Co to jest regulator PID?

Procesy przemysłowe opierają się na regulacji zmienych procesowych takich jak temperatura, ciśnienie, przepływ itd. Jakość procesu i tym samym finalnego produktu niejednokrotnie zależy od prędkości jak i jakości regulacji wspomnianych zmiennych. Sterowanie wielkościami pomiarowymi w odpowiednim czasie i na podstawie ich aktualnych oraz docelowych wartości nie jest łatwym zadaniem. W tym celu, współczesne nowoczesne fabryki działają w oparciu o urządzenia o zaawansowanej technologii takie jak regulatory PID lub sterowniki działające w oparciu o algorytm regulacji PID. Regulacja ta cechuje się szybką odpowiedzią na sygnał wartości zadanej oraz niwelacją różnicę pomiędzy wartością zadaną a zmierzoną, co skutkuje wysoką wydajnością procesów.

Podstawy procesu regulacji

Regulator PID, nazywany jest również regulatorem proporcjonalno-całkująco-różniczkującym. Trójczłonowa nazwa jednoznacznie wskazuje na jednoczesne zastosowanie trzech członów o różnej charakterystyce regulacji. Każdy z członów regulatora PID działa na innej zasadzie. Zadaniem regulatora PID jest utrzymanie wielkości pomiarowej, podlegającej regulacji, na zadanym poziomie lub jej zmianę według odpowiedniej, zdefiniowanej w początkowych założeniach produkcyjnych, charakterystyki. W skrócie, zasada działania regulatora PID opiera się na obliczeniu wartości uchybu regulacji, czyli różnicy pomiędzy wartością rzeczywistą obecną w procesie np. temperatura pieca, a wartością zadaną czyli taką którą należy osiągnąć w celu realizacji założeń produkcyjnych. Przyjęty algorytm PID próbuje zmniejszyć wartości uchybu w taki sposób aby zapewnić maksymalnie szybką odpowiedź układu sterowania bez ryzyka wystąpienia oscylacji wielkości procesowej i przeregulowania.

Przykład układu regulacji

Jako przykład można przytoczyć proces regulacji temperatury procesu pasteryzacji mleka tzn. UTH (Ultra High Temperature). Precyzyjne zabiegi technologiczne obróbki cieplnej zapewniają całkowite zniszczenie żywych komórek drobnoustrojów. Mleko UHT cechuje się długą zdatnością do spożycia liczoną w miesiącach w warunkach przechowywania o temperaturze pokojowej. Wymienione cechy gotowego produktu są możliwe do osiągnięcia dzięki procesowi sterylizacji mleka w bardzo wysokiej temperaturze ok. 135 do 150oC przez bardzo krótki czas 1-2 sekund. Następnie mleko jest szybko chłodzone do temperatury pokojowej 20oC. W celu zapewnienia bezpieczeństwa mleka spożywczego wspomniany proces regulacji temperatury musi być przeprowadzony w sposób niezwykle precyzyjny, a osiągnięcie wartości zadanej powinno przebiegać bez oscylacji i przeregulowania.

Informacja o aktualnej temperaturze mleka pochodzi od czujników temperatury RTD lub termopary, które są bezpośrednio podłączone do regulatora PID. Na podstawie wartości zadanej (w) i sygnału pochodzącego od czujnika temperatury (x), regulator steruje zaworem sterującym energią elementów grzejnych. Poziom wyjściowy z regulatora zawiera się w zakresie od 0 do 100%. Wskazanie 100% oznacza, że do elementów grzejnych dostarczana jest maksymalna możliwa ilość energii celem możliwie najszybszego wzrostu temperatury. Wskazanie 50% oznacza, że doprowadzana do pieca jest około połowa ilości energii. A zatem, procentowe wskazanie na regulatorze wskazuje przybliżony procent maksymalnej mocy wyjściowej. Wartość uchybu (e) wynika z różnicy wartości zadanej (w) i aktualnej temperatury mleka (x).