Контур управления является фундаментальным строительным блоком систем управления в целом и промышленных систем управления в частности. Он состоит из датчика процесса , функции контроллера и конечного элемента управления (FCE), который управляет процессом, необходимым для автоматической регулировки значения измеряемой переменной процесса (PV) до значения, равного заданному заданному значению (SP). .
Существует два распространенных класса контура управления: разомкнутый контур и замкнутый контур. В системе управления с разомкнутым контуром управляющее действие контроллера не зависит от переменной процесса. Примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером . Управляющим действием является включение или выключение котла. Переменной процесса является температура здания. Этот контроллер управляет системой отопления в течение постоянного времени независимо от температуры в здании.
В системе управления с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от желаемой и фактической переменной процесса. В случае аналогии с котлом здесь будет использоваться термостат для контроля температуры в здании и обратной связи, чтобы гарантировать, что выход контроллера поддерживает температуру здания, близкую к температуре, установленной на термостате. Контроллер с обратной связью имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие для управления переменной процесса при том же значении, что и уставка. По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью. [1]
По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с обратной связью (обратная связь).
При управлении с разомкнутым контуром управляющее действие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «управляемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, поэтому тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры в здании. Управляющим действием является включение/выключение котла, но регулируемой переменной должна быть температура здания, но это не так, потому что это разомкнутое управление котлом, которое не дает замкнутого управления температурой.
При управлении с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры в здании и, таким образом, подавать обратный сигнал, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает в здании температуру, установленную на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие, чтобы обеспечить выходной сигнал процесса такой же, как «заданный вход» или «заданное значение». По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью. [2]
Согласно определению Британского института стандартов, система управления с замкнутым контуром — это «система управления, имеющая обратную связь мониторинга, при этом сигнал отклонения, формируемый в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремятся свести отклонение к нулю». [3]
Так же; « Система управления с обратной связью — это система, которая имеет тенденцию поддерживать заданное соотношение одной системной переменной с другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». [4]
Примером системы управления является круиз-контроль автомобиля , который представляет собой устройство, предназначенное для поддержания постоянной желаемой или заданной скорости автомобиля, заданной водителем. Контроллер — это круиз-контроль, завод — это автомобиль, а система — это автомобиль и круиз-контроль. Выходные данные системы — это скорость автомобиля, а само управление — это положение дроссельной заслонки двигателя , которое определяет, какую мощность выдает двигатель.
Примитивный способ реализовать круиз-контроль — просто заблокировать положение дроссельной заслонки, когда водитель включает круиз-контроль. Однако если круиз-контроль включен на участке неровной дороги, то на подъеме автомобиль будет двигаться медленнее, а на спуске — быстрее. Этот тип контроллера называется контроллером с разомкнутым контуром, поскольку здесь нет обратной связи ; никакое измерение выходного сигнала системы (скорости автомобиля) не используется для изменения управления (положения дроссельной заслонки). В результате контроллер не может компенсировать изменения, действующие на автомобиль, например, изменение уклона дороги.
В системе управления с обратной связью данные от датчика, контролирующего скорость автомобиля (выходные данные системы), поступают в контроллер, который непрерывно сравнивает величину, представляющую скорость, с эталонной величиной, представляющей желаемую скорость. Разница, называемая ошибкой, определяет положение дроссельной заслонки (управления). Результатом является согласование скорости автомобиля с эталонной скоростью (поддержание желаемого выходного сигнала системы). Теперь, когда автомобиль движется в гору, разница между входным сигналом (определенной скоростью) и эталонным значением постоянно определяет положение дроссельной заслонки. Когда измеренная скорость падает ниже эталонной, разница увеличивается, дроссельная заслонка открывается, а мощность двигателя увеличивается, ускоряя автомобиль. Таким образом, контроллер динамически противодействует изменениям скорости автомобиля. Центральной идеей этих систем управления является петля обратной связи : контроллер влияет на выходной сигнал системы, который, в свою очередь, измеряется и передается обратно на контроллер.
На прилагаемой диаграмме показан контур управления с одним входом PV, функцией управления и выходом управления (CO), который модулирует действие конечного элемента управления (FCE) для изменения значения управляющей переменной (MV). В этом примере показан контур управления потоком, но он может управлять уровнем, температурой или любым из многих параметров процесса, которые необходимо контролировать. Показанная функция управления представляет собой «промежуточный тип», такой как ПИД-регулятор , что означает, что она может генерировать полный диапазон выходных сигналов в диапазоне от 0 до 100%, а не просто сигнал включения/выключения. [1]
В этом примере значение PV всегда такое же, как и значение MV, поскольку они включены в конвейер последовательно. Однако если подача из клапана подавалась в резервуар, а функция контроллера заключалась в контроле уровня с помощью наполнительного клапана, то PV будет уровнем в резервуаре, а MV — потоком в резервуар.
Функция контроллера может быть дискретным контроллером или функциональным блоком в компьютеризированной системе управления, такой как распределенная система управления или программируемый логический контроллер . Во всех случаях схема контура управления является очень удобным и полезным способом представления функции управления и ее взаимодействия с объектом. На практике на уровне управления процессом контуры управления обычно обозначаются стандартными символами на схеме трубопроводов и контрольно-измерительных приборов , которая показывает все элементы измерения и управления процессом на основе схемы технологического процесса . [5]
На детальном уровне создается схема подключения контура управления, показывающая электрические и пневматические соединения. Это значительно облегчает диагностику и ремонт, поскольку все соединения для одной функции управления представлены на одной схеме.
Чтобы обеспечить уникальную идентификацию оборудования, каждый контур и его элементы идентифицируются системой «маркировки», и каждый элемент имеет уникальный идентификатор тега. [6]
В соответствии со стандартами ANSI / ISA S5.1 и ISO 14617-6 идентификаторы состоят из до 5 букв.
Первая идентификационная буква соответствует измеренному значению, вторая – модификатору, третья – пассивной/считывающей функции, четвертая – активной/выходной функции, пятая – модификатору функции. За ним следует номер цикла, который уникален для этого цикла.
Например, FIC045 означает, что это контроллер индикации расхода в контуре управления 045. Это также известно как идентификатор «тега» полевого устройства, который обычно присваивается местоположению и функции прибора. В том же контуре может быть установлен FT045, который является датчиком расхода в том же контуре.
Для условного обозначения любого оборудования в промышленных системах используется стандарт IEC 61346 ( Промышленные системы, установки и оборудование и промышленная продукция. Принципы структурирования и справочные материалы).