Az irányítás lehet kézi vagy önműködő. Kézi irányítás esetén az irányítás összes műveletét kezelőszemély végzi. Az önműködő irányítás az irányításnak olyan módja, amely teljes egészében emberi beavatkozás nélkül, önműködően játszódik le.
Az irányítási művelet – akár emberi közreműködéssel, akár önműködően – az alábbi részműveletekből áll:
érzékelés: információszerzés az irányítandó folyamatról és/vagy az azt zavaró körülményről,
ítéletalkotás: döntés a kapott információ alapján a rendelkezés szükségességéről és mértékéről,
rendelkezés: utasítás a beavatkozásra,
beavatkozás: a rendelkezés alapján az irányított folyamat működésének befolyásolása valamely paraméterének/jellemzőjének módosításán keresztül.
A fenti részműveletekből álló irányítás két, lényegében eltérő módon valósítható meg. Az egyiket vezérlésnek, a másikat szabályozásnak nevezzük. A vezérlés és szabályozás működési elvét, illetve a közöttük levő különbséget egy egyszerű példa segítségével világítjuk meg.
4.1. ábra. Hőcserélő irányítása vezérléssel
4.2. ábra. Hőcserélő irányítása szabályozással
4.1. Alapjelölések
A 4.1. és 4.2. ábrákon bemutatott ábrázolási mód a technológiák úgynevezett P&I (piping and instrumentation) diagramjának elveit követi. Az anyagáramokat vastagabb vonal jelképezi. Az irányítástechnikai vezetékeket vékonyabb vonal vagy szaggatott vékony vonal vagy vékony és páros ferde vonalpárokkal áthúzott vonal jelképezi.
Az irányítástechnikai elemeket (hardware-elemek) kör jelképezi. A körben szereplő betűjelek az angol nyelvű elnevezésekből származnak. Az első helyen az irányított jellemző elnevezésének kezdőbetűje áll. A 4.1. és 4.2. ábrán hőmérsékletet szabályozunk, tehát az első helyen T (temperature) betű áll. A további helyek a kérdéses berendezés irányítástechnikai funkcióira utalnak. Itt már több jelzés is lehetséges lenne, de esetünkben csak a működésre utaló betűk állnak, T (transmitter) távadó, mely berendezés érzékel/mér valamilyen fizikai mennyiséget, és a mért értéket irányítástechnikai jellé alakítja, C (controller) szabályozó, mely ítéletalkotást és rendelkezést végez. A rendelkezés alapján, esetünkben a hőcserélő hőközlő áramát módosítjuk egy szabályozó szelep, szaknyelven „kalapos szelep” segítségével.
4.2. Irányítástechnikai alapfogalmak
A 4.1. és 4.2. ábrán bemutatott példákon további irányítástechnikai alapfogalmakat ismerhetünk meg.
Irányított – szabályozott vagy vezérelt – folyamat: melynek egy vagy több paraméterét a kívánt módon szabályozva vagy vezérelve megvalósítjuk a szabályozási célt. Esetünkben ez a folyamat a hőcserélő.
Zavarás, zavaró jel: mely a szabályozási vezérlési célt megvalósítását zavarja. Ezért van szükség az irányításra. (Ha nem lenne zavarás, nem lenne szükség irányításra, csak ha mi akarnánk változtatni.) Esetünkben ez a belépő fluidum hőmérséklete.
Irányított – szabályozott vagy vezérelt – jellemző: az a paraméter/jellemző, melyet szabályozunk, illetve vezérlünk. Esetünkben ez a hőmérséklet.
Távadó: a 4.1. pontban már bemutattuk. Két részből áll, érzékelő és jelátalakító. Az érzékelő része mér egy kérdéses fizikai/műveleti paramétert, melyet a jelátalakító rész a többi irányítástechnikai hardware-elem által gyakorlatilag közvetlenül értelmezhető. A távadó szabályozás esetében a szabályozott jellemzőt, míg vezérlés esetében a zavarást méri. A távadó által továbbított jel az úgynevezett ellenőrző jel.
Szabályozó: a 4.1. pontban már bemutattuk. Az ítéletalkotó és rendelkező feladatot látja el.
Az ítéletalkotáshoz közölni kell vele, hogy mi milyen értéket tartunk kívánatosnak. Ez az úgynevezett alapjel vagy parancsolt jellemző. Ezzel közöljük, hogy mekkora legyen a szabályozott jellemző értéke (esetünkben a hőmérséklet), melyet a szabályozónak a zavarás(ok) ellenére tartani kell, illetve vezérlés esetén mekkora az alapesetben a zavarás értéke. Ha az alapjel és ellenőrző jel értéke azonos, a szabályozónak nem kell semmilyen rendelkezési funkciót generálnia, nem kell semmit változtatni. Ha viszont az alapjel és ellenőrző jel értékei eltérnek, akkor a kettőjük különbsége, az úgynevezett hibajel nem lesz nulla, és a szabályozónak rendelkező jelet kell generálni és azt továbbítani a beavatkozó szerv felé.
Beavatkozó szerv: nagyon gyakran egy szelep, de lehet például villamos fűtőtest (lásd vasaló). A szabályozótól kapott rendelkező jel alapján beavatkozik a folyamat egy paraméterébe, melyet módosított jellemzőnek nevezünk, és annak értékét megváltoztatja/módosítja. Így hatunk vissza a szabályozott vagy vezérelt jellemző értékére.
4.3. A vezérlés és szabályozás összehasonlítása
Amint az a 4.1. és 4.2. ábrákon látható, a vezérlés és a szabályozás ugyanazokból az irányítástechnikai elemekből áll, csak kapcsolásuk tér el. A legfontosabb különbség az, hogy vezérlés esetén a távadó a lehetséges zavarást méri, és annak megfelelően avatkozik be, míg szabályozás esetén a szabályozott jellemzőt mérjük, és pontos képünk van annak alakulásáról, illetve értékéről.
Jobban megérthetjük azonban a vezérlés és szabályozás közti különbséget, ha mindkettőnek felrajzoljuk a blokkdiagramját, más néven hatásvázlatát (4.3.-4.4. ábrák). Az elméleti jellegű irányítástechnikai vizsgálatoknál általában a blokkvázlatot használják. A képi hatásvázlat inkább a már említett P&I diagramokra jellemző.
4.3. ábra. Vezérlés blokkdiagramja/hatásvázlata
4.4. ábra. Szabályozás blokkdiagramja/hatásvázlata
A vezérlés esetén a távadó a zavarást méri. A távadó kimenőjele az ellenőrző jel. Az alapjellel történő összehasonlítás ilyenkor fizikailag azt jelenti, hogy megvizsgáljuk a zavarásnak –tulajdonképpen a folyamat bemenőjelének –, az értékét, és összevetjük az alapjel által megadott alapesettel. Az összevetés különbségképzést jelent. Ha a zavarás, azaz a folyamat bemenőjele eltér az alapjel által megadott alapértéktől, azaz a különbségük, mely a hibajel, nem nulla, a vezérlő/szabályozó elvégzi a rendelkező funkciót, és továbbítja a beavatkozó felé. A beavatkozó szerv rendszerint valamilyen anyag- vagy energiaáramot módosít, mely a módosított jellemző. A módosított jellemző változtatásával a vezérelt jellemző értékét irányítani tudjuk. A vezérlés alapján történt beavatkozásnak a vezérelt jellemzőre történő hatásáról nincs a vezérlőnek/szabályozónak semmiféle információja, így a vezérlés nyílt hatásláncú irányítás.
Szabályozás esetén a távadó a szabályozott jellemzőt méri. Az alapjel fizikai jelentése ebben az esetben a szabályozott jellemző megkívánt, parancsolt értéke. Az összehasonlítás a két jel különbségének képzése, ahol az ellenőrző jelet vonjuk ki az alapjelből. A két jel különbsége a hibajel, mely belép a szabályozóba. Ha a hibajel nem nulla, a szabályozó ítéletet alkot, rendelkezik, és a beavatkozóhoz továbbítja a rendelkező jelet. A beavatkozó szerv ezúttal is többnyire valamilyen anyag- vagy energiaáramot módosít, mely a módosított jellemző. A módosított jellemzőn keresztül a szabályozott jellemző értékét az alapjel értékének megfelelő értéken tudjuk tartani. A szabályozás zárt hatásláncú, ugyanis a szabályozott jellemzőről folyamatos információnk van, azt folyamatosan mérjük.
Felhívjuk a figyelmet egy rendkívül fontos dologra, ugyanis mindig negatív visszacsatolást alkalmazunk. A pozitív visszacsatolás labilis működésű.
A vezérlést és a szabályozást összehasonlítva a következő sajátosságok állapíthatók meg:
1. Szabályozással mindenféle zavarás hatása kiküszöbölhető, vezérléssel csak az előre számításba vett és mért zavarás(ok) hatása.
2. Helyesen beállított vezérlés esetén a vezérelt paraméter mindig a kijelölt értéken van, általában nincs vezérlési eltérés. A szabályozási folyamatban a szabályozott paraméter hosszabb-rövidebb ideig eltér a kijelölt értéktől. A szabályozókör elemeit éppen ez a szabályozási eltérés működteti.
3. A vezérelt folyamat és a vezérlés elemeinek pontos matematikai ismerete elengedhetetlen.
Szabályozás esetén rendszerint elegendő a folyamat és a szabályozókör elemeinek közelítő matematikai leírása is.
4. A vezérlés stabilis, azaz a vezérelt jellemző véges idő alatt elér egy gyakorlatilag változatlan értéket, ha a mért zavarásban történt változás. A szabályozókör működése kedvezőtlen esetben instabil/labilis is lehet, tehát a szabályozott jellemző soha nem ér el egy állandósult értéket. A szabályozókörök instabil működésének lehetősége abban van, hogy hosszabb-rövidebb idő szükséges ahhoz, hogy a hatás a láncon végigfusson.
(A stabilitás, labilitás kérdéséről még lesz szó a továbbiakban.)
A fentiek alapján úgy tűnhet, hogy a vezérlésnek több előnye van a szabályozással szemben. A szabályozásnak azonban az a tulajdonsága, hogy bármilyen zavarás hatását ki tudja küszöbölni, szemben a vezérléssel, mely csak a mért zavarás(ok)ét, jócskán a szabályozás javára billenti a mérleget. Például a 4.1. ábrán bemutatott vezérlés abban az esetben, ha például a hőcserélő hőközlő közegének állapotában történik változás, akkor azt a kör nem érzékeli, és a vezérelt jellemző nem lesz a megkívánt értéken.
Ez stabilis működésű szabályozásnál nem fordulhat elő, és ezért a vezérlést, más néven előrecsatolt szabályozást a visszacsatolt szabályozással, röviden a szabályozással szemben csak nagyon ritkán alkalmazzuk.
4.4. A folyamatirányítás feladatai
A folyamatirányítást, szabályozást változó feladatok ellátásra alkalmazzuk:
értéktartó szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit előírt, állandó értéken tartjuk, például folyamatos termelés állandó paraméterek mellett;
követő szabályozás, amikor a folyamat szabályozott jellemzőit az idő függvényében változtatjuk egy előírt függvény szerint, például üzemindítás, átállás;
korlátozó feltételek kielégítése;
vészjelzés és riasztás adása.
A fenti feladatok ellátáshoz a folyamat ismerete, megfelelő szabályozási struktúra, jól működő szabályozók, (hardware és software) valamint képzett kezelőszemélyzet szükséges.
Ellenőrző kérdések:
1. Miért van szüksége a vegyész-, bio- és környezetmérnöknek irányítástechnikai alapismeretekre?
2. Milyen főbb fejlődési lépései vannak az irányítástechnika történetének?
3. Mi a szabályozott jellemző, a módosított jellemző és a zavarás fogalma?
4. Miért van szükség irányítástechnikára, szabályozásra?
5. Mi a szabályozási struktúra?
6. Mi az irányítástechnikai szabadsági fok fogalma?
7. Mit jelentenek a MIMO és SISO rövidítések?
8. Mi a P&I diagram? Mit mutat ez a diagram? Hogyan jelöli az egyes irányítástechnikai elemeket?
9. Mutassa be a vezérélést és a szabályozást egy hőcserélő esetére!
10. Szabályozókörök esetében mit jelent a visszacsatolás? Milyen visszacsatolások lehetségesek, és abból melyiket használjuk szabályozókörökben és miért?
11. Hasonlítsa össze a vezérélést és a szabályozást!
12. Rajzolja le a vezérlés blokkdiagramját és magyarázza el az egyes elemek viselkedését!
13. Rajzolja le a szabályozás blokkdiagramját és magyarázza el az egyes elemek viselkedését!
14. Milyen feladatai vannak a folyamatirányításnak?