Regulacja temperatury – stanowisko dydaktyczne
Stanowisko dydaktyczne związane z regulacją temperatury

Regulacja temperatury jest jedną z najczęściej spotykanych czynności w przemyśle. Temperatura jest istotnym parametrem w wielu różnych branżach i procesach technologicznych. Najczęściej zależy nam na tym, aby temperatura utrzymywała się na określonym poziomie lub oscylowała w zadanym przedziale. Do osiągnięcia tego celu wykorzystujemy rozmaite algorytmy regulacji: dwustawną, trójstawną, PID, kaskadową.

Obiekt regulacji

W procesie dydaktycznym w szkołach technicznych i na studiach inżynierskich bardzo ważne jest opanowanie wiedzy związanej z algorytmami regulacji. Podstawą jest oczywiście wiedza teoretyczna. Niezmiernie ważne jest również opanowanie umiejętności praktycznych. I tu z pomocą przychodzą różnego rodzaju stanowiska dydaktyczne pozwalające na automatyczną regulację temperatury. Do budowy takich stanowisk wykorzystujemy typowe wersje regulatorów przemysłowych. Są to urządzenia, z którymi absolwenci na pewno spotkają się trafiając do zakładów przemysłowych. Podstawową różnicą pomiędzy rzeczywistym procesem przemysłowym a stanowiskiem dydaktycznym jest obiekt regulacji. Zamiast ogromnych kadzi czy tanków do budowy stanowiska dydaktycznego wykorzystujemy niewielkie gabarytowo elementy lub urządzenia. Dzięki temu uzyskujemy możliwość łatwego i szybkiego wymuszenia zmian wartości regulowanej temperatury. 

Regulacja temperatury – grzanie i chłodzenie

 Bardzo często takim elementem powodującym zmiany temperatury jest rezystancyjna grzałka elektryczna. Instalujemy ją w naczyniu z wodą i po uruchomieniu obserwujemy wzrost temperatury w obiekcie regulacji. Równie dobrze zamiast grzałki elektrycznej zasilanej z sieci 230 V możemy zastosować oporniki mocy. Bardzo dobrze sprawdzą się tu oporniki drutowe. Mają niewielkie gabaryty, działają przy bezpiecznym napięciu np. 12 V DC i błyskawicznie reagują na przepływający prąd. Możemy użyć również specjalnie wykonanych, rezystancyjnych elementów grzejnych na podłożu stalowym lub ceramicznym. W najprostszym rozwiązaniu zastosujemy zwykłą żarówkę halogenową, która w trakcie świecenia wydziela energię cieplną.

A jak poradzimy sobie z chłodzeniem? Tu już nie jest tak łatwo. Najprostszym rozwiązaniem jest użycie wentylatora. Możemy zastosować np. wentylator przeznaczony do chłodzenia procesorów. Bardzo często zarówno do grzania jak i chłodzenia obiektu wykorzystujemy moduły Peltiera. Te półprzewodnikowe elementy działają jak pompy ciepła. Transportują ciepło z jednej strony modułu na drugą. Uzyskujemy w ten sposób efekt generowania ciepła z jednej strony modułu Peltiera. Druga strona modułu w tym samym czasie się ochładza.

Stanowisko dydaktyczne

Na rysunku poniżej przedstawiamy budowę przykładowego stanowiska dydaktycznego regulacji temperatury. Stanowisko zostało zbudowane przez firmę MICRO w oparciu o przemysłowy regulator temperatury RE72 firmy LUMEL. Do pomiaru temperatury obiektu regulacji wykorzystano rezystancyjny czujnik temperatury typu Pt100. Mierzy on aktualną temperaturę badanego obiektu i porównuje z temperaturą zadaną. Na podstawie porównania wysyłany jest sygnał sterujący za pośrednictwem przekaźnika półprzewodnikowego do grzałki elektrycznej, która pracuje w pobliżu końcówki czujnika temperatury. W taki sposób zbudowany jest zamknięty układ sterowania.  

Schemat stanowiska dydaktycznego regulacji temperatury

Stanowisko dydaktyczne zbudowane w taki sposób daje wiele możliwości. W trakcie zajęć laboratoryjnych możemy zaprezentować zasadę pomiaru temperatury z użyciem rezystancyjnego czujnika temperatury. Osoby korzystające ze stanowiska dydaktycznego powinny opanować umiejętność odpowiedniego konfigurowania regulatora RE72. Możliwe jest również uruchomienie stanowiska i obserwowanie sposobu działania algorytmu regulacji dwustawnej czy PID. Niestety, gdybyśmy chcieli precyzyjnie ocenić np. jakość układu regulacji, to będziemy potrzebowali dokładnych wyników pomiarów. Korzystając z samodzielnego stanowiska dydaktycznego możemy jedynie uruchomić stoper i w zadanych odstępach czasu manualnie zapisywać zmierzone wartości.

Oprogramowanie do stanowiska dydaktycznego

O wiele ciekawszym rozwiązaniem jest regulacja temperatury w komputerowo wspomaganym stanowisku dydaktycznym. Decydując się na takie rozwiązanie potrzebujemy tak naprawdę odpowiedniej wersji regulatora temperatury, wyposażonego w interfejs komunikacyjny. Najczęściej jest to przemysłowy interfejs szeregowy RS-485. W nowszych rozwiązaniach możemy spotkać porty Ethernetowe, pozwalające na podłączenie regulatora do sieci komputerowej. Dzięki temu zyskujemy możliwość połączenia regulatora temperatury z komputerem PC. Otrzymujemy w ten sposób możliwość obserwowania zmierzonych wartości temperatury, wartości zadanej na ekranie monitora. Możemy również za pomocą komputera wybrać odpowiedni algorytm regulacji i wprowadzić zmiany nastaw parametrów regulatora, np. wartości SP, P, I, D.

Interfejs użytkownika oprogramowania do stanowiska dydaktycznego z regulatorem RE72 firmy LUMEL.

Przygotowaliśmy dedykowane oprogramowanie do stanowisk dydaktycznych związanych z regulacją temperatury. Oprogramowanie to zdecydowanie ułatwia i usprawnia prowadzenie eksperymentów polegających na utrzymywaniu temperatury na zadanym poziomie. Aplikacja współpracująca z regulatorem przemysłowym RE72 posiada element graficzny odzwierciedlający panel przedni regulatora. Uczniowie i studenci mogą obserwować zmiany wartości mierzonej i zadanej dokładnie tak, jak w trakcie korzystania z rzeczywistego urządzenia. W aplikacji prezentujemy w formie liczbowej zmierzoną wartość temperatury (PV – Present Value) i obliczoną wartość sygnału sterującego (CV – Control Value). Oprócz tego z poziomu aplikacji można wybrać rodzaj algorytmu regulacji (Załącz – wyłącz lub PID) oraz zmienić parametry regulatora: wartość zadaną (SP – SetPoint), histerezę (H – Hysteresis) i parametry regulacji typu PID (P-proportional, I-integral, D-derivative).

Na wykresie możemy obserwować zmiany temperatury zmierzonej, wartości zadanej i sygnału sterującego w czasie. Kolory przebiegów zostały dostosowane do kolorystyki stosowanej w regulatorze (wartość zmierzona – kolor czerwony, wartość zadana – kolor zielony). Możliwość obserwowania zmian na wykresie ułatwia zrozumienie zasady działania algorytmów regulacji oraz wpływu poszczególnych parametrów na jej przebieg. Podnosi to zdecydowanie atrakcyjność eksperymentów i przekłada się na lepsze opanowanie zagadnień praktycznych.

Dodatkowe funkcjonalności oprogramowania dedykowanego

Interfejs użytkownika oprogramowania do stanowiska dydaktycznego regulacji temperatury z regulatorem CM30 firmy ABB i modułem Peltiera

Oprogramowanie do stanowiska dydaktycznego związanego z regulacją temperatury może zawierać kilka dodatkowych funkcjonalności. Do budowy stanowiska można wykorzystać tak naprawdę dowolny regulator temperatury np. CM30 firmy ABB. W oknie programu możemy dodać schemat budowy układu stanowiska dydaktycznego. Dzięki temu osoby realizujące eksperymenty będą mogły szybko sprawdzić rozmieszczenie i symbole poszczególnych elementów stanowiska. Ułatwia to również omawianie przebiegu eksperymentów przez osobę prowadzącą zajęcia. Z poziomu aplikacji możemy także sterować sygnałami zakłócającymi np. uruchomić dodatkowy wentylator obniżający temperaturę, działający z różnymi prędkościami pracy. Oprogramowanie może zawierać również moduł symulacji. W przypadku członu inercyjnego II rzędu moduł symulacji pozwoli np. na wygenerowanie charakterystyk czasowych odpowiedzi regulatora na wymuszenie skokowe i impulsowe dla zadanych wartości współczynnika wzmocnienia i stałych czasowych.

Personalizacja interfejsu użytkownika aplikacji

Oprócz typowych aplikacji oferujemy także możliwość dostosowania wyglądu interfejsu użytkownika aplikacji sterującej do indywidualnych preferencji zamawiającego. Dopasujemy zarówno dominującą kolorystykę aplikacji, jak i rozmieszczenie poszczególnych elementów na ekranie. Zmodyfikujemy wygląd każdego elementu graficznego służącego wizualizacji przebiegu eksperymentów. Dzięki temu program nabierze unikalnego wyglądu i będzie łatwo rozpoznawany na tle innych aplikacji tego samego typu.