Co to jest PID?

PID to algorytm regulacji, który jest powszechnie wykorzystywany w automatyce przemysłowej. Pierwsze regulatory PID zastosowano w praktyce początkiem XX wieku i spotkały się z bardzo dużym zainteresowaniem, ponieważ dawały dużo większe możliwości w stosunku do regulacji PI. Prace nad wykorzystaniem regulacji PID trwają do dziś, a specjaliści poszukują nowych rozwiązań algorytmu tego typu.

Algorytm regulacji PID

Aby zrozumieć co to jest PID, trzeba wyjaśnić znaczenie trzech członów, które wchodzą w skład tej nazwy. Regulatory PID są inaczej nazywane regulatorami proporcjonalno-całkująco-różniczkującymi ze względu na elementy, które składają się na algorytm regulacji PID:

• P – proporcjonalny (dąży do równoważenia uchybów bieżących)
• I – całkujący (odpowiada za wcześniejsze uchyby)
• D – różniczkujący (przewiduje przyszłe uchyby)

Wymienione powyżej trzy oddzielne akcje sterujące razem tworzą sygnał podawany na proces. Skuteczność sterowania zależy od harmonijnej współpracy wszystkich trzech akcji.

Prawidłowe działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zależy od doboru odpowiedniego typu regulatora do konkretnego obiektu regulacji. Poprawność działania UAR jest wyrażana jakością regulacji, w której pod uwagę brane są takie czynniki jak uzyskany komfort cieplny, ilość spalonego paliwa oraz wpływ na środowisko naturalne.

W przypadku regulacji procesu spalania w kotle na paliwo stałe mamy do czynienia z niestabilnym obiektem, gdzie zakłócenia procesu regulacji występują bardzo często.

Znaczenie sygnałów pomiarowych w procesie regulacji

Wskazania czujników pomiarowych oraz ich niezawodność decydują o dokładności regulacji. Błędy wskazań są przenoszone w całości na układ regulacji. Układ sprzężenia zwrotnego w regulatorze nie eliminuje tych błędów.

Pomiar temperatury spalin

Zastosowanie dodatkowego czujnika do pomiaru temperatury spalin na czopuchu komina pozwala na bardziej precyzyjną regulację: ilości powietrza oraz porcji paliwa potrzebnego do efektywnego spalania. Czujnik temperatury spalin zapobiega marnowaniu energii, dzięki ograniczaniu strumienia paliwa oraz mocy wentylatora, nie pozwalając na przekroczenie maksymalnej temperatury spalin.

Sonda Lambda w kotle na paliwo stałe?

Niejednorodność i często zła jakość paliwa stosowana w kotłach oraz różny ciąg kominowy w instalacjach wymusiły konieczność zastosowania dodatkowego czujnika pomiarowego informującego o rzeczywistej ilości tlenu (powietrza) w procesie spalania.

Na podstawie badań i testów oraz informacji serwisowych ustalono, że potrzebny będzie dodatkowy pomiar zawartości tlenu w komorze spalania lub spalinach.
Takim rozwiązaniem jest sonda Lambda, która mierzy zawartość tlenu w spalinach. Użycie sondy Lambda w kotle na paliwo stałe (zwłaszcza węglowym) jest trudne, sonda wymaga częstego czyszczenia i łatwo może ulec uszkodzeniu. Jest też nieopłacalne ze względów ekonomicznych.

Turbinka powietrzna z hallotronowym czujnikiem obrotów i jej znaczenie w regulacji zPID

Nowe możliwości daje niespotykane dotąd na rynku rozwiązanie – turbinka powietrzna z hallotronowym czujnikiem obrotów, która jest montowana do wentylatora dostarczającego powietrze z automatycznym podawaniem paliwa stałego.

Zaletą powyższego rozwiązania jest uzyskanie bieżących wartości rzeczywistego przepływu powietrza do kotła (w tym zawartego w powietrzu tlenu), niezależnie od zmiennego ciągu kominowego, obrotów wentylatora, granulacji paliwa i stanu zatkania palnika kotła.

Pomiar przepływu pozwala na dokładne dozowanie powietrza do spalania w stosunku do porcji paliwa zadawanej przez algorytm regulacji sterownika elektronicznego.

Modulacja mocy pozwala na utrzymywanie ognia przy małym zapotrzebowaniu na ciepło. Dzięki płynnemu wzrostowi mocy (zwiększaniu strumienia paliwa i mocy wentylatora) energia wytwarzana w procesie spalania jest wykorzystywana w maksymalnym stopniu (wymiennik ciepła kotła jest w stanie odebrać wytwarzaną energię, dzięki czemu nie jest ona marnowana i wypuszczana przez komin).

Podczas efektywnego spalania opału zmniejsza się emisja substancji szkodliwych dla środowiska. Oszczędności w spalaniu mogą wynosić kilkanaście, a nawet więcej procent w porównaniu z regulacją dwustawną.

Sterowniki kotłowe z regulacją PID w kotłach zasypowych

Regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym zPID (wykorzystujące algorytm regulacji PID) są wykorzystywane w sterownikach do kotłów firmy TECH Sterowniki. W sterownikach moc nadmuchu obliczana jest na podstawie pomiaru temperatury kotła i temperatury spalin mierzonej na wylocie kotła. Praca wentylatora odbywa się w sposób ciągły w czasie, a moc nadmuchu zależy bezpośrednio od mierzonej temperatury kotła, temperatury spalin i różnicy tych parametrów od ich wartości zadanych. Stabilne utrzymywanie temperatury zadanej bez zbędnej edycji parametrów i oscylacji to zalety regulatora zPID. Dla prawidłowego funkcjonowania ważne jest zamontowanie odpowiedniego wentylatora.

Oprócz regulatorów PID firma TECH Sterowniki wykorzystuje w swoich urządzeniach także dwie inne grupy regulatorów, które odróżnia od regulatorów PID rodzaj sygnału wyjściowego sterującego nadmuchem:

• Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym (dwustawne – zał. /wył.) 
• Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym (dwustawne – zał. /wył.) plus regulacja „sigma”.

Poniżej przedstawiamy wyniki badań przeprowadzonych na kotle zasypowym z zastosowaniem sterownika z sygnałem wyjściowym nieciągłym (dwustawne-zał/wył) oraz sterownika zPID.

Wykres obrazujący pracę kotła ze sterownikiem ST-81

Sterownik ST-81 z histerezą dwa stopnie Celsjusza. Charakterystyczne dla regulacji dwustawnej oscylacje wokół wartości zadanej. Jeżeli kocioł zbyt wolno reaguje na zmiany temperatury odchyłka w górę lub w dół względem wartości zadanej może być zbyt duża. Negacja tego sterowania w kotłach CO byłaby przesadą. W większości wypadków regulatory te dobrze dają sobie radę w procesie ogrzewania budynków i dokładność utrzymywania temperatury zadanej jest zadowalająca.

Wykres obrazujący pracę kotła wyposażonego w sterownik ST-81 zPID

Sterownik ST-81 zPID. Widzimy na wykresie pierwsze przeregulowanie występujące po rozpaleniu w kotle. Później nasz regulator bardzo dobrze radzi sobie z utrzymaniem temperatury zadanej na kotle. Regulacja jest płynna, temperatura mierzona utrzymuje się na zadanym poziomie mimo niestabilności obiektu regulacji, jakim jest kocioł CO i ogrzewany budynek. Krzywa poniżej temperatury zasilania i powrotu przedstawia temperaturę spalin mierzoną na wylocie z kotła. Jest to drugi obok temperatury zadanej podstawowy parametr wykorzystany do regulacji.