57 Speciale regelingen 3.1 Verschil tussen enkelvoudige regeling en samengestelde regelingen De regelkring zoals je hem kent, met regelaar, proces, corrigerend en sensor is een enkelvoudige regelkring. Er zit namelijk maar een regelaar, een proces, een corrigerend en een sensor in de regelkring. Meer complexe regelkringen hebben bijvoorbeeld 2 regelaars of 2 corrigerende organen in de kring. Dit noem je een meervoudige regelkring. Het spreekt voor zich dat het afstellen van een meervoudige regelkring heel wat moeilijker is. 3.2 Verhoudingsregeling 3.2.1 Voorbeeld 1: Chocolademelk In een fabriek produceert men chocolademelk van een bepaalde concentratie. Men doet dit door melk te combineren met chocoladepasta in een bepaalde verhouding (bijvoorbeeld: 15 delen melk voor 1 deel chocopasta). Het debiet van de chocopasta en de melk worden gemeten met aparte sensoren. De regelaar van de verhoudingsregeling kan enkel ingrijpen op één van de twee leidingen. Op het schema is dit de klep van de chocopasta. roerder FT 2 FfC FT 1 chocopasta melk chocolademelk Figuur 31: P&ID chocolademelk (verhoudingsregeling)
58 Men kan dit niet regelen met een eenvoudige regeling, want als het debiet van melk of chocopasta wijzigt, moet de andere in de juiste verhouding mee. Er moeten dus 2 grootheden gemeten worden (debiet melk en debiet chocopasta) en in een eenvoudige regelkring staat maar één sensor. Er zijn nu 2 uiterste situaties: - Als de hoeveelheid melk stijgt, dan moet het debiet van de chocopasta ook verhoogd worden volgens de juiste verhouding. - Als de hoeveelheid melk daalt, dan moet het debiet van de chocopasta ook verlaagd worden volgens de juiste verhouding. 3.2.2 Blokschema w Regelaar y G 1 G 2 = x G 1 G 2 Sensor 1 Sensor 2 Proces Figuur 32: Blokschema verhoudingsregeling Er wordt tweemaal gemeten, grootheid 1 (G 1 en G 2 ). De verhouding tussen de twee grootheden wordt genomen. Dit getal wordt aan de regelaar gegeven als gemeten waarde x. De gewenste waarde van de regelaar is de ideale verhouding. De regelaar heeft dus nog steeds 2 ingangen (gewenste waarde x en gewenste waarde w) en 1 uitgang (regelwaarde y).
59 Oefening 1. Kijk naar de P&ID van de productie van chocolademelk. Vul, op het schema hieronder de specifieke termen voor de verhoudingsregeling aan. 15 w Regelaar y Debiet melk nu FT 1 = x FT 2 Debiet choco nu FfC Sensor 1 Debiet melk FT 1 Sensor 2 Proces Debiet choco FT 2 Verhouding melk/choco meten en regelen klep choco 3.2.3 Voorbeeld 2: Reactievergelijking Product A Product C Product B FT 1 FT 2 FrC Figuur 33: P&ID Product A en B vormen C (verhoudingsregeling) In de chemische industrie is een verhoudingsregeling nodig voor het doseren van producten voor een reactie (reagentia). Deze moeten volgens een specifieke verhouding (in mol) toegevoegd worden.
60 Deze (fictieve) reactie is: 3 A + B 3 C In de aflopende reactie hierboven geven 3 mol A en 1 mol B uiteindelijk 3 mol C. De toestellen die debiet meten, worden uitgedrukt in kg. Daarom moeten de molverhoudingen omgerekend worden naar gewichten. Dit doe je door aantal mol om te zetten naar kilogram, via de molmassa. Stof A heeft bijvoorbeeld een molmassa van 120 Daar moet rekening mee gehouden worden.!. Stof B heeft een molmassa van 240!. "#$ "#$ De omrekening gebeurt zo: 3 A + 1 B 3 C 3 x 120! "#$ 1 x 240 = 360 g A = 240 g B De verhouding wordt hier bvb.! "#$ % = ()* = ( = 1,5 & +,* + ()* De massaverhouding = 1,5 is dus anders dan de molverhouding ( % = 3. +,* 1 & Men gaat altijd werken met de massaverhouding, want de metingen gebeuren met massadebietsmeters. De gewenste waarde w van de regelaar zal dus in dit geval 1,5 zijn.
61 Oefeningen 1. Vul hieronder het algemene blokschema in voor de verhoudingsregeling. Schrijf, in een andere kleur, de specifieke termen voor de regeling van hierboven erbij. 15 w Regelaar y Debiet melk nu FT 1 = x FT 2 Verhouding nu FrC Sensor 2 Sensor 1 Proces Debiet product B FT 2 Debiet product A FT 1 Verhouding product A klep product A En product Bmeten en regelen 2. Methaangas (CH 4 ) wordt verbrand met zuurstofgas (O 2 ) tot koolstofdioxide (CO 2 ) en water (H 2 O). De reactievergelijking vind je hieronder: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O! De molmassa van methaan is 16. De molmassa van zuurstofgas is 32!. De "#$ "#$ metingen zijn massadebietsmetingen. Wat is de gewenste waarde van de verhoudingsregelaar? Massadebiet dus kilogram 1 mol CH 4 en 2 mol O 2 Dus 16 g methaan en 2 x 32 g zuurstofgas = 16 kg methaan en 64 kg zuurstofgas De verhouding is 64/16 = 4
62 3.3 Split range 3.3.1 Voorbeeld 1: Koelen/opwarmen Een split-range-regeling is een regelkring met een regelaar en een sensor, maar met twee corrigerende organen. Hier gebruik je als voorbeeld een reactorvat. Dit reactorvat kun je verwarmen door stoom door een warmtewisselaar te sturen en koelen door koelwater door de dubbele tankwand te laten stromen. Het doel is hier om de temperatuur op 50 C te houden. Als de temperatuur in het reactorvat boven de gewenste waarde stijgt, wordt er gekoeld. Daalt de temperatuur echter onder de gewenste waarde, dan wordt er verwarmd. TC TT KOELING Reactor KOELING Koelwater uit Koelwater in Stoom in Stoom uit Figuur 34: P&ID split range - koelen en opwarmen Het stuurbereik van de regelaar wordt in 2 gelijke stukken verdeeld en de regelaar 'weet' dat hij bij te lage temperaturen alleen de stoomklep moet bedienen en bij te hoge temperaturen alleen de koelklep. Als de temperatuur lager is dan de gewenste waarde, wordt de stoomkring ingeschakeld. Als de temperatuur hoger is dan de gewenste waarde, wordt de koelkring ingeschakeld. Als de ene kring is ingeschakeld, is de andere kring uitgeschakeld. Anders zouden ze elkaar tegenwerken. Daarom spreekt men ook van split range, gescheiden (stuur)bereik. Naargelang de uitgestuurde waarde van y, zal het ene of het andere corrigerend ingrijpen.
63 3.3.2 Schema w x Regelaar y Sensor Proces Figuur 35: Blokschema split range Er wordt dus 1 keer gemeten, er is 1 regelaar. Deze regelaar stuurt zijn stuursignaal door naar 2 corrigerende organen. Oefening 1. Kijk naar de P&ID hierboven van opwarmen/koelen. Vul, op het schema hieronder de specifieke termen voor de split range regeling aan. 50 C w Regelaar y x TC temperatuur reactor nu Sensor Proces temperatuur reactor TT temperatuur reactor meten en regelen klep stoom klep koelwater
64 3.3.3 Grafiek gedrag corrigerende organen in functie van stuursignaal y klepstand open STOOM KOEL 0% 50% 100% x < w (te koud) x > w (te warm) Stuursignaal y x = w (ideaal) Figuur 36: Grafiek corrigerende organen in functie van y Naargelang de gemeten waarde x, zal de regelaar de beslissing nemen wat corrigerend 1 (stoom) of corrigerend 2 (koelwater) zal doen. Een voorbeeld hieronder. De gemeten waarde is kouder dan de gewenste waarde. Op basis van zijn instellingen beslist de regelaar om een stuursignaal uit te zenden van 20 %. Ditzelfde stuursignaal wordt doorgestuurd naar de stoomkring en de koelkring. Maar, wat ze er elk mee doen is anders. De stoomkring gaat in dit geval open, terwijl de koelkring gaat. klepstand open 65% STOOM KOEL 20% 0% 50% 100% x < w (te koud) x > w (te warm) Stuursignaal y x = w (ideaal) Figuur 37: Grafiek corrigerende organen in functie van y (x = 20%) De klep van de stoom gaat 65% open. De klep van de koelkring gaat 0% open (volledig dus).
Een tweede voorbeeld. De gemeten waarde is warmer dan de gewenste waarde. Op basis van zijn instellingen beslist de regelaar om een stuursignaal uit te zenden van 60 %. Ditzelfde stuursignaal wordt doorgestuurd naar de stoomkring en de koelkring. Maar, wat ze er elk mee doen is anders. De koelkring gaat in dit geval open, terwijl de stoomkring gaat. 65 klepstand open STOOM KOEL 20% 0% 50% 60% 100% x < w (te koud) x > w (te warm) Stuursignaal y x = w (ideaal) Figuur 38: Grafiek corrigerende organen in functie van y (x = 20%) De klep van de koelkring gaat 20% open. De klep van de stoomkring gaat 0% open (volledig dus). 3.3.4 Split range met hysteresis Om ervoor te zorgen dat in de middenzone je niet bij kleine variaties in stuurwaarde constant openende en sluitende kleppen krijgt, werkt men met een hysteresiszone. klepstand open STOOM KOEL 0% 45% 55% 100% Stuursignaal y hysteresis Figuur 39: Grafiek reactie corrigerende organen in functie van y - met hysteresis
66 3.3.5 Split range met kruisende outputs klepstand open 0% 45% 55% 100% Stuursignaal y hysteresis Figuur 40: Grafiek corrigerende organen in functie van y met kruisende outputs 3.3.6 Voorbeeld 2: Zuur/base In een buffertank krijgen we methylcellullose vanuit een vode reactor met een variabele ph. De klant wil een oplossing krijgen van een neutrale ph. Daarom gaan we de ph bijregelen door toevoegen van HCl (zuur) of NaOH (base). We meten de ph van de inkomende vloeistof via de sensor QT. Deze stuurt zijn waarde door naar de regelaar QC. Op basis van de fout (x-w) zal een beslissing genomen worden. Is de ph te laag, dan moet meer zuur toegevoegd worden. Is de ph te hoog, dan moet meer base toegevoegd worden. QC QT klep NaOH klep HCl Inkomend met bepaalde ph roerder Juiste ph Figuur 41: P&ID split range - zuur/base
67 Oefeningen 1. Kijk naar de P&ID hiervoor van zuur/base. Vul, op het schema hieronder de specifieke termen voor de split range regeling aan. 7 w Regelaar y x ph nu QC Sensor Proces ph voeding QT ph voeding meten en regelen klep base klep zuur 2. Zie de grafiek hieronder. Vul de assen aan. Geef aan welke lijnen (vol of stippellijn) staan voor NaOH of HCl. Als de stuurwaarde 0% is, is de gemeten waarde ph 0. Is de stuurwaarde 100%, is de gemeten waarde ph 14. % klep open base zuur 0% 50% 100% ph 0 ph 7 ph 14 x
68 3. De klant is tevreden als de waarde tussen ph 6,5 en ph 7,5 ligt. Herteken de grafiek, rekening houdend met de hysteresis. klepstand open BASE ZUUR 0% 45% 55% 100% Stuursignaal y ph 0 ph 6,5 hysteresis ph 7,5 ph 14 3.3.7 Voorbeeld 3: stikstofbelegging van een tank P&ID Figuur 42: P&ID stikstofbelegging tank Uitleg De stikstofdruk wordt gemeten in de tank en binnen gelezen op de drukregelaar als de meetwaarde x. Is de druk te hoog in de tank dan zal het ontluchtingsventiel meer open gaan zodat de stikstof kan ontsnappen naar buiten.
Is de druk te laag dan zal het inlaatventiel meer open gaan zodat de druk kan stijgen. Wanneer de druk x gelijk is aan de gewenste waarde dan zijn beide ventielen gesloten en is de uitgang van de regelaar 50 %. Schema Vul, op het schema hieronder de specifieke termen voor de split range regeling aan. 69 ingestelde druk w Regelaar y x druk tank nu PC Sensor Proces druk tank PC ph voeding meten en regelen klep N 2 V1 klep afvoer V2 Grafiek klepstand in functie van stuurwaarde y Geef aan welke lijnen (vol of stippellijn) staan voor V1 of V2. Als de stuurwaarde 0% is, is de gemeten waarde ph 0. Is de stuurwaarde 100%, is de gemeten waarde ph 14. % klep open V1 V2 0% 50% 100% x te lage druk te hoge druk
70 3.3.8 Oefeningen QC QT klep zwarte verf klep witte verf rood rood van gewenste donkerheid roerder In verffabriek mengt men de kleuren bij tot een bepaalde graad van donkerheid (dit is de gewenste waarde). Bij het inkomen van de reactor, wordt de donkerheid van de kleur gemeten (QT). Men maakt de kleur donkerder door toevoegen van zwart (klep zwart), men maakt de kleur lichter door toevoegen van wit (klep wit). 1. Vul hieronder het blokschema aan van de split range. Schrijf, naast de algemene termen, ook de specifieke waarden/betekenis voor deze regeling ernaast. ( gewenste donkerheid ) gewenste waarde (w) """""" gemeten waarde (x) ;""""""" ( donkerheid nu ) [ Sensor ] ß [ Proces ] [ Regelaar ] stuursignaal (y) ( QC ) """""""? ""? $ $ $ $ $ $ $ $ ß [ 1 ] $ ( klep zwarte verf ) $ ( donkerheid ( donkerheid meten ß [ 2 ] voeding QT ) en regelen ) ( klep witte verf )
2. Teken een grafiek (X-as = stuurwaarde y en Y-as = openen van de kleppen wit en/of zwart, beide tussen 0 en 100%) van de regelkring. Benoem de assen. Geef duidelijk aan waar men spreekt van klep 1 en waar men spreekt van klep 2. We koppelen 4 ma aan de donkerste kleur gemeten. 20 ma koppelen we aan de lichtste kleur gemeten. De stuurwaarde gaat van 0 % naar 100 % 71 > % klep open ( ) ( ) wv wv klep wit klep zwart ---------------------------------------- ========================== > 50 % 100 % 0 % donkerder dan gewild lichter dan gewild x = donkerheid