Измеритель-регулятор (ИР, контроллер) – это электронный прибор, выполняющий две ключевые функции: непрерывное измерение технологического параметра (температуры, давления, расхода, уровня, pH, влажности и др.) и его автоматическое поддержание на заданном пользователем значении (уставке) посредством формирования управляющего сигнала для исполнительных устройств. Это основа систем автоматического регулирования (САР) в промышленности, энергетике и ЖКХ.
Работа измерителя-регулятора строится по принципу замкнутого контура управления (контура обратной связи). Прибор постоянно сравнивает измеренное значение (PV – Process Variable) с заданной уставкой (SP – Set Point). Разность между ними – ошибка регулирования (e=SP-PV). На основе этой ошибки и выбранного закона регулирования прибор вычисляет величину управляющего воздействия (MV – Manipulated Variable), подаваемого на исполнительный механизм (нагреватель, клапан, привод и т.д.).
Типовая структурная схема включает: входной блок (нормализация сигнала с датчика, фильтрация), АЦП, микропроцессор (вычисление ошибки, реализация алгоритма регулирования), блок задания уставки, выходной блок (формирование сигнала для исполнительного устройства), блок индикации и интерфейсы связи.
| Параметр | Описание и типовые значения |
|---|---|
| Диапазон измерения | Определяется типом подключенного датчика (напр., для Pt100: -200…+850°C). Универсальные ИР поддерживают несколько диапазонов. |
| Точность измерения | Обычно 0.1…0.5% от диапазона измерения. Зависит от класса АЦП и алгоритмов обработки. |
| Дискретность (разрешение) индикации | 0.1°C, 1°C, 0.1 ед. pH и т.д. |
| Выходные сигналы | Реле (3А, 250В AC), транзисторный ключ (12/24В DC), аналоговый (0-10В, 4-20 мА), импульсный (ШИМ), позисторный. |
| Параметры ПИД-регулирования | Зона пропорциональности (P, % или °C), время интегрирования (Ti, сек), время дифференцирования (Td, сек). Настраиваются пользователем или через функцию автонастройки (AT). |
| Дополнительные входы/выходы | Доп. дискретные входы (сухой контакт) для запуска/останова, дополнительное реле для сигнализации (по отклонению, абсолютному значению). |
| Питание | 85-264 В AC, 24 В DC/AC – универсальное, либо фиксированное. |
| Степень защиты (IP) | Для лицевой панели: IP65 (защита от струй воды), для тыльной части: IP20. |
| Интерфейс связи | RS-485, Ethernet, USB (для конфигурации). |
Современные измерители-регуляторы эволюционируют в сторону увеличения вычислительной мощности и коммуникационных возможностей. Активно развиваются функции: многоканальность (один прибор управляет несколькими контурами), встроенные самодиагностика и диагностика объекта управления (анализ на «залипание» клапана, обрыв датчика), продвинутые алгоритмы адаптивного ПИД-регулирования, возможность работы по данным из сети (уставка от другого прибора или АСУ). Широкое распространение получают web-интерфейсы для настройки через браузер и OPC-серверы для простой интеграции в SCADA-системы.
ПИД-регулятор содержит дополнительную дифференциальную (D) составляющую, которая реагирует на скорость изменения ошибки. Это позволяет ему «предвидеть» будущие отклонения и быстрее компенсировать возмущения. ПИД необходим для контуров с малой инерцией и быстрой динамикой (регулирование давления, расхода, скорости). Для большинства температурных процессов, обладающих значительной инерцией и емкостью (нагрев печей, поддержание температуры в помещении), достаточно ПИ-алгоритма. D-составляющая в таких процессах часто приводит к излишней «нервности» регулятора и усилению влияния помех от датчика.
Автонастройка – это процедура, при которой регулятор, анализируя реакцию объекта на ступенчатое изменение выходного сигнала, самостоятельно вычисляет оптимальные коэффициенты P, I, D. Для ее успешного проведения необходимо: 1) Установить начальные, безопасные для процесса коэффициенты (часто в приборе есть «мягкие» предустановки). 2) Обеспечить стабильность процесса на момент запуска AT (PV близко к SP). 3) Задать амплитуду возмущения (обычно 5-10% от диапазона выхода), достаточную для четкой идентификации объекта. 4) Убедиться, что за время настройки в систему не будут вноситься внешние возмущения. Результаты AT всегда требуют проверки и, возможно, ручной коррекции.
Каскадное регулирование – это схема с двумя контурами и двумя регуляторами. Внешний (главный) регулятор получает уставку по основному параметру (например, температура в печи) и его выход служит уставкой для внутреннего (подчиненного) регулятора, который управляет более быстрым вспомогательным параметром (например, давление газа в горелке). Это применяется, когда основное возмущение воздействует именно на вспомогательный параметр, или когда объект имеет большую инерционность и запаздывание. Каскадная схема значительно повышает качество и быстродействие регулирования в сложных системах.
Раскачка (неустойчивые колебания) процесса свидетельствует о неправильно подобранных настройках ПИД. Основные причины: 1) Слишком большое значение пропорционального коэффициента (P) или слишком малая зона пропорциональности. 2) Слишком малое время интегрирования (Ti), что приводит к агрессивной работе интегральной составляющей. 3) Использование дифференциальной составляющей (D) на зашумленном сигнале датчика без его должной фильтрации. Для устранения необходимо ослабить настройки (увеличить P-зону, увеличить Ti), включить фильтр низких частот на входе и/или повторно провести автонастройку.
Выбор определяется типом исполнительного механизма и требованиями к точности. Релейный выход (on/off) применяется для управления двухпозиционными устройствами: включение/выключение ТЭНа, циркуляционного насоса, компрессора. Он прост и дешев, но приводит к циклическим колебаниям параметра вокруг уставки (гистерезис). Непрерывный аналоговый выход (4-20 мА) или ШИМ необходим для пропорциональных устройств: регулирующий клапан с приводом, частотный преобразователь насоса, симисторный ключ с фазовым управлением. Он обеспечивает плавное изменение воздействия и высокую точность поддержания параметра без циклических колебаний.