Työ 3 - Pilot-vesijohtoverkoston virtaaman säätö - Ryhmä 4

Ryhmä 4: Nanni Aliklaavu, Antti Kuisma ja Tapio Moisala

Suunnitelma

Koeasettelu

Mittaus tapahtuu Savonian vesilaboratoriossa. Vesijohtoverkkoon tehdään askelmaisia virtauksen muutoksia. Mittausta tarkkaillaan valvomosta monitorista käyttöliittymän kuvaajien avulla. Jatkuvan värähtelyn menetelmällä määritetään parametrit säätimelle. Kun pumpun tehoa säädetään taajuusmuuntajan avulla, syntyy kuormitushäiriö pilot-vesijohtoverkossa.

Jatkuvan värähtelyn menetelmä

Asetetaan derivointiaika nollaksi. Asetetaan integrointiaika äärettömän suureksi, jolloin säädin on pelkällä P-säädöllä.

Varmistetaan että koetilanteessa järjestelmään ei ole olennaisesti vaikuta häiriösuureita tai kuormitusvaihteluja.

Lisätään varovasti manuaalisesti säätimen vahvistusta, kunnes säätöpiirin värähtely kasvaa. Kun värähtely on jatkuvaa vakio amplitudilla tapahtuvaa, on saavutettu säätöpiirin stabiilisuusraja. Vahvistus, jolla jatkuva värähtely on saatu aikaan, kutsutaan kriittiseksi vahvistukseksi ja sen yksikkö on K_Pkriit. 

Määritetään tämän kriittisen vahvistuksen aikaansaaman jatkuvan värähtelyn jakson pituus
T_kriit, jota kutsutaan kriittiseksi jaksonajaksi.

Lasketaan värähtelyn menetelmän mukaiset suositukset tarvittaville säätöparametreille Ziegler-Nicholsin kaavalla.

Mitattavat muuttujat

Suureina on säätimen vahvistus K_P ja integrointiaika T_I.

Raportti

1. Kohteen esittely

Kuva 1 Savonian vesilaboratorion pohjakuva

 

Käytetty järjestelmä

• Virtausputkisto, joka kiertää hallin reunoja
• Grundforsin pumppu ja taajuusmuuntaja
• Säätöpiste, jossa on PI-säädin ja virtausnopeuden muunnin
• WinCC - valvomo, jonne tallentui reaaliaikaisesti virtausnopeuden käyrä

 2. Säätimen esittely

Kuva 2 Kompakti virtauksen säädin

Taulukko 1 Virtaussäätimen tekniset tiedot

 

PI-säätö tehtiin Burkert - virtaussäätimen avulla (Kuva 2), jonka tekniset tiedot ovat taulukossa 1.Säätimellä säädettiin K ja I parametrejä. Säätimellä oli erillinen näyttö (Kuva 3), jolla muutettiin virtausnopeuden aserusarvoa [litraa/min].

Kuva 3 Näyttö, jolla muutettiin virtauksen asetusarvoa

3. Säädetyt parametrit ja tulokset

Työssä viritettiin säätimen suureita vahvistus ja integrointiaika, jotta säätö olisi mahdollisimman hyvä. Säädön viritys tehtiin käyttämällä jatkuvan värähtelyn menetelmää, suunnitelmamme mukaisesti.

 Pumpun taajuusmuuntajalla putkistoon asetettiin 3,1 baarin paine. Vahvistuksen arvoksi määritimme
K_P = 2,844 ja integrointiajaksi T_I = 3,23. Muuttujien määritys tehtiin valvomon monitorin kuvaajista hyödyntämällä laitevalmistajan antamia kaavoja.

4. Säädön kuvaajat

 

 5. Säädön hyvyyden tarkastelu

Säädön hyvyyttä voidaan arvioida suhteellisesti seuraavien tekijöiden avulla:

• Asettumiseen kulunut aika on lyhyt
• Yliheilahduksen suuruus on mahdollisimman pieni ja heilahtelun määrä vähäistä
• Säädön korjauskyky asetusarvon, kuormituksen ja syötön häiriöissä, säätö ei jää värähtelemään

Säätöpiirin hyvyyttä testattiin muutamalla virtausta arvosta 1 l/min - 1,5 l/min. Kuvaajaa tarkastelemalla voidaan huomata säädön asettumiseen kuluvan ajan olevan 22 sekuntia, joka on mielestämme hyvä asettumisaika. Yliheilahdus on 1,65, joka on 0,15 halutusta asetusarvosta, eikä jää värähtelemään. Säätö lähes tavoittaa halutun asetusarvon. Mielestämme säätö oli onnistunut ja täyttää hyvän säädön ominaisuudet.

6. Yhteenveto säädön toteutuksesta

Oli tärkeää lukea suunnitteluohjeet, joissa neuvottiin miten työssä lähdetään liikkeelle. Aluksi säädimme kaikkia mahdollisia parametrejä ja seurasimme miten virtausnopeuden käyrä reagoi muutoksiin. Huomasimme, että kun muutimme virtausnopeuden 1 -> 2 l/min, niin virtausnopeus ei saavuttanut haluttua 2 l/min arvoa, josta keksimme, että säätämällä pumpun taajuusmuuntajaa 10 % suuremmaksi, saatiin haluttu virtaaman muutos.

Kuva 4 Grundforsin pumppu

Kuva 5 Pumpun taajuusmuuntaja

Suunnitelmamme mukaan I - parametri säädettiin mahdollisimman suureksi, jotta se ei vaikuttaisi prosessiin. K-parametria muuntamalla pyrittiin löytämään säätö, jolloin käyrä värähteli asetusarvon ympärillä. Saimme värähtelyn aikaiseksi useiden yritysten jälkeen. Tämän kriittisen K-arvon avulla oli helppo laskea sopiva K- ja I-arvo, joilla saatiin paras vaste. Tallensimme nämä arvot säätimeen ja teimme kokeita muuttamalla virtausnopeutta. Käyrä reagoi todella hyvin. Lopuksi testasimme kuormitushäiriöitä muuttamalla pumpun taajuusmuuntajan arvoa (Kuva 5). Kokeen jälkeen seurasi tulosten analysointi SAMI-ohjelmiston avulla. Näillä tiedoilla laadittiin raportti.