

 

Po zamknięciu przełącznika rezystor wydziela ciepło, zwiększając temperaturę cieczy w zbiorniku. Ten wzrost jest wykrywany przez przyrząd pomiarowy i wskazywany na jego skali.

Informacje o zmianach fizycznych w procesie możemy uzyskać za pomocą bezpośredniego wskazania lub rejestratora.

 

Wskazanie

Jest to najprostsza forma pomiaru; pozwala nam poznać bieżący stan zmiennej.

 

Rysunek 2. Monitorowanie zmiennej za pomocą prostego wskaźnika wizualnego.

 

Rejestrator

Urządzenie, które może przechowywać dane, pozwala nam obserwować bieżący stan zmiennej oraz jej zachowanie w przeszłości. Rejestrator dostarcza nam informacji o historii zmiennej.

 

Rysunek 3. Wyświetlacz pokazujący, jak zmieniały się pomiary w czasie.

 

Elementy przyrządu pomiarowego

Przyrządy pomiarowe składają się głównie z następujących części:

• Czujnik: Ten element jest urządzeniem, którego właściwości fizyczne zmieniają się w wyniku zmian zachodzących w mierzonym procesie.
• Wzmacniacz / układ kondycjonujący: Zmiany wykrywane przez czujnik mogą być bardzo małe, dlatego należy je wzmocnić, a następnie poddać kondycjonowaniu, tak aby mogły być prawidłowo wyświetlane.
• Wyświetlacz: Dane pomiarowe powinny być przedstawione w zrozumiały sposób. Można to zrobić za pomocą przyrządu ze skalą lub wyświetlacza elektronicznego. Czasami wyświetlacz pełni dodatkowo funkcję rejestratora, aby przedstawiać historię lub trendy pomiaru.

 

Rysunek 4. Elementy przyrządu pomiarowego.

 

Zwykle informacje pomiarowe generowane przez przyrząd muszą być przesyłane do centrum sterowania (lub sterowni), które znajduje się fizycznie w pewnej odległości od przyrządu. Ogólnie informacje te muszą być zgodne z ustalonymi specyfikacjami.

 

Rysunek 5. Informacje pomiarowe są przesyłane z przyrządu do sterowni.

 

Gdy przyrząd ma możliwość wysyłania informacji, nazywamy go przetwornikiem (często stosuje się skrót XMTR).

 

Klasyfikacja przyrządów

Istnieją różne klasyfikacje przyrządów pomiarowych. Możemy je na przykład podzielić na przyrządy terenowe i tablicowe. Przyrząd terenowy jest instalowany w pobliżu procesu lub punktu pomiarowego. Jeśli będzie narażony na trudne warunki środowiskowe, musi być fizycznie wytrzymały. Przyrządy tablicowe znajdują się w pomieszczeniu o kontrolowanych warunkach (często jest to czyste pomieszczenie z klimatyzacją i kontrolowaną wilgotnością).

Inny podział obejmuje przyrządy pneumatyczne oraz elektryczne/elektroniczne.

 

Przyrządy pneumatyczne

Jak sama nazwa wskazuje, są to urządzenia zasilane powietrzem.

Jedną z zalet tych przyrządów jest to, że nie zużywają energii elektrycznej, dlatego można ich używać w miejscach, w których stosowanie zasilania elektrycznego byłoby niebezpieczne lub niewygodne. Działają z jedną zmienną, są niedokładne, reagują na wibracje i zmiany temperatury oraz wymagają częstej konserwacji. Sygnał wyjściowy przetworników mieści się w zakresie od 3 do 15 psi, a maksymalna odległość transmisji wynosi około 200 metrów.

 

Rysunek 6. Podstawowy schemat przyrządu pneumatycznego.

 

Przyrządy elektryczne / elektroniczne

Przyrządy elektroniczne można podzielić na trzy ogólne kategorie: analogowe, inteligentne analogowe i cyfrowe.

 

Urządzenia analogowe:

• Sygnał wyjściowy: 4–20 mA
• Odległość transmisji: 1200 m (typowo)
• Transmitowane są dane dotyczące jednej zmiennej
• Dobra dokładność
• Łatwa konserwacja

 

Rysunek 7. Podstawowy schemat przyrządu elektronicznego (XMTR).

 

„Inteligentne” urządzenia analogowe:

• Charakterystyka czujnika jako urządzenia mierzącego temperaturę, ciśnienie statyczne itp.
• Doskonała dokładność
• Autodiagnostyka (tj. czujnik może analizować problemy związane z własnym działaniem)
• Jedna zmienna

 

Urządzenia cyfrowe:

• Wiele przyrządów może korzystać z jednego kabla
• Transmisja wielu wartości dla każdego przyrządu (zmienne procesowe, kalibracja, diagnostyka, zakres)
• Odległość: około 1900 m bez wzmacniaka
• Pojemność danych zależy od trybu transmisji (kabel, światłowód, łączność bezprzewodowa)

 

Rysunek 8. Przetworniki cyfrowe.

 

Ogólne specyfikacje czujników

Zakres: Obszar między granicami, w którym mierzona jest dana wielkość. Wskazuje minimalne i maksymalne wartości ograniczające ten obszar. Zakres wyraża się dwiema liczbami, np. od 10 do 20 °C, od 10 do 150 V, od 0 do 100%

Rozpiętość: Obliczana jako wartość maksymalna zakresu minus wartość minimalna zakresu. Rozpiętość wyraża się pojedynczą liczbą w jednostkach procesowych, np. 120 °C, 30 V, 150 litrów na sekundę.

Elewacja: Jeśli dolna granica zakresu jest wartością dodatnią, ta dolna granica jest elewacją. Przykład: Jeśli zakres wynosi od 50 °C do 200 °C, możemy powiedzieć, że elewacja wynosi 50 °C lub 33,3% rozpiętości.

Depresja (nazywana również tłumieniem): Jeśli dolna granica zakresu jest ujemna, wartość bezwzględna tej dolnej granicy jest depresją. Przykład: Jeśli zakres wynosi od -10 °C do 80 °C, możemy powiedzieć, że depresja wynosi 10 °C lub 11,1% rozpiętości.

Przekroczenie zakresu: Gdy urządzenie jest skalibrowane do pracy w określonym zakresie, ale może zostać poddane działaniu wartości wyższych lub niższych od tego zakresu, wymaga mechanizmu ochronnego zapobiegającego uszkodzeniu przyrządu lub przekroczeniu przez wskaźnik jego górnej albo dolnej granicy. Gdy zmierzone wartości są wyższe od wartości maksymalnej, mamy do czynienia z dodatnim przekroczeniem zakresu. Gdy zmierzone wartości są niższe od wartości minimalnej, mamy do czynienia z ujemnym przekroczeniem zakresu.

 

Rysunek 9. Przykłady zakresu, rozpiętości, elewacji i depresji.

 

Błąd: Różnica między zmierzoną a rzeczywistą (lub oczekiwaną albo pożądaną) wartością wielkości fizycznej. Błąd może być dodatni lub ujemny. Gdy wartość zmierzona jest większa od rzeczywistej, błąd jest dodatni. Gdy wartość zmierzona jest mniejsza od rzeczywistej, błąd jest ujemny.

                        Jeśli wartość zmierzona > rzeczywista, błąd > 0

                        Jeśli wartość zmierzona < rzeczywista, błąd < 0

Błąd można wyrazić

• w jednostkach inżynierskich (np. °C, psi)
• jako procent zakresu pomiarowego (np. +/- 3% zakresu pomiarowego)
• jako procent wartości pomiaru (np. +/- 5% wartości pomiaru)

Wartość odniesienia: W ogólnym znaczeniu jest to rzeczywista, oczekiwana lub pożądana wartość zmiennej. W kontekście układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym wartość zmierzona jest zawracana i odejmowana od wartości odniesienia w celu wygenerowania sygnału błędu.

Dokładność: Liczba określająca granice błędu. Gdy mówimy, że dokładność przyrządu wynosi 0,1% zakresu pomiarowego, oznacza to, że w dowolnym punkcie zakresu odczyty nie różnią się od rzeczywistej wartości o więcej niż 0,1% zakresu pomiarowego.

 

Przykład pomiaru procesu

Aby lepiej zrozumieć przedstawione powyżej pojęcia, rozważmy następujący przykład.

Mamy zbiornik oleju, w którym wymagany jest ciągły pomiar temperatury. Warunki pracy tego procesu są następujące:

• Minimalna temperatura: -10 °C
• Maksymalna temperatura: 90 °C
• Dokładność pomiaru musi wynosić 1% zakresu pomiarowego lub być lepsza
• Pomiar temperatury musi być wyświetlany lokalnie i zdalnie

 

Rysunek 10. Nasz przykładowy system.

 

Najpierw musimy wybrać przyrząd pomiarowy, który umożliwi nam pomiar temperatury cieczy w zbiorniku. Ponieważ informacje powinny być dostępne lokalnie i zdalnie, wybierzemy przetwornik temperatury.

Ten przetwornik musi mieć następujące charakterystyki:

• Zakres: od -10 °C do 90 °C
• Zakres pomiarowy: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Przesunięcie zera w dół: 10 °C lub 10% zakresu pomiarowego
• Dokładność: 1% zakresu pomiarowego = 1% × 100 °C = 1 °C
  • Ta dokładność wynosząca 1% zapewnia, że przy każdym pomiarze lub odczycie temperatury odchylenia lub błędy nie przekroczą +/- 1 °C

Dodatkowo musimy zapewnić prawidłową zależność między zakresem a ustandaryzowanym sygnałem wyjściowym przetwornika. Aby skalibrować przyrząd, musimy powiązać minimalną wartość zakresu (-10 °C) z minimalną wartością sygnału wyjściowego (4 mA), a maksymalną wartość zakresu (90 °C) z maksymalną wartością sygnału wyjściowego (20 mA).

 

Podsumowanie

W tym artykule omówiliśmy urządzenia pomiarowe i podstawowe pojęcia związane z pomiarami w kontekście systemów oprzyrządowania i sterowania. Przyjrzeliśmy się również prostemu przykładowemu systemowi obejmującemu element grzejny oraz przyrząd, który może zbierać i przesyłać dane dotyczące temperatury. W następnym artykule omówimy cztery podstawowe zmienne wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych: przepływ, poziom, temperaturę i ciśnienie. Omówimy także różne czujniki, takie jak kryzy, termopary i rezystancyjne czujniki temperatury (RTD), a także przeanalizujemy przyrządy i przetworniki służące do pomiaru tych czterech wielkości fizycznych.