T E C H N I S C H E HO G E S C H 0 0 L
-
Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde
Regel- en stuurtechniek in het waterleidingbedrijf
27e Vakantiecursus in drinkwatervoorziening 16 en 17 januari 1975 te Delft
Overdmk uit HzO Tijdschrift voor watervoorziening en afvalwaterbehandeling
Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten van de volgende cursussen: 1. Filtratie; 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en distributieleidigen; 3. Winning van grondwater; 4. Waterzuivering; 5. Hygii6nische aspecten van de drinkwatervoorziening; 6. Het transport en de distributie van leidingwater; 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen; 8, 9 en 10. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek I, I1 en 111; 11. Radioactiviteit; 12. Grondwater; 13. De Rijn; 14. Nieuwe ontwikkelingen in de watedeidingtechniek op physisch, chemisch en biologisch gebied; 15. De watervoorziening en de industrie; 16. Gebruik van modeme statistische methoden; 17. Kunstmatige infiitratie; 18. De biologie van de watervoorziening; 19. Snelfiltratie; 20. Physische technologie van de waterzuivering; 21. Van goed naar beter water; 22. Het ontwerpen van waterzuiveringsinstallaties; 23. Kwaliteitsbeheersing bij de openbare drinkwatervoorziening; 24. De Maas; 25. De openbare wate~oorzieningin de maatschappij van morgen; 26. Watertransport door leidingen.
F. J. VERGOUWEN: Principles of feedback and feedforward control I. Basic control pbiosophy The idea of feedback is introduced as being the essential feature of automatic control systems. Closed loop and open loop control are compared. The advantage of the use of block diagrams and the application of frequency domain methods for the study of control system behaviour is illustrated.
0. H. BOSGRA: Principles of feedback and feedforward control. 11. Some aspects of a systems approach. An understanding of the dynamic behaviour of a process is fundamental to the design of process control systems. The formulation of system models is discussed, and the behaviour of some simple systems is investigated especially with respect to the design of feedback control. Finally some aspects of composite control system structures are mentioned.
J. M. DIRKEN: Automation and work-satisfaction In the design of a system for collecting, purifying and distributing water, man-machine interactions are very important. The system proves to be very suitable for a high degree of automation, but somewhere - if only on the level of a manager human tasks are indispensable to close the loops in the system. The design of the interface between the system and this operator determines substantially the effectivity of the system and the work-satisfaction of operators. After comparisons with other systems such as chemical plants it becomes obvious that human control is not very advisable on executive level in an automated water station, because of the low frequency and little diversity of stimuli.
P. BOS: Water quality parameters A survey is given on water quality parameters which are relevant for monitoring and for automated process control. The general principles underlaying the measure ments are given, such as photometry, potentiometry and set-point colometry. Ion selective electrodes are important in automated measuring stations but the complications and possible disturbance must not be overlooked, when they are used as monitors. Most commercial automated measuring stations contain monitors with different measuring principles. Recently some Auto Analyzer Systems, working with classical chemical methodes, are developed for remote water analysis. In the future perhaps also some more general parameters, such as COD, TOD and TOC will be used.
J. J. G. WERKHOVEN: Measuring of quantity, pressure and level The author discusses those instruments for measuring quantity, pressure and level that are important for regulating and steering techniques in pumping and filtering installations, reservoirs etc. Measuring instruments are being shown that can be made part of a regulating circuit and have possibilities for data transmitting. There is a wide range of measuring instruments for the different functions available, so that besides those that are
being shown, several other equivalent instruments are on the market. Attention has been given to the following aspects: measuring principle, construction of detecting and signalling apparatus, building-in possibilities, measuring range, accuracy and output.
M. KLINCK: Electronic Controllers: Principles and Behaviour Beside a short talk about automation and the applications of pneumatic and hydraulic controllers the electronic controllers are the main subject of this paper. The overview starts with the operational amplifier as the basic module of a n electronic controller. The different types of continuous and discontinuous electronic controllers are described by equations and time diagrams. Furthermore there is a view to digital controllers and the application of process computers for control purposes. Finally two experimental methods for the optimal adjustment of controller parameters are explained.
A. J. J. TIMMERMANS: Engineering and application Practical application of the principles in measurement and control is showed on the engineering steps in a project to design a plant. Attention has been paid to the design of a controlsystem in a proces flowdiagram. The development of the instrument-installation for a plant has been followed from the procescontrol scheme to the specification of instruments and of the installation for instruments. Before the specification of instruments and the belonging installation a lot of compromises have to be made with the proces-, piping- and mechanical departments. Detailed information has been given about the choice between a pneumatic and a n electronic instrument-installation. This article presents also a review of control valves. After some short information about the procestripsystem and the controlroom design, cost aspects of instruments, control loops and installation have been summarized.
N. H. GILTAY: Control techniques, applications and wishes in water production and purification Some remarks about the planning and engineering of water processing equipment in connection with control systems. Description of the instrumentation of waterworks, in particular Berenplaat plant, with a few remarks about other plants. Control apparatus, measurement methods, actuaters and process computers are considered. Practical experience is given.
A. VAN TUSSENBROEK: Reliability It is generally felt that reliability contains more than the opposite of failures; a n exact description is however difficult. Measuring of reliability is mostly impossible. Consequently controlling it is even more difficult. In the first part of this review the different factors are explained, that are determinating for the degree of reliability, using a definition originating from the field of electronics. In the second part some technical methods are
described by which reliability can be influenced in the right direction. Short notice is given to the role of maintenance. As many times is the case the costs connected to the solutions are of dominating importance.
C. ADAM: Optimalization of water transuort and distribution Optimalization is considered as a means to reduce production costs by automation. Water purification and transport processes give many opportunities to apply automation. As in flat countries water transport is by far the most energy consuming process, the author focuses on possibilities for automation in this field. As the situation of pumping stations and supply areas have generally to be considered as fixed elements, only pipe diameters, storage facilities and pumping capacity can be adapted to reduce transport costs to a minimum. Pipe diameters and storage in the supply network can be calculated by a computor, so that pumping can be restricted to the average quantity of daily consumption. The pumping capacity can be suited to the quantities that are needed to maintain a minimum pressure. An example of optimalization of the water transport and storage in a supply area in Belgium is given.
Enkele ontwikkelingen uit de geschiedenis van de regeltechniek
Globaal zijn in de ontwikkeling van de Regeltechniek drie perioden te onderscheiden: Oudheid tot middeleeuwen De aanpak is sterk intuitief, er bestaat (nog) geen theorie en de praktische toepasbaarheid speelt geen belangrijke rol.
-
Ca. 1600 1850 De technische toepasbaarheid begint langzamerhand een steeds grotere rol te spelen (Drebbel, Huygens, Watt). De verklaring A f b . 2 - Niveauregeling door ge~vicht(Heron).
Afb. 5 - Chiitees n~ntevad(ca. 2200
I>.
Chr.)
PROF. IR. R. G. BOITEN Hoogleraar Laboratorium voor Werktuigkundige Meet- en Regeltechniek TH Delft
is grotendeels beschijvend, een (mathematische) theorie ontbreekt.
-
Ca. 1850 heden De theorie wordt steeds meer ontwikkeld en de toepassingen worden hierop gebaseerd. De computer begint een steeds grotere rol te spelen (Maxwell, Routh, Stodola, Wiener). Het kenmerkende van een gesloten regelkring is dat van een systeem de werkelijke toestand wordt vergeleken met de gewenste toestand en dat bij een verschil een opdracht wordt geformuleerd volgens welke op het systeem wordt ingegrepen, zodanig dat het verschil tussen werkelijke en gewenste toestand wordt verkleind. In de oudheid hebben water en lucht bij de ontworpen regelsystemen de grootste rol gespeeld. Heron van Alexandrie ontwierp niveauregelingen met behulp van een vlotter
A f b . 7 - Waterleiding systeein, bestaande uit zrtigpersponlpe~l,aangedreven door eel1 vat err ad, eeiz ~vatertoreil en eeiz buizennet. Duitsland, ca. 1575.
A f b . 1 - Niveauregeling met ~~lotter (Heron).
Afb. 4 - Bal 19an Heron, hier voor de regeling van eerl feinpeldeur.
A f b . 6 - Waterpon~p wet diie spiralet~ van Archi111edes. in sene, aangedreveil door eel1 uwtewad. Augsburg, cn. 1550. Afb. 3 - Wateruurwerk van Ktesibios.
b
(afb. 1) of door het eigen gewicht (afb. 2). De vlotter is het meetorgaan, het via een hefboomstelsel aangedreven afsluitplaatje het regelorgaan. Een belangrijke toepassing vormden de zogenaamde wateruurwerken (afb. 3). Via de vlotter P wordt de hoogte van het water in het vat L omgezet in een aanwijzing van de tijd door de stok van het mannetje. Het probleem is om een constante watertoevoer te bewerkstelligen. De hoeveelheid water die per seconde uit een uitstroomopening onder in een vat stroomt, wordt bepaald door de hoogte van het niveau in dit vat. Wordt dit niveau constant gehouden, dan is de uitstroomsnelheid constant.
Afb. 8
-
Afb. 9
- Waremad-pompinsrallatiein de Theems
De kegelvormige vlotter G ('meta cava') is zowel meetorgaan als corrigerend orgaan en regelt de watertoevoer via A in het vat. (Opm.: Let op het mechanisme van de draaibare urentrommel, waarmee afhankelijk van de maand het tijdsinterval tussen zonsopgang en -0ndergang in 12 gelijke delen werd verdeeld; dit in verband met een rechtvaardig uurloon). Bekend is ook de bal van Heron (afb. 4). De bal is gedeeltelijk gevuld met water, waarboven zich lucht bevindt. Als de lucht door verwarming uitzet, wordt een deel van het water via een hevel overgeperst in een ander vat en omgekeerd. Door de verandering van het gewicht in het andere vat
Aufo?naton van de Dztc de Medici (ca. 1600) gebascerd op hevels en vlotters.
(1730).
wordt in dit geval de stand van de tempeldeuren beinvloed; hoe groter het altaarvuur, hoe verder de deuren opengaan. De Romeinen hebben bij hun aquaducten soms gebruik gemaakt van de vlotterkegel volgens afb. 3. Om een constante stroom water in een aquaduct te realiseren, bevond zich tussen het hoofdreservoir en het aquaduct een tussenreservoir, waarin het niveau met een (eikenhouten) kegelvlotter (ca. 3 m doorsnede) constant werd gehouden. Bij een waterleidingsysteem behoren pompen. Afb. 5 toont een pomp uit het oude China, gebaseerd op een waterrad. Een belangrijke ontdekking was de spiraal van
Afb. 10 - Afmosferische Stoommachine van Smeaton (1772). Afb. I1 (1788).
- Condensor stoommachine van
Watt
Afb. 12
- Broedstoof
-
van Drebbel (ca. 1620).
Archimedes. Afb. 6 geeft een beeld van een toepassing in een kasteel of vesting in Augsburg (1550) voor de watervoorziening. De uitvinding van de zuigperspomp is van later datum. Afb. 7 toont een compleet waterleidingsysteem, zoals in gebruik in Zuid-Duitsland in het midden van de 16e eeuw. Opvallend is, dat met de aanleg van waterleidingnetten,men ook direct inzag, dat het onder druk staande water arbeid kon verrichten, zodat een waterleidingnet ook een energienet vormde. Gebruik (of misbruik) werd hiervan gemaakt door de zogenoemde automata, fonteinen met bewegende en fluitende vogels en figuren (afb. 8). Ten behoeve van de Londense waterleiding werd bij London Bridge in 1730 in de Theems een waterrad-pompinstallatie gebouwd volgens afb. 9. Nog groter was die bij Marly in de Seine, ten behoeve van het paleis te Versailles (1685, vermogen ca. 80 pk). Grotere vermogens moesten komen van de stoommachine. Een van de oudste goedwerkende was de atmosferische stoommachine van Smeaton, waarbij de condensatie van stoom plaats vond door het inspuiten van water (afb. 10). Deze machines werden gebruikt voor het droogpompen van kolenmijnen. De grootste verbetering door James Watt bestond in het scheiden van de condensatie van de werkcylinder door het aanbrengen van een aparte condensor (afb. 11). Aan deze machines ontbreekt nog iedere regeling. Drebbel heeft na de oudheid het eerst een bewuste regeling ontworpen (afb. 12). Het betreft hier een broedstoof, die werd verwarmd door de rookgassen van smeulende turf of houtskool. De blaas D met aangebouwde U-buis diende als opnemer. De U-buis was gevuld met een zware, moeilijk verdampende vloeistof, terwijl de blaas lucht bevatte. Bij verwarming zet de lucht uit, waardoor het niveau in de rechterpoot van de U-buis stijgt. In deze buis drijft de vlotter B, die via de
Afb. 13 - Niveauregeling in een stoomketel volgens Polsunov (ca. 1765).
1 -
I
-
az!r*f.,:+."*w+ 3 i i
.
Afb. 16 Stoommachine van Watt met centrifugaalregulateur (ca. 1790).
a f b . I7
- Temperatuuwegeling van Henry (1761).'
-
Afb. 14 Centrifugaalregulateurvan Mead (1787) voor de regeling van korenmolens.
-
Afb. 15 Mead's regeling van de wieken van een windmolen.
I
Afb. I8
- Meetorgaan van Henry.
stang H de rookafvoer E min of meer kan afsluiten, waardoor de stroom van de hete rookgassen van de stoof geregeld werd. De oudste niveauregeling in een ketel is van Polsunov (afb. 13). Het is interessant het principe te vergelijken met afb. 1. In 1787 kreeg Thomas Mead een octrooi voor de toerentalregeling van korenmolens (afb. 14). Met behulp van centrifugaalgewichten werd het toerental constant gehouden door de afstand tussen de molenstenen te varieren. In hetzelfde patent werd ook een methode aangegeven om het ef f ektief
I Enige basisbeschouwingen uit de regeltechniek
oppervlak van de wieken te regelen als functie van het toerental (afb. 15). Hier is duidelijk de werking van de centrifugaalregulateur te zien, die afhankelijk van het toerental de klappen in de wieken verstelt. Deze regulateur werd door Watt overgenomen voor zijn stoommachine (afb. 16), zonder overigens licentie te nemen. Een temperatuurregelaar toont afb. 17 (Henry 1761), die veel is toegepast in Noord Arnerika. Het principe lijkt veel op het apparaat van Drebbel (vgl. afb. 18 met afb. 12). Duidelijk zijn het uitzettende gas (lucht), de U-buis en de vlotter D te herkennen. Uit het voorgaande blijkt dat alle essentiele componenten van een regelkring een grote ouderdom hebben en dat bij de tegenwoordige uitvoeringen alleen mechanisch verbeteringen en verfijningen zijn aangebracht. De bijdrage in de laatste halve eeuw bestond hoofdzakelijk uit een beter wiskundig inzicht en d e daarmee mogelijke meer gecompliceerde regelingen.
king een korrigerend orgaan zodanig in dat de bestaande afwijking wordt tegengegaan Regelen en sturen hebben ten doe1 bepaalde (zie afb. 1). Deze methode wordt ook grootheden van een proces te laten verlopen regelen door terugkoppeling genoemd. volgens een vooropgesteld plan. Dat plan Er is een gesloterz keten van oorzaak en kan inhouden dat CBn of meerdere grootgevolg aanwijsbaar. Indien de regelaar de heden: korrigerende aktie overdoseert, of niet op a, zo goed mogelijk konstant moeten het juiste moment uitvoert, dan kan blijven, bijv. het niveau in een vat, de instabiliteit optreden: de afwijking neemt kwaliteit van een produkt, etc.; niet af maar spontaan toe met de tijd, meestal slingerend met een groeiende b. een tevoren gekozen verloop met de amplitude. tijd moet volgen (programmaregeling); Bij sturen is geen gesloten keten van c. moeten varieren in afhankelijkheid van oorzaak en gevolg aanwijsbaar. Voor het bdnvloeden van de te sturen grootheid wordt een geschikte manipuleerbare grootheid gekozen. Aanwezige andere invloedsIR. F. J. VERGOUWEN faktoren worden opgevat als storingen. Laboratorium voor WerktuigHet effekt van een belangrijke storing op kundige Meet- en Regeltechniek de te sturen grootheid kan worden gekomTH Delft penseerd door de storing te meten en aan de manipuleerbare grootheid een term toe te voegen die het effekt van de storing teniet doet (zie afb. 2). 6Cn of meer andere grootheden, bijv. een Tegenover het voordeel van het ontbreken volgsysteem of servosysteem zoals een van het gevaar voor instabiliteit s t a t dat rembekrachtiger, het op een ster gericht niet wordt gedetekteerd of het nagestreefde houden van een teleskoop, een verhoudingsdoe1 onder alle omstandigheden wordt regeling, etc.; gerealiseerd. d, een zodanig verloop met de tijd moeten Van beide principes volgt hier een voorkrijgen dat een bepaald optimum wordt beeld: bereikt, bijv. maximale opbrengst, minimale - Het niveaa in een vat is afhankelijk kosten, minimaal brandstofverbruik, etc. van de toe- en afvoerstroom (zie afb. 3). 1. Inleiding
Stel dat de afvoerstroom niet bdnvloedbaar is (verbruikersnet).
Door de aanwezigheid van storingen en door variaties in de proceseigenschappen kan het doe1 in de praktijk slechts tot op zekere hoogte worden verwezenlijkt. Regelen en sturen zijn termen die hier gereserveerd worden voor twee principieel verschillende methoden waarmee het doel, een grootheid laten verlopen volgens een bepaald plan, kan worden bereikt. Bij regelen wordt de te regelen grootheid gemeten en vergeleken met het plan. Een regelaar stelt op grond van de afwijAfb. 1
- Principe van regelen door
-
Afb. 3 Kontinue regeling van het niveau in eel1 vat door tegenkoppeling. instelmgelijkheid het niveou
yon
toe
te regelen ntveou
-
terugkoppeling.
t e regelen grootheid
Afb. 2 - Principe van sturen en kompenseren van het effekt van &in van de storingen: 'regelen' door voor~vaartskoppeling. rneetorgaan
Y4 I4
storingen
proces 7--.
grootheid
de kwaliteit van de regeling kunnen be'invloeden. Hij zal een aantal alternatieve motor aan 1 oplossingen moeten vergelijken en beoorniveauschakeloar delen en bij de keuze zullen naast regeltechnische ook bijv. kostenovenvegingen een rol spelen. Een regelaar kan kontinu of diskontinu werken (zie het voorbeeld in afb. 3 en 4). De diskontinu werkende aan-uit regelaars zijn goedkoper. Deze kunnen evenwel alleen worden toegepast wanneer een cyclische Afb. 4 - Aan-uit regeling van het niveau in een rimpel op de te regelen grootheid toelaatvat door tegettkoppeling. baar is, bijv. bij centrale verwarming, koelkast, kompressorinstallatie en niveaumate worden onderdrukt. Hiertoe is nodig - De temperatuur van de warmwaterregeling. dat geformuleerd kan worden wat 'in volstroom uit een gasgeyser wordt niet Bevat het proces meer dan CBn te regelen doende mate' is, welke storingen een geregeld maar gestuurd (zie afb. 5). Bij een belangrijke invloed uitoefenen en hoe ze grootheid en ingrijpmogelijkheid dan bepaalde gasstroom, en dus warmtestroom, kunnen worden beschreven. moet gekozen worden welke ingangsgroothebben variaties in de waterstroom de De wijze waarop een geregeld proces reageert heid het beste kan worden gebruikt voor het grootste invloed op de temperatuur. beinvloeden van een bepaalde uitgangsop bepaalde storingen kan pas worden Door de waterstroom te meten en de gasgrootheid. vastgesteld indien de eigenschappen van stroom te doseren in een bepaalde vaste Door aan de regelaar ook een dynamisch proces, regelaar en andere onderdelen van verhouding tot de waterstroom zal de de regelketen volledig bekend zijn: regeling verband tussen in- en uitgang te geven kan temperatuur globaal konstant blijven. en proces tezamen bepalen het stoorgedrag. de regeling worden verbeterd. Het dynaStoringen die niet gekompenseerd worden Een tweede eis die dikwijls wordt gesteld is misch gedrag is variabel gemaakt: de zijn bijv. de koudwatertemperatuur en regelaar heeft een aantal instelmogelijkdat variaties in de gewenste waarde van variaties in de verbrandingswarmte van het de geregelde grootheid voldoende snel heden en kan daarmee optimaal aan het gas. proces en de gestelde eisen worden aangeworden gevolgd, anders gezegd, dat afwijSlechts weinig processen kunnen zodanig past. De instelling van de parameters van kingen tussen geregelde grootheid en plan worden ontworpen dat de van belang zijnde voldoende snel worden onderdrukt. Deze de regelaar dient experimenteel, door beregrootheden automatisch volgens plan kening of door simulatie te worden bepaald. eis is vooral van belang bij programmaverlopen. Daarom is regelen of sturen of een regelingen en volgsystemen. De wijze Bij toepassing van beide laatste methoden kombinatie van beide principes nodig om moet ook het dynamisch gedrag van het waarop een geregeld proces reageert op op ieder moment de gewenste bedrijfsproces bekend zijn. veranderingen in de gewenste waarde van toestand te realiseren en deze te handhaven de te regelen grootheid heet regelgedrag. 3.2. Analyse van het dynamisch gedrag ondanks de aanwezigheid van storende Ook het regelgedrag is afhankelijk van de van proces en regeling invloeden. eigenschappen van zowel het proces als alle De dynamische relaties tussen de variabelen De wijze waarop de regeling van een proces onderdelen van de regelkring. van een proces zijn in principe te beschrijfunktioneert kan aanschouwelijk worden Naast bovengenoemde eisen kunnen nog voorgesteld door een blokschema. Elk blok diverse andere eisen worden geformuleerd. ven door (stelsels van) differentiaalvergelijkingen. stelt voor de relatie tussen de te regelen Een belangrijke vraag hierbij is of het variabelen (uitgangsgrootheden), de mani3. Ontwerpen van een regeling proces mag worden beschouwd als een puleerbare variabelen (ingangsgrootheden) met behulp waarvan de te regelen variabelen 3.1. Het opstellen van mogelijke oplossingen lineair systeem, dit is een systeem waarvoor het superpositiebeginsel geldt. De aan de regeling te stellen eisen zijn kunnen worden be'invloed en tenslotte meestal niet hard geformuleerd. Ook de op Als een variatie x l van een ingangsvariabele storingen, dit zijn de niet gemanipuleerde een responsie y l van een uitgangsvariabele of niet manipuleerbare invloedsgrootheden. het proces inwerkende storingen zijn niet tot gevolg heeft en een variatie xz een De pijlen geven de oorzaak-gevolg richting altijd voldoende bekend. Toch moet de responsie yz, dan heet een systeem lineair ontwerper van een regeling een groot aan. Verondersteld wordt dat geen terugindien, voor alle XI en xz, geldt dat een aantal keuzen doen die in belangrijke mate werking optreedt. De relaties tussen de diverse variabelen zijn zelden alleen statische relaties; meestal Afb. 5 - Sturing van de ~var~~t~vatertentperatuztr van een geyser door kotnpenseren van ltet effekt van de watershoo?tl o p de tentperattrur: 'regeling' door voor~vaartskoppeling. dragen ze een dynamisch karakter: de I uitgangsvariabele is ook afhankelijk van de I snelheid waarmee een ingangsvariabele meting waterstroom storingen varieert. Naast lineaire relaties komen dikwijls ook niet-lineaire relaties voor. De relaties zijn soms afhankelijk van de tijd, meting gasstroom proces wa terstroom zijn niet altijd deterministisch van aard (vaste maar kunnen ook een stochastisch (niet geheel voorspelbaar) karakter vertonen. f instelling gasstrooml ternpemtuurl
Variaties in deze stroom dragen dus het karakter van een storing. Het niveau wordt gemeten met behulp van een vlotter. De hefboom vormt de regelaar die het korrigerend orgaan, de klep, zodanig bedient dat afwijkingen van het gewenste niveau, veroorzaakt door 0.m. variaties in de afvoerstroom worden tegengegaan. De regeling kan kontinu, afb. 3, of diskontinu, afb. 4, werken. In het laatste geval varieert het niveau tussen twee grenzen. In beide gevallen spreken we van regeling door tegenkoppeling.
III
verhouding
2. Eisen te stellen aan een regeling De eerste eis die aan een regeling moet worden gesteld is dat storingen in voldoende
I
gas
instelling tempera tuur (verhouding )
warmwa te r
+
+
variatie (xl xz) een responsie (yl yz) tot gevolg heeft. Alle lineaire systemen kunnen worden beschreven door lineaire differentiaalvergelijkingen met konstante of ten hoogste tijdsafhankelijke koefficienten. Vrijwel alle werkelijke processen bevatten niet-lineariteiten, evenwel, voor kleine variaties in de variabelen rond een bedrijfstoestand kunnen de relaties dikwijls toch voldoende goed worden weergegeven door een lineaire differentiaalvergelijking. De waarde van de koefficienten is we1 afhankelijk van de gekozen bedrijfstoestand. We noemen dit lineariseren van de betrekkingen. Verkeert het proces in de ontwerpfaze dan kunnen de gevraagde relaties worden berekend uit de ter beschikking staande gegevens over afmetingen, vorm, etc. en door gebruik te maken van fysische wetmatigheden, zoals de wetten van behoud van massa, energie en impuls, chemische reaktieformules, etc.
Afb. 6 - Bepaling verband fussen niveau, k l e p heffing en pompdruk.
-
A f b . 7 Blokschemavoorstelling van het gelineariseerde verband fussen niveau, klepheffing en pompdruk.
Toepassing op een eenvoudig voorbeeld Invullen van (5) en (6) in (1) geeft (zie afb. 6). dn Gevraagd wordt te bepalen de dynamische 7-+n=Kl.x+Kz.p relatie tussen vloeistofniveau N, klepheffing dt X en pompdruk P. met Uit de massabalans volgt: toevoerstroom - afvoerstroom = verandering van opslag
Neem aan dat geldt
c 2
Invoering van de differentiaaloperator
geeft Stel in verband met het lineariseren dat
Kl
n=7s
+1
Kz .Xf-
7s
+ 1 .P
wat weergegeven kan worden in een blokschema (zie afb. 7). Variatie van de klepheffing wordt beschouwd als ingangsgrootheid waarmee het te regelen niveau wordt beinvloed; variatie in de pompdruk heeft een storende invloed op het niveau.
De variabelen x, p en h zijn tijdsafhankelijke signalen. Bij gegeven x(t) of p(t) kan h(t) worden bepaald door oplossen van de 1e orde dif ferentiaalvergelijking. Is het proces een onderdeel van een regelketen, dan kan, indien van elk onderdeel het verband tussen in- en uitgang in een vergelijking is weer te geven, een differentiaalvergelijking voor het gehele systeem worden opgesteld. Voor een lineair systeem is deze altijd oplosbaar. De methode is bruikbaar maar verschaft weinig inzicht in de wijze waarop elk der onderdelen bijdraagt in het totale gedrag. Naast de karakterisering van een inuitgangsrelatie door een differentiaalvergelijking zijn nog andere beschrijvingswijzen mogelijk. De eigenschappen van een lineair systeem worden ook volledig vastgelegd door de responsie op een bepaald signaal, waartoe dikwijls de eenheidsimpuls, de eenheidsstap en de sinus worden gebruikt. Duhamel heeft aangetoond dat het verband tussen het ingangssignaal x(t) en het uitgangssignaal y(t) is weer te geven door een convolutie-integraal
y(t) =
i
x (7) . h (t -7) d~
O
waarin h(t) = de eenheidsimpulsreponsie van bet systeem. Een dergelijke integraal leent zich, in diskrete vorm, goed voor berekeningen met een digitale computer. Door toepassing van de Laplacetransformatie gaat de convolutie-integraal over in een gewoon produkt: Y(s) = H(s) . X(s) waarin: Y(s) = L{Y(~)), X(s) = L{x(t)), H(s) = L{h(t)) en s = X jo = komplexe frekwentie, X = dempingsfaktor en o = radiaalfrekwentie (afb. 8).
+
De fysische betekenis hiervan is onder meer dat als X(s) een ongedempte (A = O), sinusvormige variatie is van de vorm X(W)= A sin ~t en de stationnaire responsie De kleine letters stellen voor kleine variaties hierop Y(o) = B sin (ot Q),dat de comrond een bedrijfstoestand welke wordt Afb. 8 - Blokschemmepresentatie in tijdsdomein en plexe uitdrukking HGw)weergeeft hoe de frehventiedomein. gekarakteriseerd door de overstreepte amplitude verandert en welke fazedraaiing hoofdletters. optreedt. Aangetoond kan worden dat de Invullen van de relaties (4) in (2) en (3) B responsle. geeft amplitudeverhouding a(o) = - = modulus
+
A vsrhouding
{H(jo)) en dat de fazedraaiing Q(w)= argument {H(jo)). Om deze reden wordt H(s) de complexe
overbrengingsverhouding genoemd. Verder kan worden aangetoond dat bij Laplacetransformatie de differentiaalbewerking overgaat in vermenigvuldigen met s, Zonder daadwerkelijk gebr-ik te maken van de Laplacetransformatiemethodekan daarom een lineaire differentiaalvergelijking worden omgevormd tot een complexe d overbrengingsverhouding door -te vervandt d2 bodediagram polair diagram gen door s, -door s2, etc. dt2 KI Afb. 9 - Bodediagram en polair diagram voor de overbrengingsverhouding H(s) = -. Komplexe overbrengingsverhoudingen van 1 7s opeenvolgende blokken kunnen met elkaar worden vermenigvuldigd. invloed van een storing op de te regelen H(s) = Hl(s) . H2(s) . . H,(s) grootheid. Dit kan worden bereikt door -
+
.
0
met als voordeel dat
Afb. I 0 (P
= arg
n
H(o) >> 1 te kiezen of, daar H2 meestal gegeven is, door H1&(o) met behulp van de regelaar zo groot mogelijk te kiezen in het frekwentiegebied waarbinnen Z(O) betekenis heeft. Het gevaar voor het ontstaan van instabiliteit stelt een duidelijke grens aan het verhogen van de versterking. Bij programmaregelingen en volgsystemen is meestal & = 1 (of een konstante faktor). Een goed regelgedrag vereist dat
- Blokscherna van een regelkring.
(H(s)) = Z arg {Hi(s)) i=l
Een en ander kan grafisch worden weergegeven in een zogenaamd bodediagram of in een polair diagram. In een bodediagram wordt a ( ~ = ) I H(jO) I op dubbellogarithmische schaal uitgezet tegen de frekwentie o: vermenigvuldigen van a! waarden gaat dan over in optellen. De fazedraaiing wordt lineair uitgezet tegen de frekwentie o op logarithmische schaal. In een polair diagram wordt H(jO) uitgezet als vektor in het complexe vlak. Van het eerdergenoemde voorbeeld zijn bodediagram en polair diagram weergegeven in afb. 9. 3.3. Gebruik van blokschemds in he? frekwentiedomein
Met behulp van blokschema's en weergave van signalen en hun onderlinge relaties in het frekwentiedomein kunnen enige eerdergenoemde begrippen nader worden toegelicht. Een tegengekoppeld regelsysteem kan onder bepaalde omstandigheden instabiel worden. Voor het in afb. 10 gegeven blokschema van een regelkring geldt: E=R-&.Y Y=Hl.Hz.E+H2.Z
( )
-
Afb. 11 Polaire figuren van rondgaande overbrengingsverhoudingen voor het stabiele en het instabiele geval.
HtOtal (0) stelt voor het regelgedrag in het frekwentiedomein. 0
Indien H r - 1 dan wordt de noemer van Htotaal Het systeem kan een uitgangssignaal hebben, zonder aanwezigheid van een ingangssignaal, of het systeem is instabiel. Door Nyquist is aangetoond dat een gesloten keten, bestaande uit stabiele overbrengingsverhoudingen, alleen stabiel is indien het punt (- 1,O) in het polair diagram links 0
van de kromme H(jo) ligt wanneer deze kromme in de richting van toenemende o wordt doorlopen (zie af b.11). Het stoorgedrag in het frekwentiedomeinis
(z) Y
Hstmr (O) = -
1+Hi.H2.& H (rechtdoorgaand) 0
1 4- H (rondgaand)
R=o H (recht tussen Z en Y)
- H2
-
I+&
+ H (rondgaand) 0
1
Een goede regeling vereist een minirnale
= 1 (of een konstante faktor)
over een zo breed mogelijk frekwentiegebied. Dat is te realiseren door HlH2 >> 1 te kiezen, H1H2 zodat 1. 1+HIHz Is Hz niet meer vrij te kiezen dan betekent dit dat HI >> 1 moet worden, wat door de regelaar kan worden gerealiseerd. Ook hier stelt het gevaar voor instabiliteit een grens aan het vergroten van de versterking. 4. Samenvatting
Het volgens een vooropgesteld plan laten verlopen van bepaalde grootheden van een proces kan worden gerealiseerd door te regelen (gesloten keten) of te sturen (open keten) of door toepassing van een kombinatie van beide principes. Bij regelen door tegenkoppeling wordt in principe het effekt van alle verstoringen die aangrijpen tussen aftrekpunt en procesuitgang tegengegaan. Bij sturen wordt het effekt van elke belangrijke verstoring afzonderlijk gekompenseerd, zonder kontrole op het eindresultaat. De kwaliteit van een regeling of besturing is te karakteriseren door de begrippen stoorgedrag en regelgedrag. Kennis van de aard van de storingen en van de dynamische eigenschappen van het proces zijn nodig om te kunnen beoordelen of een bepaalde regeling aan de
I1 Enige systeemtechnische beschouwingen in de regeltechniek
gestelde eisen zal kunnen voldoen. Een goed stoorgedrag en een goed regelgedrag kunnen bij een tegengekoppeld regelsysteem worden bereikt door een zo groot mogelijke versterking in de rondgaande keten, over een zo breed mogelijk frekwentiegebied. De mogelijkheid tot vergroten van de versterking wordt begrensd door het gevaar voor instabiliteit van de regelkring. Indien door het gevaar voor instabiliteit een onbevredigend stoorgedrag resulteert dan zal dit op andere wijze moeten worden venvezenlijkt, bijv. door een kombinatie van regeling en storingskompensatie door voorwaartsregeling.
1. Inleiding
De regeltechniek speelt in de procesindustrie een zekere rol binnen het ruimere kader van instrumentatieproblemen, waarvan ook de beveiliging, alarmering en andere vormen van procesbeheersing deel uitmaken. Het instrumenteren van een regelkring betekent echter impliciet het maken van een regeltechnisch ontwerp, en hierbij dient naast het doen van een verantwoorde keuze voor instrumentatie ook aandacht besteed te worden aan het dynamisch
IR. 0.H. BOSGRA Laboratorium voor Werktuigkundige Meet- en Regeltechniek TH Delft
gedrag van het te regelen proces. Met 'dynamisch gedrag' wordt hier bedoeld de wijze waarop de procesvariabelen als funktie van de tijd onderling samenhangen. Beschouwingen over dit dynamisch gedrag hebben noodgedwongen een enigszins abstrakt, wiskundig karakter. Dit is onvermijdelijk; het is bijv. vrijwel onmogelijk om inzicht in een regeltechnisch belangrijk fenomeen zoals stabiliteit te verkrijgen, zonder hierbij wiskundige begrippen te hanteren. De abstraktie welke in de regeltechniek gehanteerd wordt, leidt tot beschouwingen over systemen en signalen. E k e variabele welke in het proces een rol speelt kan als funktie van de tijd in het probleem bekeken worden en wordt dan met het begrip signaal aangeduid. De relaties tussen verschillende signalen worden beschreven door wiskundige betrekkingen, en het geheel van signalen en de relaties hiertussen noemt men een systeem. Een systeem beschrijft dus dat deel van het Afb. I - Merzgproces, door een sysfeerngrens afgescheiden van zijn onigeving.
te regelen proces, dat men in de probleemstelling wenst te betrekken. Men bepaalt dit, door een denkbeeldige systeemgrens aanik brengen; hiermee ligt eenduidig vast, welk procesdeel beschouwd wordt en alles wat daar niet toe behoort vormt de 'omgeving'. Van deze omgeving wordt alleen nagegaan, via welke signalen het systeem be'invloed wordt. Deze signalen worden ingangsvariabelen genoemd, indien het mogelijk is om hiervoor een vrije keuze te maken. Indien de omgeving op het systeem inwerkt op een niet-beinvloedbare wijze, spreekt men van storingen. Omgekeerd kunnen gemeten procesvariabelen vanuit het systeem aan zijn omgeving ter beschikking worden gesteld; dit noemen we uitgangsvariabelen. In afb. 1 is een deel van een eenvoudig mengproces weergegeven met een systeemgrens. Door na te gaan waar de systeemgrens de massastromen snijdt, kunnen we nagaan welke variabelen in elk geval als in- of uitgangsvariabele of als storing opgevat kunnen worden. Een keuze hiervoor is nog afhankelijk van het doe1 dat gesteld wordt. Als bijv. gewenst wordt dat het niveau H en de kwaliteit @, geregeld worden, dan zijn de uitgangen van de betreffende opnemers uitgangssignalen. Met de aangegeven systeemgrens kan ingegrepen worden op beide kleppen 1 en 2; stuursignalen naar deze kleppen zijn dan ingangsvariabelen. Onder de aanname dat drukvariaties over de kleppen geen rol spelen, liggen de massastromen en daarmee ook vast. De kwaliteiten van beide ingaande stromen, 81 en 8 2 , kunnen echter we1 varieren en spelen dan een rol als storing. Merk echter op, dat klep 3 buiten de gekozen systeemgrens ligt; er wordt dan van uitgegaan, dat klep 3 de funktie heeft om de massastroom naar een volgend procesdeel te bdnvloeden. Deze massastroom 8, wordt aan het mengvat onttrokken (passeert de systeemgrens) zonder dat daarop binnen de systeemgrens invloed kan worden uitgeoefend, en dient dus als storing te worden beschouwd. Het zou natuurlijk mogelijk zijn, om klep 3 en eventueel andere hierop volgende delen van het proces binnen de systeemgrens te brengen. Dan zou een uitgebreider regelprobleem in zijn geheel bekeken kunnen worden. Dit kan gewenst zijn, hoewel de hier geschetste systeembeschouwing het mogelijk maakt om afzonderlijke deelprobleemen eerst gescheiden te bekijken, waarna het altijd mogelijk is om verschillende (dee1)systemen samen te voegen. Het wordt dan duidelijk, dat de begrippen storing en in- en uitgangsvariabele relatief zijn; de uitgangsvariabele van het ene deelsysteem kan als storing inwerken op een ander deelsysteem.
De geschetste gedachtengang kan gezien worden als een eerste stap in het opstellen van een model van het beschouwde proces. Het onderkennen van de rol van de verschillende procesvariabelen en van het fysisch mechanisme volgens welke het proces verloopt, vormt hiervoor de basis. Er dient daarbij strikt geredeneerd te worden van oorzaak naar gevolg: waarop kan ingegrepen worden, en wat volgt daaruit? Met behulp van fysische behoudswetten en betrekkingen voor de stroming door kleppen en andere komponenten, is het dan mogelijk om een theoretisch model van het dynamisch gedrag van het beschouwde procesdeel op te stellen. Meestal zijn hierbij vereenvoudigende aannamen nodig, om een model van voldoende eenvoud te krijgen. Vaak is het ook voldoende, om een elementair inzicht te hebben in het systeemgedrag. Zodra bijv. het inzicht is verkregen, dat een systeem beschreven kan worden door een eerste-orde differentiaalvergelijking en een voortplantingstijd, waarvan de parameters (tijdkonstanten en versterkingsfaktor) ruwweg bekend zijn, dan kunnen de mogelijkheden van terugkoppeling op grond van deze beschrijving bekeken worden. Verschillende procesvormen kunnen leiden tot hetzelfde principiele dynamische gedrag; een systeemtechnische beschrijving maakt het mogelijk om de analogieen hiertussen te herkennen. In de hierna volgende hoofdstukken zullen een aantal elementaire procesmodellen nader geanalyseerd worden en zal ingegaan worden op de mogelijkheden van terugkoppeling. Het inzicht in de regeltechnische eigenschappen van dergelijke elementaire procesmodellen en het fysisch inzicht in de mechanismen van een specifiek proces maken het veelal reeds mogelijk om een verantwoord ontwerp van regeling op te zetten. Een verdergaande uiteenzetting van deze gedachtengang is te vinden in [I].
geld wordt, door veranderingen in het niveau H om te zetten in evenredige veranderingen van de stand van de regelklep 1 en daardoor van de ingaande massastroom @I,ontstaat een regelkring zoals in afb. 2 is aangegeven. azen a. zijn hierin storingen. K , geeft hierin de proportionaliteitsfaktor aan tussen niveauvariaties en massastroomvariaties; de integratietijdkonstante is ri = PA. Voor het regelgedrag van het teruggekoppelde systeem ontstaat:
Afb. 2 - Karaktenstieke responsies van een eerste-ordesysteer~top sprongvor~~tige verstoringerz van de ingestelde ivaarde r en van de storing a2.
De variabele s is hierin de differentiaaloperator. Een proportioneel teruggekoppelde integrator gedraagt zich dus volgens een eerste-orde differentiaalvergelijking (eersteordesysteem) met statische versterking 1 en tijdkonstante r i / K I .Afb. 2 geeft de voor een eerste-ordesysteem karakteristieke responsie van H op een stapvormige verstoring van de ingestelde waarde r. Het stoorgedrag voor variaties in a2wordt gegeven door
Afb. 3. a. Stapresponsies van n in sene geschakelde identieke eerste-ordesystente~z?net tijdkonstante ~ / n . b . Kivaliteitsregeling van een ~~tengproces als Opmerkelijk is dat een blijvende verstoring voorbeeld van een systeern ntet voorplantingstijd.
in a2 ook een blijvende afwijking van het niveau H veroorzaakt. Indien een aantal eerste-ordesystemen in serie geplaatst worden, op zodanige wijze dat een tijdkonstante T verdeeld wordt over n deelsystemen, ontstaat de overbrengingsverhouding
2. Enkele eenvoudige lineaire systemen Indien op het mengproces van afb. 1 een massabalans toegepast wordt, ontstaat direkt een uitdrukking voor het niveau H als funktie van de drie massastromen: 1
H(t) = H(0)
+ -. PA
t
waarin p de dichtheid van de vloeistof en
A het vloeistofoppervlak aangeeft. Merk op, dat het vat een integrator voorstelt met ingangssignaal
+
@l(t) @2(t)Na een blijvende verstoring van CCn van ' deze variabelen zal H(t) alleen dan be-
Afb. 4. a. Proportionele regeling van een sysfeent ?net voortplantingstijd. b. Regelgedrag bij verschillende waarden van de versterkingsfaktor K = K , K p
grensd blijven indien dit ingangssignaal op den duur naar nu1 gaat, zodat ontstaat @l(t) @2(t)- @o(t)= 0.
+
Indien nu het niveau proportioneel gere-
Stapresponsies voor een dergelijk systeem zijn voor verschillende n gegeven in afb. 3 (a). Interessant is om na te gaan wat er gebeurt voor n -too: Y 1 -7s lim - = lim =e
Dit limietgeval geeft een zuivere voortplantingstijd aan: het ingangssignaal x(t) komt onvervormd, maar in de tijd over T wxtraagd, in het uitgangssignaal Y(t) terug. Voortplantingstijden komen veel voor in systemen met stromende media als signaal-
A f b . 5. a. Zntegrerende regeling van een systeem met voortplantingstijd. b . Responsie van de uitgangvariabele op een sfap in de gewenste waarde voor T~ = Kp~,,/0.75.
drager. In afb. 3(b) is een proces geschetst waarin aan een stromend medium kontinu een massastroom van een andere komponent wordt toegevoegd. Indien de mediurnsnelheid V konstant is, bestaat tussen variaties in de koncentratie ter plaatse van punt (2) en variaties in de toegevoegde massastroom a, een verband, dat ongeveer beschreven zal kunnen worden door een proportionele faktor en een voortplantingstijd T = L/V. Indien diffusieverschijnselen een belangrijke rol spelen, kan een model volgens afb. 3 (a) met n > 10 wellicht een betere beschrijving geven, maar een beschouwing gebaseerd op een zuivere voortplantingstijd levert reeds een goed inzicht op. Proportionele terugkoppeling van een systeem met voortplantingstijd geeft slechte resultaten. Afb. 4 laat zien, dat slechts een geringe rondgaande versterkingsfaktor 0
K = K,Kp toegestaan is, om instabiliteit te voorkomen. Er blijft dan een aanzienlijke statische afwijking bestaan tussen variaties in gewenste waarde en variaties in uitgangssignaal. Een beter gedrag ontstaat bij gebruik van integrerende terugkoppeling (afb. 5). Als de statische versterking van het proces de waarde K, heeft, ontstaat een goede instelling van de integratietijd ri van de
-
A f b . 7 Benadering van een stapresponsie door de parameters Kp, T~ en rl.
regelaar als voldaan wordt aan de volgende relatie voor de rondgaande overbrengings0
verhouding H:
Het regelgedrag vertoont dan een stapresponsie met een vorm zoals in afb. 5 is getekend. Bovenstaande voorbeelden kunnen gegeneraliseerd worden. Regelaars met proportionele en integrerende werking worden zeer veel toegepast in de procesindustrie en zijn in de handel verkrijgbaar in bijv. pneumatische of elektronische uitvoering. Ook differentierende werking kan veelal toegevoegd worden, maar zal hier buiten beschouwing worden gelaten. Bij toepassing van een dergelijke proportioneel- en integrerend P I ) werkende regelaar dient een instelling bepaald te worden voor de versterkingsfaktor en integratietijdkonstante, zodanig dat in samenhang met het te regelen proces een aanvaardbaar gedrag ontstaat. Indien het proces geen integrator bevat, zal bij proportionele regeling in statische toestand een blijvende afwijking kunnen ontstaan tussen gewenste en geregelde variabele.
Afb. 6 - Het principiele gedrag van een P- en PI- geregeld systeem.
Toevoeging van integrerende werking brengt een dergelijke statische afwijking terug tot nul. De P- en I-werking dient onderling zo ingesteld te worden, dat enerzijds bij een verstelling van de gewenste waarde de geregelde grootheid zo snel mogelijk volgt; anderzijds dient de nieuwe evenwichtssituatie slechts via een gedempt oscillerend verloop bereikt te worden, zodat een gering doorschot (overshoot) ontstaat. Afb. 6 geeft een toelichting op deze punten. Een verantwoorde methodiek om een goede regelaarinstelling te vinden maakt gebruik van grafische voorstellingen van de komplexe overbrengingsverhoudingenvan het proces en van de regelaar. Dergelijke frekwentiedomeinrnethoden zijn beschreven in [I] en d e n hier niet behandeld worden. In veel gevallen kan echter gebruik gemaakt worden van eenvoudige praktijkinstelregels welke het karakter hebben van een vuistregel. Bekend zijn de klassieke regels van Ziegler en Nichols, welke toegepast kunnen worden bij processen waarvan het dynamisch gedrag gekarakteriseerd kan worden door een verloop van de stapresponsie zoals geschetst in afb. 7. Door een raaklijn te trekken in het buigpunt, kan een dergelijke stapresponsie worden gekarakteriseerd door de tijdkonstanten rven TI en de versterkingsfaktor Kp. Dit kan opgevat worden als een benadering van het ongeregelde procesgedrag door een model met overbrengingsverhouding
Bij gebruik van een PI-regelaar met overbrengingsverhouding 1 H, =K,(1 +-I ris bevelen Ziegler en Nichols de volgende instelling voor K, en ri aan: P-regeling: K,Kp = r l / r V PI-regeling: K,K, = 0,9 r11rv, ~i = 3,3 rv Een dergelijke instelling zal niet de best mogelijke zijn, maar geeft vaak zinvolle richtwaarden welke eventueel experimenteel nader aangepast kunnen worden. Vaak kan in de praktijk een stapresponsie, zoals in afb. 7 geschetst is, op eenvoudige wijze experimenteel bepaald worden door in ongeregelde toestand de ingangsvariabele stapvorming te verstellen. Een uitgebreide theoretische analyse van het dynamisch procesgedrag kan dan achterwege blijven, hoewel een elementair inzicht in de procesdynamika altijd gewenst is om het regelgedrag in de praktijk te kunnen evalueren. Opgemerkt dient te worden, dat in het
bovenstaande geen aandacht is besteed aan het karakter van de verstoringen, welke op het proces inwerken. Het ontwerpen van de terugkoppeling op grond van een verantwoord regel- en stoorgedrag leidt tot veel uitgebreidere beschouwingen waarbij een statistische benaderingswijze belangrijk kan zijn. Zie hiervoor bijv. [2].
I
'
J
I
Afb. 8 - Storingskompensatieschakeling.
3. Samengestelde regelstrukturen
Indien een goed inzicht bestaat in het funktioneren van een proces kan in sornmige gevallen een zinvol gebruik gemaakt worden van meer dan een gemeten signaal voor het regelen van een enkele variabele. Als bijv. bekend is hoe een belangrijke verstoring op een geregelde variabele inwerkt, en indien deze storing gemeten kan worden, is het soms mogelijk om de storing goeddeels te kompenseren door voorwaartskoppeling. Het principe is aangegeven in afb. 8. Het proces is opgedeeld gedacht in drie delen Hpl, Hp2en HpA;er tussenin grijpen storingen aan. De hoofdstoring zl wordt snel weggeregeld door een keuze van de voorwaartskoppeling H, welke zo goed mogelijk voldoet aan H,HPI = - 1. Een eventueel restant van z, en de andere storing z, worden via de terugkoppeling H,. weggeregeld. Merk op dat hierdoor het effekt van zl weggeregeld kan worden, nog voordat de geregelde variabele be'invloed is. Een voorbeeld van een dergelijke storingskompensatieschakeling geeft afb. 9. Kwaliteitsvariaties in het afvalwater worden gerneten en in de juiste verhouding door voortwaartskoppeling gekompenseerd. Hierbij wordt verondersteld dat de massastroom te behandelen afvalwater min of meer konstant is. Indien deze massastroom we1 belangrijk varieert, kan in principe ook deze variabele gemeten worden en kan zijn invloed door voorwaartskoppeling grotendeels geelimineerd worden. In de procesregeling worden verschillende andere samengestelde regelstrukturen gebruikt, zoals kaskaderegeling, verhoudingsregeling en kombinaties hiervan. Hierop wordt in [I] en [3] nader ingegaan. Een belangrijk aspekt zal hier genoemd worden: het gedrag van twee (of meer) regelkringen welke elkaar be'invloeden door een koppeling via het proces. Beschouw daartoe het mengproces van afb. 1. Veronderstel dat zowel het niveau H als de nitgangskwaliteit 8, geregeld dienen te worden. Door in te grijpen op een van beide kleppen worden beide variabelen H en 8, be'invloed. Indien nu bijv. het niveau met klep 1 geregeld wordt en de kwaliteit 8, met klep 2, ontstaan niet alleen twee teruggekoppelde kringen, maar is ook een derde kring aan te wijzen. G a daartoe uit van een denkbeeldige niveauverstoring;
variaties, zonder dat de verhouding tussen beide massastromen belangrijk hoeft te varieren. Het resultaat van de menging 8, zal hierbij niet of nauwelijks bei'nvloed worden, zodat de niveauregeling van de kwaliteitsregeling ontkoppeld is. Het bovenstaande voorbeeld van een ontkoppelende regeling kan gegeneraliseerd worden. Om in een specifiek geval de uitspraak te kunnen doen of koppeling mogelijk en wenselijk is, client een uitgebreide analyse van het dynamisch gedrag van het proces gemaakt te worden. Uit deze analyse kan ook duidelijk worden, of eventueel van andere technieken voor meervoudig geregelde processen een goed gebruik gernaakt kan worden [4], [5]. 4. Slotopmerkingen
Afb. 9 - Storingskompensatie toegepast bij een proces voor neutralisatie van afiial~vater.
De gedachtengang welke bij de toepassing van de regeltechniek gevolgd wordt, is gebaseerd op inzicht in de eigenschappen van dynamische systemen. Hierbij speelt met name een rol de vraag, hoe een dynamisch systeem zich gedraagt indien het via een regelaar wordt teruggekoppeld. Slechts enkele belangrijke aspekten zijn hier aan de orde gekomen. Wenst men een goed inzicht in de grondslagen van de regeltechniek te verkrijgen, dan is een verdere bestudering van relevante literatuur noodzakelijk. Enkele suggesties hiertoe zijn in de literatuurverwijzing opgenomen. Literatuur
Afb. I0 - Ontkoppelde regeling van een mengproces.
via de niveauregelaar wordt klep 1 versteld, deze belnvloed 0, en de kwaliteitsregelaar zal klep 2 verstellen. Deze heeft weer invloed op het niveau, zodat de derde kring gesloten is. Het is daardoor denkbaar, dat beide regelkringen afzonderlijk goed werken, maar dat hun gezamenlijke aanwezigheid een instabiele derde kring tot gevolg heeft. Dit kan leiden tot de noodzaak, om de versterking in de beide regelkringen belangrijk te verkleinen, zodat een minder goed regelgedrag ontstaat. Een dergelijke interalctie tussen twee regelkringen kan echter beter weggewerkt worden, door de oorzaak hiervan weg te nemen en beide kringen te ontkoppelen. Dit is in afb. 10 uitgevoerd door de kwaliteitsregelkring niet meer te laten ingrijpen op een van beide massastromen, maar op de verhouding tussen de beide massastromen. Hiervoor wordt een verhoudingsregelaar gebruikt (FrC: flow ratio controller). Afwijkingen van het niveau kunnen nu gekorrigeerd worden door massastroom-
1. Cool, J. C., Schijff, F. J., Viersma, T. J. Regeltechniek. Agon Elsevier, Amsterdam 1972. 2. Grinten, P. M. E. M. van der, Lenoir, J. M. H. Statistische procesbeheersing. Het Spectrum, Utrecht 1973. 3. Grinten, P. M. E. M. van der. Procesregelingen. Het Spectrum, Utrecht 1970. 4. Takahashi, Y., Rabins, M. J., Auslander, D. M. Control and dynamic systems. Addison-Wesley Publ., Reading, Mass., 1970. 5. Rosenbrock, H. H. Computer-aided control systein design. Academic Press, New York 1974.
Automatisering en werkklimaat
In deze kursus is het zo geregeld dat u langs een tiental ondenverpen wordt gestuurd, die alle van bijzonder belang zijn voor de beheersing van het waterleidingbedrijf. Iets van de historie en van de grondslagen zijn reeds aan bod gekomen en veel van de kritische mechanismen en komponenten staan eveneens op het programma. Het regelen en sturen van en in verband met het werkklimaat past gemakkelijk in dit technische kader. In dit bedrijf kunnen we eerst immers de aftappende konsumenten
PROF. DR. J. M. DIRKEN tussenafdeling der IndustrCLle Vormgeving (produktontwikkeling) TH Delft
aan de einden van het distributienet vooropzetten als belangrijkste doe1 en maatstaf, maar erna op de gedeelde tweede plaats en dus als gelijkwaardig de hardware van het bedrijf naast de erin werkende personen. De meesten van u zullen het rekening houden met zichzelf en met het overige personeel waarschijnlijk van even groot belang vinden als de puur technische bedrijfsvoering. Eveneens - ofschoon daarbij nog we1 eens met te veel voorrang voor de 'hardware' van het systeem -geldt dit het ontwerpen van het nieuwe waterleidingbedrijf, of het uitbreiden en vernieuwen ervan. Steeds betreft het bedieners, regelaars en bestuurders, die in een doelgerichte en ekonomische samenwerking met de werktuigen voor winning, opslag, zuivering, dosering, distributie en verrekening het bedrijf waarmaken. Die interaktie tussen die twee typen van systeemkomponenten is een bijzonder belangrijke bepaler van het werkklimaat. Klimaat dan in de zin van min of meer gemeenschappelijke gevoelens van welbevinden, tevredenheid, zelf- en wederzijds respekt of hun tegenovergestelden, voor zoverre direkt betrokken op het werken in het waterleidingbedrijf. Onrniskenbaar is dat dit werkklhnaat ook vanaf andere kanten beinvloed wordt. De onderlinge omgang van het personeel bijv. staat deels 10s van de eigenlijke werktaken en speelt erbij een grote rol. Hoe in de maatschappij buiten het bedrijf over arbeid in het algemeen gedacht wordt, kleurt ook de waardering en de uitoefening van arbeid daarbinnen. De verslechterende konjunktuur en arbeidsmarkt wijzigen heden in een korte periode het zogeheten arbeidsethos.
De bedrijfsvoering heeft echter binnen het eigen systeem een aantal middelen in handen om dat werkkfimaat te sturen ten dienste van het personeel Cn de bedrijfsdoelstelling. Van die middelen wil ik er nu voor u CCn behandelen die nogal belangrijk is, namelijk het ontwerpen van de kontaktvlakken tussen enerzijds bedieners en bestuurders en anderzijds het technische subsysteem van het waterleidingbedrijf. Dus de regelpanelen, de afsluiters, de afleesinstrumenten en wat zich zo meer in grote verscheidenheid daar als 'interface' voordoet en waar regelkringen door mensen worden gesloten. Die kontaktvlakken, die de werkplek in engere zin bepalen, geven vorm aan de samenwerking tussen mens en mechanismen en dus aan de kwaliteit van het gehele systeem, genaamd waterleidingbedrijf. Het regelen en sturen vindt aan die interface grotendeels plaats en het ontwerp ervan is in zekere zin het meest kritische element van het systeemontwerp, omdat het om regelkringen van hoog niveau gaat. Automatisering wil zeggen dat het technische subsysteem een aantal beslissingsfunkties van menselijke operators heeft overgenomen; maar dat zijn nooit alle taken en voor de noodzakelijke menselijke inbreng is de interface essentieel. Wat ik nu in het volgende zou willen verduidelijken is dat het ontwerpen van die kontaktvlakken en daarmee deels tevens vormgeven aan het werkklimaat niet geheel een zaak is van humane bedoelingen en sociale intuities van de systeemontwerper en instrumentslisten, noch minder van een bedrijfspsychologisch adviseur die na de uitvoering van het ontwerp de werkplek nog wat mag dekoreren. Het is daarentegen we1 een zaak van technisch ontwerpen en dat dan vanaf het eerste stadium op basis van systeemanalyse en 'human factors engiAfb. 1
-
neering'. De methodiek daarbij is zoals bij het ontwerpen van andere komponenten van het systeem. De kosten-baten analyses laten betreffende ekonomische nauwkeurigheid van schatting even vaak we1 iets te wensen over, maar geven meestal voldoende beslissingsgrond voor de kritische aspekten van het ontwerp.
Andere systemen als voorbeeld Aanwijzingen over het regelen en sturen van het werkklimaat van operators in een geautomatiseerd waterleidingbedrijf zijn waardevoller naarmate zij meer op ervaring berusten. De automatisering is, behoudens de administratieve verrekening, in dit type bedrijf echter relatief laat op gang aan het komen. De opslag, zuivering, ontharding en distributie, kortom de 'natte kant', vergen toch grotendeels routinematige handelingen en beslissingen die zich lenen tot vergaande mechanisering en automatisering. Ooit begonnen bij de menselijke waterdrager, zijn wij nu aan het komen tot een arbeidsextensief bedrijf met menselijk superviseren van set-points op verlaten terreinen met indrukwekkende bouwwerken en zuiveringsen massastroom-werktuigen. Veelal is dat juistgenoemde stadium nog niet geheel bereikt en heeft de regel- en stuurtechniek nog maar een begin van de mogelijke toepassing gevonden. De ervaringen in automatisering van de natte kant zijn in ons land dus betrekkelijk gering, ondanks de geeigendheid ervoor. De verklaring voor die hysterese dient niet zozeer gezocht in behoudendheid of in ontoereikendemogelijkheden van systeembeheersing en informatiebehandeling, maar eerder in de late organisatorische schaalvergroting in de bedrijfstak. Samensmeltingen en verbruikstoename bij intensiever waterzuivering leidden tot rationalisatie; eveneens deden dat de hogere eisen
Het probleer,~ van nzenselijke schaal en kontakt (copyright Batenburg BV).
Afb. 2
-
Processymbolisen'ng en flexibel gebruik van beeldbuizen (copyright Batenburg BV).
aan de konsumptiekwaliteit van het water. Die schaalvergroting wordt in zekere zin voortgezet nu ekologische problemen, zoals van hardheid en fosfaten, een manifester rol d e n gaan spelen. Op de half januari 1975 gehouden konferentie in Den Haag van de Wereld Gezondheidsorganisabie komen zelfs schattingen van mondiale schaal: Van de 1% miljard kubieke kilometer water op onze globe is 98 % te zout en meer dan 1 % poolijs, zodat er over 150 jaar niet meer voldoende drinkwater zou zijn. Het drinkwaterbedrijf voegt nu een gedegen waarde toe aan zijn halffabrikaat door zuivering, toevoeging en transport; zijn eindprodukt begint dm a1 de eerste tekenen van schaarste te vertonen en herbruik wordt meer en meer toegepast. Kortom een komplekse industrie, waar schaalvergroting een doeltreffender regelen en sturen mogelijk maakt en het rendement verbetert. Deze groeiende gelijkenis met bijv. de procesindustrie, maakt het mogelijk analogien te trekken betreffende de techniek van systeemanalyse en -beheersing. De verlating kan zo snel worden ingehaald. Ontegenzeggelijk leiden de vergelijkingen niet overal tot overeenkomsten. Op buitenstaanders komt het sociale klimaat in de wereld van de Nederlandse waterleidingbedrijven als betrekkelijk gesloten over en met minder lidtekens van langdurige ekonomische strijd dan de meeste andere typen bedrijven. De zekerheid en rust typeren weer een klimaat, dat de regeling en sturing, zoals blijkt vanaf het jaarplan tot a m het bedienen van een afsluiter, niet geheel ongemoeid d e n laten. Een klimaat dat waarschijnlijk ook een gezonde
weerstand tegen snelle arganisatorische en abrupte technische veranderingen zal tonen. Voor een deel kan vermeerderen van regelen stuurtechniek dus een kwestie van irnitatie zijn; ook in deze kursus komt die expertise deels vanuit andere bedrijfstakken. Een aanzienlijk deel betreft echter aanpassing aan de typische hebbelijkheden van het waterleidingbedrijf, waaronder het momentum van de zienswijzen, opleidingsrichtingen en werkgewoonten van de er werkzamen. Het psychologische klimaat is dm enigermate uitgangspunt voor het ontwerpen van het nieuwe systeem en van de interfaces en deze bepalen op hun beurt weer dat werkklimaat. Laat ons daarom eerst trachten het bedrijf in algemeen systeemtermen te typeren. Het waterleidingbedrijf als systeem De winning, opslag, verbetering en distributie in de drinkwatervooniening vormen een systeem dat ruimtelijk zeer uitgebreid is. Voor de beheersing van die subsystemen en hun interaktie zijn veel meetwaarden nodig. Deze data zijn echter niet van een grote fysische verscheidenheid. De bewerking van deze meetgegevens is betrekkelijk eenvoudig en de vereiste snelheid van bewerking daarbij relatief kort. Een belangrijk deel van de metingen en regehgen kan in hoge mate gedecentraliseerd worden gehouden. Het betreft verder geen snelle systemen; er is een grote bedrijfszekerheid met onmiddellijke en zekere effekten bij ingrepen in het transport. Er zijn langere looptijden in de chernisoh-fysische kwaliteitsbehandelingen, maar ook hier is de regelbaarheid zeer groot. Een geheel eigen problemakiek wordt gevormd door de veiligheid, waarbij vooral
natuurlijk gedacht moet worden aan de geboden snelle detektie van biologische en ohemische toxiciteit. Hier doet zich de noodzaak voor geheel nieuwe meetmethoden te ontwikkelen, waarvan enkele naar verwachting vooralsnog via een laboratorium, diskontinu en dm in zekere zin 'off line' zullen meten en regelen. Over het algemeen en dus nog steeds vergelijkenderwijs gesproken, vergen de systeemkomponenten weinig onderhoud en reparatie. Er is gelijkenis met een chernische fabriek die een zeer bescheiden verandering aan zijn grondstof bewerkstelligt; er is overeenkomst met een groot transport- en opslagstation, zij het met bulk van slechts k n type, met meestal slechts &n stroornrichting en met een eenvoudig netwerk. In deze voorgaande abstrakte besahrijving, die natuurlijk de verscheidenheid van die werkelijkheid geweld aandoet, kan men het systeem herkennen, waarbij vele van de technische komponenten het best kunnen stellen zonder menselijke assistentie of bevelen. Dit althans voorzover het de regelingen van lager echelon betreft. Zoals eerder gezegd, zijn menselijke komponenten in het systeem onrnigbaar. Soms vormen die alleen maar het topje van de pyrarnide, waarbinnen het regelen en sturen hierarohisch is ondergebracht en zijn de uitvoerende handelingen mensloos. Er is eohter een direktie, dagelijksewachtdienst, wat personeel voor reparatie en onderhoud, een laboratorium; kortom: enkele meesterkringen. Wat de technische komponenten kennelijk niet goed kunnen overnemen, is het aanpassen van het totale bedrijfssysteem aan andere maatsohappelijke systemen en evenmin het navenante sturen en opvangen van nieuwe en onwaarschijnlijke situaties. Het konstant houden van een toestand binnen bepaalde marges bijv., of volgens een vastgesteld program in de tijd te ontwikkelen, is een taak van regelapparatuur, mits de grootheden bekend en Cbnduidig zijn. Het kwalitatief interpreteren van een versoheiderrheid van minder harde gegevens; het flexibel vinden van (suboptimale) oplossingen voor zeer uiteenliggende probleempjm en - niet te vergeten -het kreatief bezig zijn met het bedenken van nieuwe wensen, doelen, probleempjes en spelletjes, is alleen aan mensen over te laten. Het is ondermeer de tegenstelling algorithme-heuristieken van specialisme-generalisme.
Het dilemma van de mens als regelaar Bij het ontwerpen van een systeem voor drinkWate~00rZieIIi~g volgens de theoretisch ideale methodiek neemt men als eerste de volgende stappen: - er wordt evident gekonstateerd dat de hoofddoelstelling is het kontinu voorzien
,
van vele konsumenten van goede kwaliteit water; - als voor de hand liggende volgende stap wordt een eerste stroomschema opgezet met de blokken zoals grondstofwinning, opslag, zuivering, dosering, kontrole etc. ; - voor elk van de blokken wordt vervolgens een lijst van taken opgesteld die voor het goed funktioneren van een fase nodig zijn; - eerst voor elke taak afzonderlijk en vervolgens voor taken in samenhang, wordt dan bepaald of hetzij mens hetzij hardware het best kan worden ingezet.
ment by exception'. Zelden optredende signalen, die op onvoorspelbare momenten optreden, treffen echter onwaakzame operators aan. Het abrupt verhogen van het waakzaamheidsniveau, teneinde adekwaat te interpreteren, te beslissen en te behandelen, kost wilskracht en reele geestelijke inspanning. De monotone, prikkelarme tussenperioden van onvoorziene duur resulteren in frustratie en verlaging van werkelijke belangstelling en soms tot een gedesorienteerd gevoel dat men we1 eens met 'vervreemding' aanduidt. Het gaat dan om een type arbeid die we1 eens beschreven is als: geschikt voor de persoon, Evenals men zijn keuze maakt uit twee die ergens drie maal per wachtdienst hoogpompen op grond van de technische Afb. 3 - Verder ovenemen van de taken van de leraar in de regeltechniek en fysika is, specifikaties, kan men irnmers de sterke en ntenselijke regelaar? (copyright Batenburg BV). om voor de rest van de tijd een chimpansee zwakke kanten van een menselijke operator te zijn! vergelijken met die van beschikbare Deze species is nng nergens aangetroffen; mechanismen. De taaktoedeling zal dus per eentonig zijn. Het is daarom niet verwonderlijk dat a1 enige tijd geleden voor veel we1 hebben sommige personen een grotere taak aan gene of andere zijde terecht van deze taken mensen door eenvoudige weerstand tegen prikkelarmoede dan komen. Uiteraard is dit een simpele voormeet- en regelinstrumenten zijn vervangen. anderen, dat zal nu ook we1 voor u als stelling van zaken. Net als bij die pnmpen Men had a1 lang door dat bij mensen hier gehoor gelden. Het psychische afweerzijn er verschillen tussen operators; te veel nalatigheden en onnauwkeurigheden mechanisme, dat men dan ook in situaties betreffende opleiding en ervaring, motiaantreft die tenderen naar de juist beschrevering en initiatief. Verder verloopt die taak- optraden. Daarom werd de taak van de vene, is dat de operator zich zelf met vele toedeling niet alleen op basis van dergelijke operator verschoven naar het superviseren vm de regelaars en naar het wachthouden, andere prikkels bezig houdt: veel praten met hardware - en operator - specifikaties. om in geval van door de regelaars onvoorkollega's, het houden van wedstrijdjes met Elk brengt naast baten ook kosten mee; ziene problemen deze op te lossen. Die zichzelf, het veminnen van en gaan hwhten bijv. aanschafprijs, energieverbruik en oplossing is vaak bevredigend bij de aan extra taken die niet nodig of essentieel onderhoud versus loon, zorg en aandacht zijn en dergelijke. Tot op zekere hoogte kan chemische fabriek, waar vaak in de regelen afwezigheid wegens ziekte. In breder kamer druk gedacht en gedaan wordt door men zo zichzelf en de kwaliteit van de perspektief liggen de kosten en baten van taakuitaefening beschermen. De voorwaareen team van operators. In een regelkamer personeel niet alleen in het ekonomische van een waterleidingbedrijf gebeurt echter den zijn echter we1 dat er gelegenheid is vlak; op maatschappelijk vlak telt bijv. voor die extra prikkels. Lang alleen zijn in aanzienlijk minder en is er een bedrijfsde werkgelegenheid en In het vlak van het een technisch en esthetisch verantwoorde, zekerheid om trots op te zijn, maar die werkklimaat het plezier in het werk, het maar visueel steriele ruimte, zoals de tegelijkertijd tot 'prikkelarmoede' voor de sociale kontakt en de kollegialiteit. eenzame astronaut in science fiction, mensen leidt. De stoorsignalen die men op Ik benadruk een dergelijke systematische de panelen laat komen zijn namelijk of tB leidt steevast tot haperen van de menselijke en technische behandeling, omdat een routinematig 6f ze komen te gespreid in de regelaar in het systeem. dergelijk afwegen de -a1 teveel gemaaktijd voor om de aandacht te blijven boeien. Als er geen kollega's vaak aan de lijn of te -fout kan voorkomen dat mensen een Wat zojuist niet genoemd werd bij de in het oog zijn, als er niet die lichte d a i s verkeerde taak krijgen toegewezen. technische specifikaties van de menselijke rommel om ons heen is die voor een gevoel Een verkeerde inzet van een technisch operator is, dat niets doen of bijna niets van behaaglijkheid nodig blijkt, indien er komponent leidt meestal snel tot ontdekdoen ook niet voor hem geschikt is; dit in niet allerlei veranderingen van veraf of king, korrektie of vervanging; bij mensen dichtbij regelmatig kunnen worden opgeleidt het meestal tot stille aanpassing en tot duidelijke tegenstelling met wat men chefs en werkgevers soms hoort beweren. merkt, is er sprake van te weinig brandstof het leveren van onbehoorlijk werk. Zoiets Reeds geruimte tijd is bekend dat voor de voor redelijlc menselijk funktioneren. blijkt ekonomisch en sociaal erg kostbaar, waakzaamheid gedurig informatie, ofwel Op basis van dergelijke ervaringen bij de zodra men werkelijk kalkuleert. De globale kenrnerken van het waterleiding- prikkels, als 'brandstof' nadig zijn. Het zich lopende-band-arbeid, die in sornmig opzicht kunnen richten op CBn type van prikkel, vaak nog 'prikkelrijker' is wegens de bedrijf als systeem hebben tot gevolg dat bij uitsluiting van alle andere hoe aantrek- aanwezigheid van lotgenoten en van spierin de voornoemde derde stap van het kelijk ook, noemen we aandacht, koncenarbeid, is men a1 geruime tijd gaan spreken ontwerpen de taken in het bedrijf niet zo van 'taakrotatie', 'taakverbreding' en 'taakerg geschikt blijken voor menselijke arbeid. tratie of waakzaamheid en het niveau De improviserende generalist, wat spier- en daarvan wordt voor een korte duur bepaald verrijking'. In de door ons geschetste door wilsinspanning, voor middellange duur situatie geldt echter bovendien nog de denkarbeid betreft, kan er niet op veel door de frekwentie en variatie van prikkels paradox: hoe verder geautomatiseerd, des te plaatsen of in grote aantallen aan zijn hoger de vereiste opleidingsgraad en dus te uit de omgeving en voor langere duur trekken lcomen. Om welke taken gaat het prikkelarmer de taak. Dat bij het waterimmers? Het betreft een eindeloze herhaling door de biologische klok van het etmaalsritme. De supervisie van veel regel- en leidingbedrijf meestal afgelegen en eenzame van snelle vergelijkingen met een norm of werksituaties onvermijdelijk zijn, maakt van gegevens onderling, a1 dan niet gevolgd stuurmechanismen, dus de mens als superregelaar, is gebaseerd op de detektie het arbeidsklimaat daar dus niet roosdoor een zeer eenvoudige handeling; en ingreep van uitzonderingen op routinekleuriger. de spreidingsbreedte van optredende storingen, te vergelijken met: 'manageHet zal u niet ontgaan zijn dat toestanden is smal, zodat de taken extra
de voorgaande beweringen niet alleen uit zijn op begrip en sympathie, maar ook op een opsomming van kontra-indikaties voor het inzetten van mensen op dit soort posten. In het algemeen kan worden aangeraden deze taken dus verder te automatiseren; en de menselijke inzet voor hoger in de pyramide te reserveren; bfwel gezonder werksituaties rond deze taken te scheppen. Afzonderlijke aandacht verdient hierbij de oplossing door de neventaak. De spontane reaktie, die genoemd werd, om zelf in prikkelarme situaties verbetering te brengen door te dagdromen, nieuwe taken te bedenken, rondwandelen, wedstrijden met zichzelf te houden en dergelijke, kan zinvoller worden gekonstrueerd. Brandweerlieden waren vaak vroeger tijdens hun monotone wachtdienst schoenlappers en naohtwakers zijn we1 eens studenten of schrijvers. Zou er geen zinvolle nevenarbeid gevonden kunnen worden die past binnen het bedrijf? Bij een klein personeelsbestand kan daarop vaak positief worden geantwoord, en kan aan meer dan alleen onderhoud worden gedacht. In feite worden de taken bij het stijgen in de hikarchische pyramide steeds 'rijker'. Naarmate een hogere kontinue waakzaamheid geboden is voor de hoofdtaak, dient echter extra zorg te worden besteed aan het vangen en omschakelen van de aandacht. Geluid ter ondersteuning van visuele signalen, extra overzicht voor het snel lokaliseren en traceren van de storing en een meer uitgebalanceerd design van de interfaces zijn dan meer dan anders geboden.
points, door schakelen, telefoneren en schrijven reageert.
1. Maak een scheiding tussen de dynamika en statika van het systeem. - Een overzichtelijk 'flow sheet' met uitvergroting van kritische delen, dient elders en of anders en meer kontinu te worden gepresenteerd dan de ontwikkeling in de tijd van de procesveranderlijken. Lokaliseren en traceren vergen andere informatie dan regelen van een parameter. 2. Maak een hikarchie in de informatieaanbieding op basis van de urgentie van de signalen, van hun frekwentie van optreden en, indien erna nog mogelijk, op basis van de logische volgorde in de processtroom. - Wat het snelst reaktie behoeft, dient het m e a t in de aandacht te springen; wat vaak moet worden waargenomen dient makkelijker in het blikveld te liggen dan wat zelden optreedt, tenzij het urgent is. Een ruimtelijke rangordening van links naar rechts op het paneel, naar gelang de signalen het begin of een later deel van het proces betreffen, kan als derde principe van de layout van een paneel gunstig werlcen. 3. Groepeer en identificeer de informatie door vorm- en kleurkodes. - Dit is zowel voor de proces-dynamische als statische informatie aan te raden en kan zelfs de venvijzing van het ene type naar het andere verbeteren. 4. Bied, indien mogelijk, alleen die informatie aan, welke op dat moment voor de aanwezige operator nodig is en bouw enige redundantie in bij die specifieke signaEnkele principes van 'interface design' lering. Zoals gezegd zal er altijd een kontaktvlak - Opstartinformatie is overbodig bij tussen mensen en hardware in het systeem blijven, a1 is dit zelfs tot in de direktiekamer storingsvrij lopen en bij storing is normaalopgerukt. Daarom blijft het raadzaam voor loop elders van weinig belang. Wat voor het 'welzijn' van het systeem en het weleen reparateur of systeemanalist van bevinden van de werkers een goede interbelang is, blijkt niet blijvend wetenswaardig face te ontwerpen. Een goed werkklimaat voor de operator. hangt mede daarvan af. Met de genoemde 5. Ga uit van het menselijke blikveld, specifikaties van de menselijke waakzaam- van zijn centrum als zwaartepunt van de aanheid en informatievenverking dient dus dacht en van vermindering van opmerkingsrekening te worden gehouden. Enkele en waarnemingsvermogen in de richting van principes van goed interface design zullen de periferie. daarom worden aangestipt. Elk ervan is een - Het draaien van ogen en hoofd is geen uitgebreider behandeling waard. De reeks bezwaar zolang niet veruiteenliggende met schaarse uitleg dient hierna vooral om instrumenten tegelijk moeten worden waarde gedachtengang bij het ontwerpen en genomen; zolang niet een snelle reaktie renoveren aan te geven. Hierbij wordt op een signaal gevergd wordt dat buiten de ervan uitgegaan dat de eerste vier voorgewoonlijke bliklijn ligt. noemde stappen a1 verantwoord zijn gedaan, 6. Ga uit van de komfortabele bereikbaarbetreffende de systeemanalyse en de toeheid van de bedieningspunten. deling van taken aan mensen en mechanismen. Het gaat hier dus om het optimali- - Gemakkelijk bereiken van controls seren van een regelkamer, waar allerlei impliceert snel en nauuikeurig en gelijktijdig informatie vanuit het proces wordt aangebedienen. Het onder direkt handbereik boden en een operator of manager door opstellen dient echter even overzichtelijk als indrukken van knoppen, verzetten van seten in duidelijk verband te staan met de
afleesinstrumenten, eventueel door nevenplaatsing. 7. Streef naar een konkave ruimtelijke oplossing van het paneel van controls en displays en naar een menselijke schaal - De dimensionering dient gebaseerd op de gezichtshoek en op handbereik en kan van daaruit in kleine maatgeving worden opgebouwd. 8. Geef voorkeur voor kritische parameters aan 'mnemische' afleesinstrumenten en soms 'voorspellende' (predicted path display). - Voor goed interpreteren en reageren is het meestal nodig de kurve van het verloop van een parameter gedurende de voorafgaande periode te zien, of soms ook het meest waarschijnlijke, geextrapoleerde verloop in de naastvolgende periode. Schrijvers en beeldbuizen kunnen zo lijnen van ontwikkeling aangeven, die gemakkelijker vertaald kunnen worden dan een of meer exakte cijferwaarden.
9. Pas vaak syrnbolische aanduidingen toe in plaats van digitale presentatie met tellers, lineaire schalen of klokvormige wijzerplaten. - De snelle herkenbaarheid van de aard van een kwantitatief gegeven is vaak gebaat door een piktografische voorstelling erbij, eromheen of met een analoge aanduiding als vervanging. 10. Zorg dat de op een bepaald moment urgente informatie onmiskenbaar wordt waargenomen, maar bied ook ernaast mogelijkheden aan dat naar vrije keuze elke andere informatie naar believen kan worden opgeroepen. -Voor het inproviseren van oplossingen, het beter leren kemen van het systeem en voor bestrijding van prikkelarmoede is het antwoord geven op vele vragen op vele momenten na te streven.
11. Streef door eenvoudig re-design van afleesplaten voor betere onderscheidbaarheid van wijzers, cijfers, werkgebied en kritisch gebied en parametertype. - Verblinding door lichtreflektie, pijlpunt op af te lezen cijfer, teveel cijfers of markeringen, onjuiste schaalrichtingen etc. kunnen vermeden worden.
Het moge duidelijk zijn dat de kille grote regelzalen met wanden vol klokken en schaaltjes niet meer geheel serieus kunnen worden genomen en noch de doelvervulling van het totale systeem, noch het arbeidsklimaat dienen; we1 misschien kan de imponerend grote, kerstboomachtige regelzaal dienen 'to show off the visitors', tot ook die beter weten.
Te meten kwaliteitsgrootheden
1. Inleiding In de waterleidingbedrijven wordt een groot aantal kwaliteitsgroothedenbepaald van het water in diverse stadia van het drinkwaterbereidingsproces [I]. In het hierna volgende wordt geen overzicht gegeven van deze kwaliteitsparameters en van de bepalingsmethoden daarvan, maar alleen van die meetmethoden en analyses, die van belang zijn bii de automatisering van het bedrijf en waarop meet- en regeltechniek aansluiting heeft. De behandeling zal niet beperkt blijven tot de apparaten, die - .-
DR. P. BOS Vrije Universiteit Amsterdam
momenteel ergens in Nederland reeds worden toegepast of momenteel in de handel verkrijgbaar zijn, omdat dit een te zeer tijdsgebonden beeld zou geven, Wij moeten vooruit zien, ook kennis nemen van de analysemethodenin aanverwante gebieden en daaruit selecteren wat perspectief heeft op ons eigen terrein. Er z d e n dus vooral algemeen bruikbare principes worden besproken, toegelicht aan e&ele praktische voorbeelden. En ook dan nog zullen wij ons moeten beperken: het is mogelijk bewakingssystemen op te bouwen tegen alle mogelijke zeldzaam voorkomende vergiften en ongewenste stoffen (de& bijv. aan een sabotagegeval waarbij LSD aan het grondwater of aan het water in de spaarbekkens wordt toegevoegd), en daarop een alarmsysteem in werking te laten treden en het drinkwaterbereidings-en transportsysteem adequaat te sturen, maar wij moeten een keuze maken.
Afb. I
- Hach turbidimeters.
vallend licht; het gereflecteerde licht wordt maakt men veelal gebruik van fotometrie, potentiometrie en coulometrie. Ook een omgezet in een elektrisch signaal. Andere meters werken soortgelijk, bijv. die van enkele andere methode zal nog ter sprake Lange. Behalve voor het verkrijgen van een komen. algemene indruk van fret water kan de De fotometrie berust op de Wet van Beer: meting worden toegepast bij het volgen van E = log (I,/I) = E C ~ .De extinctie E van een coagulatie of f l ~ ~ ~ ~ l a t i een p rvoor ~ ~ e seen lichtstraal met intensiteit I, is evenredig de controle Van het effluent van filters en met de concentratie c van de opgeloste bij het kiezen van het juiste moment om (lichtabsorberende) stof en met de wegdeze te spoelen. lengte d door de oplossing. Omdat de Het principe van de pH-meting is we1 intensiteitsverschillenvan de oorspronkebekend. Het ~otentiaalverschiltussen de lijke (I,) en de doorvallende lichtstraal (I) glaselektrode en de referentie-elektrode via fotomultipliers op eenvoudige wijze in (veelal in 6 n meetstaaf gecombineerd) kan elektrische grootheden kunnen worden op ~ ~ ~ o u dwijze i g egemeten worden en is omgezet, leent de fotometrie zich dus goed op eke willekeurige afstand af te lezen. voor toepassing in elektronischemeet- en Ruwweg gesproken komt Ben pH-eenheid regelsystemen. 2. Continue metingen Overeen met 59 mV. Daarbij is dan de Van automatische analyses met een fotogemeten pH te vergelijken met de gewenste metrisch meetprincipe zouden talloze voorVoor de hand liggende en ook reeds lang pH; Ontstaat daar een te groot verschil bekende continue metingen zijn bij voorbeelden te geven zijn. Er zijn immers zeer tuSSen (oak weer in mV uit te druMcen)9 beeld die van de geleidbaarheid, de pH en vele kleurreacties bekend. Praktisch alle dan kan men dat versch~lsbaalgebruiken de turbiditeit. ~ analyses van de -pchnicon ~ Een geleidbaarheidsmeting is een geheel Om chemicaK'ndosering in werking te worden fotometrisch uitgevoerd. elektrische en elektronische aangelegenheid laten treden*dus van mur of van loog al Bij de potentiometrie past men de wet van naar gelang het teken van het verschilen dus zeer geschikt voor regelprocessen. Nernst toe, E = E, (RT/nF)ln([ox]/[red]), zodanig dat de gewenste pH wanneer men met oxidatie-reductie systeEen te grote geleidbaarheid wijst op te veel Signaa'3 en opgeloste geioniseerde stoffen (zouten). Weer gaan optreden' Of dat dan men te maken heeft. Omdat de evenwichtsgeval is of dat een andere correctie no'dig is, potentiaal Eo, de gasconstante Rmde ternEen continue werkende geleidbaarheids& weer met een meter kan dus bijv. gebruikt worden bij peratuur T, bet aantal elektronen n dat bij bepaalde vertraging. de bewaking van een ontzoutingsinstallatie. de oxydatie of reductie in het spel is, is een zeer eenvoudig voorbeeld van De troebelheid van het water kan gemeten en de constante van Faraday F bij een Opbouwen van een regelkring3uitgaande worden met verschillende soorten turbidibepaalde reactie constant zijn, heeft een De 'surface turbidimeter van een chemische kwaliteitsgrootheid. indicator-elektrode (een Pt- of andere inerte en de veel gevoeliger 'In-Line/TraceY elektrode) in een dergelijke oplossing een turbidimeter van Hach werken respectieve- 3' a'gernene mee@rineipes potentiaal, die logarithmisch afhangt van lijk met voornamelijk opvallend en doorBij de automatische chemische analyse de verhouding van de oxidatie- en reductie-
+
vorm van de stof. En deze potentiaal wordt als spanningsverschil in mV t.0.v. een referentie-elektrode met onveranderlijke potentiaal gemeten. Is BBn van beide vormen in een constante hoeveelheid aanwezig (bijv. als metaal), dan wordt de formule nog eenvoudiger. Heeft men niet met ox- en red-vormen van BBnzelfde stof te doen, maar met twee oplossingen van CBnzelfde stof in BBnzelfde vorm maar met twee verschillende concentraties cl en cz, gescheiden door een membraan, dan heeft men ongeveer dezelfde formule voor de potentialen in die oplossingen, namelijk de wet van Nernst waarin ox en red vervangen zijn door cl en ca of nauwkeuriger gezegd door ax en an (a = fc, waarin f = activiteitscoefficient, 0.a. afhankelijk van de concentratie en gelijk aan 1 in zeer verdunde oplossingen). De pH-meter werkt op dit principe; binnen de glaswand van de indicatorelektrode is de waterstofionen-activiteit constant en de gemeten potentiaal t.0.v. de referentie-elektrode is dus een maat voor de concentratie vrije waterstofionen volgens E = E', - (RT/nF)ln a ~ of, , als men de constanten invult, bij 25 "C: E = E'+0,059 pH (fH = 1 gesteld; de term E', bevat nog enkele hier niet ter zake doende grootheden als de diffusiepotentiaal etc.). Er bestaan verschillende methoden om automatisch te corrigeren voor de invloed van de temperatuur T bij deze metingen. Hetgeen gezegd is voor het waterstofion geldt ook voor elke andere ionsoort, mits men maar een methode vindt om het membraan doorlaatbaar te maken voor die ionsoort alleen. Dan heeft men een ionselelctieve elektrode [2] en dan geldt ook weer E = E',+(RT/nF)ln a (a is de activiteit van de te meten ionsoort, op een factor f na gelijk aan de concentratie daarvan).
rige overmaat) en daar reagens uit te genereren m.b.v. stroom tot een amperometrisch bijv. van teflon waardoor O2 diffundeert dat vervolgens in evenwicht treedt met H + of potentiometrisch te volgen eindpunt. in een tussenruimte; dit H + wordt dan met Deze methode kan bijv. toegepast worden een gewone glaselektrode van een pH-meter bij de rest-chloor bepaling na chloreren van het water met chlooramine of met hypogemeten en omgerekend op de On-concenchloriet [4]. Het reagens is hier Fe(I1) en tratie. het wordt d.m.v. een reducerende stroom Een indruk van de gevoeligheden voor verkregen uit ferrizouten, die in willekeuverschillende ionen geeft de volgende rige hoeveelheden zijn toegevoegd aan het tabel [3]. monster. Een (voortdurend zeer geringe) TABEL I - Detectielilrriet IWI io?welekfieve elekovermaat wordt potentiometrisch gesignatl.oder~voor eerl aantnl at~io~tert en kcatio~tert. leerd in een indicatiecircuit. Continue toe Det. lim. Det. lim. te voegen chloorhoudend water doet nu de Anionen (ppm) Kationen (ppm) indicatorpotentiaal verlopen, totdat (door F0,02 H+ pH 0 tot 14 terugkoppeling van het signaal naar het C10.35 Na+ 0,02 reagens-circuit) juist weer equivalente Br0,4 K+ 0,39 hoeveelheden reagens worden geproduceerd. I0,007 Ca"+ 0,4 0,003 Cuz+ 0,006 sa De stroom, die nodig is voor deze produktie 0,03 Pbz+ 0,02 CNis een maat voor het chloorgehalte. Door 0,6 Cd2+ 0,01 SCNhet continue karakter van de meting is 1 Ag+ O,OI CIO.Isnelle bijsturing van de chloordosering 0,6 NH4+ pNH4 0 tot 6,3 NOsmogelijk. O,11 Li+ pLiOtot6,3 BF4Ook bij de pesticiden analyse kan de coulometrie worden toegepast (microcoulometrie Met deze ionselektieve elektroden zijn dus volgens Dohrmann /Techmation); na vereen groot aantal kwaliteitsgrootheden van branding in een oven reageert het gevormde het water te bepalen en op afstand te chloride met coulometrisch gegenereerd Ag+ registreren. De meting geschiedt in principe continue. In eerste benadering lijkt dit (uit Ag van een verzilverde elektrode) maar hier is nog geen continue werkende monitor zeer ideaal. Doch er zijn een groot aantal ontwikkeld. storingen mogelijk. Hierop kom ik straks
- elektroden met een extra membraan,
-
nader terug. Een ander algemeen meetprincipe, dat zich 4. De betrouwbaarheid van de meetmethoden zeer goed leent voor automatisering is de (continue) coulometrische fitratie met elek- Bedrijfszekerheid is een eerste vereiste bij trolytisch gegenereerd reagens. Hierbij meet- en regeltechniek. Daar wordt in vele voegt men het reagens niet als zodanig toe andere lezingen in deze cursus uitvoerig aandacht aan besteed. Een zwak punt in de maar genereert het met behulp van elektrischakel vormen helaas vaak de chemische sche stroom uit een stof, waaruit het door oxidatie of reductie kan ontstaan. metingen. Het aantal mogelijke storingen is Men genereert bijv. Brz uit een KBr oplos- legio. Dit maant de chemicus tot bescheising door daar een oxiderende stroom door denheid. Men kan niet alles meten en wat men meet kan fout gaan. Dan moet de te laten gaan (via twee generatorenelektroproduktie stoppen en misschien moet men den) en men titreert met het gevormde Bra we1 een dag lang zoeken naar de oorzaak. dan bijv. SOe. Bij luchtverontreiniging met Er zijn verschillende methoden om een Elk type metingen heeft zo zijn specifieke SOn kan men continue lucht door een KBr elektrode selektief te maken voor een oplossing leiden en voortdurend z6veel Brp moeilijkheden en onzekerheden. Omdat men bepaalde ionsoort: vooral bij ionselektieve elektroden een te genereren, dat het SOn juist weggenomen optimistische kijk op de zaken heeft, stip ik - men kan werken met glasmembranen die wordt. En dat dit laatste het geval is en er een geringe overmaat Brp begint te ontstaan bij deze analysemethode en!kele punten voornamelijk op H, Na of K aanspreken; kan men amperometrisch of potentiomeaan. De invloed van de temperatuur op de - elektroden met een vaste-stof membraan, metingen en de mogelijkheid dat de stroom trisch constateren met behulp van twee bestaande uit een oplosbare verbinding van afzonderlijke indicatorelektroden, waarmee of vitale onderdelen van de apparatuur het te meten ion en een vaste concentratie men de broomgeneratie-elektroden weer kan uitvallen, de alarmering daarbij en de te aan de binnenzijde van het membraan; nemen maatregelen en voorzorgen laat ik sturen. Er wordt precies zoveel broom voorbeelden zijn: F-elektroden met een buiten beschouwing; deze zaken zijn niet gegenereerd als er nodig is om het binnenLaFs-'mem'braan' S- en CN-elektroden met specifiek chemisch. komende SOz te oxideren. Men registreert AgpS resp. AgCN in een kunststofmatrix; Ionselektieve elektroden vervuilen vrij snel dan dus de hoeveelheid stroom die men - elektroden met een vloeistofmembraan en geven dan onjuiste en onbetrouwbare nodig had om het benodigde broom te met ionenwisselende of complexvormende meetresultaten. Periodieke controle is absogenereren en bedrijft aldus coulometrie en eigenschappen; luut noodzakelijk. Bij continue metingen we1 continue. Metingen in water zijn wat rninder eenvou- moeten de elektroden van tijd tot tijd gerei- elektroden met een enzymhoudende dig continue uit te voeren, maar in principe nigd worden. In de praktijk blijkt BBn maal bufferzone, waardoor de meest uiteenper uur reinigen met ultrasonore trillingen is het mogelijk aan een continue stroom lopende stoffen, bijv. fenolen, selektief goed te voldoen. water een stof toe te voergen (in willekeugeketen kunnen worden;
Verder blijkt dat ionselektieve elektroden niet specifiek zijn en niet slechts op S n ionsoort reageren, maar ook steeds in meerdere of mindere mate op andere ionen. Een Na-elektrode is bijv. ook enigszins gevoelig voor kaliumionen. Voor een elektrode, die zowel voor MI+ als voor M2+ (enigszins) gevoelig is, geldt per definitie
K
is de selektiviteitsconstante. MdM2 Dan geldt dus:
k is een canstante, die karakteristiek is voor een type elektrode (kan gelijk 1 zijn). Om de invloed van andere dan de bedoelde ionen nu in rekening te brengen (dus die van M2 als men MI wil meten) kan men meerdere elektroden tegelijkertijd laten aflezen en trachten m.b.v. een computer en de selektiviteitsconstantenuit de literatuur voor de invloed van het h e ion op de meting van het andere te corrigeren en omgekeerd. Dit gaat echter gebrekkig. Bovendien meten de elektroden geen concentraties maar activiteiten en deze zijn afhankelijk van de totale ionensterkte. Om deze redenen moet men er van afzien de ionenselelctieve elektrdden conlinue In het water te laten hangen. Het is nodig monsters te nemen en deze op een bepaalde pH enlof een constante ionensterkte te brengen. Bij fluor-metingen voegt men daartoe vaak TISAB (total ionic strength adjustor) aan het monster toe; dit zorgt voor buffering en tevens voor binding van de storende ionen Fe en A1 door citraat. Wanneer men monsters heeft met verschillende (onbekende) concentraties ionen, waarvoor de elektrode eveneens enigszins gevoelig is, elimineert men de verschillen die daardoor ontstan, door aan elk monster (en ook aan de ijkoplossingen) een overmaat van deze storende ionen toe te voegen. Omdat TISAB natriumionen bevat is het tevens nuttig bij fluormetingen als referentie-elektrode een Na-gevoelige elektrode te kiezen; men krijgt dan een stabiel signaal. Voor het verkrijgen van betrouwbare en reproduceerbare resultaten met de ionselektieve elektroden moet men dus vrij veel voorzorgen treffen. Ook regelmatig ijken en controleren is nodig. Toch is het mogelijk met een goed geconstrueerd apparaat
I
autarnatic nanllardizetion
alarm indieator lights
dual ref-point indlcatim
-
4 f b . 5 Conducta monitor voor ~vatercontrole.
behulp van automatische apparatuur voor het nemen van monsters en met transportsystemen is ook dan verregaande automatisering te bereiken. Dat hier niet continu maar intermitterend meetgegevens worden geproduceerd is voor het sturen van het produktieproces of van het transport meestal geen overwegend bezwaar. Er zijn verschillende firma's, die automatische meetstations voor de waterkwaliteit leveren, bijv. Philips Nederland BV. Het Philips meetstation verricht automatisch de volgende functies: Afb. 2 - Cyanide-monitor van Orion, model 1206.
continue te meten gedurende vrij lange tijd. Bovenstaankie afbdding toont de cyanidemonitor van Orion [4]. Dit type instnunenten noemt men 'elektrode babysitter'. Ze zijn er ook voor ammonium, halogeenionen, metaalionen, hardheid, etc.
5. Automatische meetstations Met de genoemde methoden ican veelal zonder meer continue worden gemeten. Veel andere metingen vereisen echter e m of meer bewekingen, zodat niet continue 'on stream' gemeten kan worden. Met
-
Afb. 3 Meetstation fn de Lambro bij Milaan (Philips).
- het nemen van monsters;
- het meten van: temperatuur, opgeloste zuurstof, zuurgraad, troebelheid, geleidbaarheid, chloride, redoxpotentiaal; - ijking (1 x per dag of zonodig vaker); - presentatie van de meetwaarden; - reiniging van de ionselektieve elektroden met ultrasoon (elk uur); - automatische opslag van monsters bij overschrijden van v66ringestelde drempelwarden (ev. in een vriesvak). Het aantal grootheden dat gemeten wordt kan worden uitgebreid (bijv. met COD-bepaling). Het station kan worden opgenomen
-
Afb. 4 Het inwendige van een Philips meetstation. Buiten het beeld vallen de recorders, de bewaarplaats voor 'alarmmonsters' en de vrieskast.
we1 voorgesteld. In principe is het mogelijk zonder toezicht werken. Aansluiting op een computer en een waarschuwingssysteem bepaalde vissen continue tegen de stroom in te laten zwernmen en door onderbreking is mogelijk. Ook analyses, die op de van een optische lichtweg bij snelheidsnormale wijze uitgevoerd vrij lang zouden vermindering (bij beginnende vergiftiging) duren, worden in korte tijd uitgevoerd; verschillen door onvolledige afloop van de of d.m.v. drukschakelaars een signaal in werking te laten treden. Uiteraard is dit reacties (bijv. bij de Kjeldahl-analyse) een enigszins twijfelachtige methode. Men worden geelimineerd door de zeer grote moet we1 rekenen op frequent vals alarm. reproduceerbaarheid. Behalve de hierbij toegepaste continuous 6. Enkele meer globale kwaliteitsparameters flow method bestaan er ook discrete sample methods; daarin blijven de monsters De laatste jaren zijn er veel instrumenten in afzonderlijke bekertjes [6]. ontwikkeld om de meer globale kwaliteitsDe hierbij besproken meetstations produce- parameters BOD, COD, TOD en TOC te ren behalve een waarschuwingssignaal bij bepalen. Deze grootheden geven een indruk het overschrijden van bepaalde waarden een van de hoeveelheid organische stoffen, die De tot hiertoe besproken apparatuur werkt enorme hoeveelheid cijfers. Men moet (als verontreiniging) in het water aanhierbij we1 datareductie toepassen. A1 naar wezig is. vrijwel zonder chemische bewerkingen. Veel klassieke nat-chemische analyses kun- gelang van het doe1 van de metingen De BOD-bepaling geeft de hoeveelheid kan men bijv. uur- of daggemiddelen laten zuurstof die nen het daar echter niet zonder stellen. is om deze stoffen d,m.v. bepalen. Voorheen werden deze analyses dan ook micro-organismen af te breken ('biochealtijd in het laboratorium uitgevoerd en niet Men kan niet op alle stoffen automatisch mical oxygen demand'). Bij afvalwatercontinue meten en dat hoeft ook niet. te velde. De firma Technicon heeft dit behandelingen en rioolwaterzuiveringen is soort analyses vergaand geautomatiseerd in Maar men meet we1 regelmatig monsters dit (nag) een veel gevraagde grootheid. bewaren om daarin t.z.t. in het laboratode autoanalyzers. Hoewel de bepaling automatisch kan warrillm die te laten uitvOeren, den uitgevoerd (door steeds de 02-druk Een autoanalyzer voert automatisch natchemische bewerkingen uit aan series mon- die men nodig acht. Een automatisch meet- ve-ndering verbruik te cornpenstation moet dus voorzien zijn van een diep- seren door 02-generatie) is hij ongeschikt sters, die (slechts door een luchtbel van elkaar gescheiden) door een slangensysteem vrieskast. voor meet- en regeltechniek, omdat hij worden getransporteerd 161. Na de enkele dagen duurt. Om geheel onbekende vergiften in het monstername kan er, a1 naar men wil, wor- water te signaleren zou een biologische Veel meer perspectieven biedt de CODden geschud, verhit, geextraheerd, gefilbepaling(C0D = chemical oxygen methode gebruikt kunnen worden. Een treerd; tenslotte wordt er (meestal fotodoorstroom-aquarium met vissen is hiervoor demand). De oxidatie geschiedt met biometrisch) gemeten en geregistreerd. Nadat de autoanalyzers eerst vooral in de Afb. 6 - Principeschenla en basisopstelling van de autoanalyzer (Technicon). In plaats van dialysafie klinische chemie werden toegepast richt zijn vele andere be~verkingenmogelijk. De in de tekst genoeazde CSM6 inonitor voert zes verschillende analyses tegelijkertijd uit in een coinpacte opstelling. Daarbij behoort dun een installatie de firma zich thans ook op het analyseren die monsters neenot, deze decanteert en naar het apparaat voert. van afvalwater en drinkwater. De CSM6 Water Monitor van Technicon neemt monsters en bepaalt daarin 6 chemische parameters naar keuze.
in een autornatisch meetnet met centrale gegevensverwerking en presentatie. Ook andere firma's laten zich niet onbetuigd. Conducta (Stuttgart-Stamrnheim)levert een monitor, waarmee automatisch gemeten worden de pH of Redoxpotentiaal, diverse anionen en kationen d.m.v. ionselektieve elektroden, opgelost zuurstof, de geleidbaarheid, de troebelheid en de intensiteit van de zonnestraling. Ook bijv. Ecologic Instr. Corp. levert een Automatic Chemical Analyzer (serie 500). Veel firma's leveren geen complete meetstations maar zijn gespecialiseerd in bepaalde typen monitor (automatische geleidbaarheidsmeters, hardheidsmeters enz.).
TABEL I1 - Meetgebiedeio CSM 6 Water Monitor (Technicon). parameter
meetgebied (ppm)
ammonia nitraat en nitriet nitriet orthofosfaat totaal anorg. fosfaat chroom koper ijzer methyl oranje basiciteit thymol blauw hardheid sulfaat fenol cyanide COD kleur chloride fluoride silicaat
Het apparaat is zowel voor rivierwater als voor drinkwater geschikt en kan een week
3. Siegerman, H. Chem. Techn., 1 (1971) 672. 4. Epstein, B. D., 'Electrical Methods of Pollution analysis' hfst. 6 in 'Electrochemistry of Cleaner Environments', J.O'M Bockris (Ed.), Plenum Press 1972 (zie p. 194). 5. Orion Research V (1973) nr. 1. 6. Gemert, J. F. v., Talanta 20 (1973) 1045. 7. Butzelaar, P. F. en Hoogeveen, L. P. J., Chemisch Weekblad 70 (15 nov. 1974) L 5. 8. Ciaccio, L. L., Cardenas, R. R., Jerk, J. S., 'Autonzated and Znstrunzental Methods in Water Analysis', hfst. 27 in 'Water and Water Pollution Handbook', Vol. 4, Ciaccio, L. L. (Ed.), Marcel Dekker, Inc. New York 1973.
Afb. 7 - Schema van een COD-meter met behulp van een zirkoonoxidecel. Links een Zr02-cel met een regelbare stroonzbron Q, die aan het draaggas een constante 02-druk levert. Rechts een dergelijke cel die als nteetinstrurnent fungeert. Centraal een verbrandingsovenF2, die 2 proppen platinagaasPt bevat. Via Znj wordt her watennonster (I0 4)gefnjecteerd. D is een droogtoren gevuld met CaSOd. De regelbare spanning in de iweede cel is zo ingesteld dat deze cel het gehalte aan zuurstof dat de eerste cel levert, wenst te handhaven. Het verbruik aan zuurstof door de verbranding van het monster water 1+7ordtgecotnpenseerd door de doseerstroom in de hveede cel [7].
chromaat en kan automatisch en snel worden uitgevoerd (fotometrische eindpuntbepaling veelal). Met de AquaRator Scientific duurt een analyse slechts twee minuten, maar het apparaat werkt niet zonder bediening. De Jonhson COD-meter daarentegen werkt we1 geheel automatisch. Drastischer oxydatie kan geschieden d.m.v. katalytische verbranding. Men bepaalt zo de totale zuurstofbehoefte (TOD); hierbij worden ook een aantal verbindingen geoxideerd, die men bij de COD-bepaling mist. Voor de TOD-bepaling heeft Philips een apparaat ontwikkeld, waarbij de zuurstof gemeten wordt m.b.v. een zirkoonoxidecel[7]. Verwacht mag worden dat deze methode verder ontwikkeld zal worden, zodat opname in een regel- of stuurkring mogelijk wordt. De totale hoeveelheid organische verbindingen, TOC ('total organic carbon'), kan bepaald worden door katalytische oxydatie (pyrolyse m.b.v. MnO:!) waarna het ontstane CO:! wordt bepaald. Dat laatste kan op verschillende manieren geschieden, bijv. gaschromatografisch na omzetting van het kooldioxide in methaan. De DC-50 van Dohrmann (Techmation/Envirotech) kan met een automatische injector worden bedreven. Ionics (Techmation) levert een online TOC analyzer (model 1224); deze verricht 12 analyses per uur. Beide apparaten zijn uitgerust met een vlarnionisatiedetector.
Het is te verwachten, dat de COD-, TODen TOC-meters meer in zwang zullen komen. Momenteel zijn ze vaak bij de controle van afvalwater in gebruik, maar ze zullen we1 een bredere toepassing vinden. 7. Slotbeschouwing
Een vrij groot aantal chemische kwaliteitsgrootheden zijn momenteel automatisch te meten [8]. Dat aantal zal zich nog we1 uitbreiden evenals het aantal meetinstrumenten. De meeste apparaten zullen we1 werken volgens de hier besproken meetprincipes en berusten op fotometrie, potentiometrie en coulometrie. Misschien zal iets meer dan tot nu toe gebruik gemaakt worden van methoden waarbij fluorencentie optreedt (in opkomst bij het automatisch meten van luchtverontreiniging) en van methoden waarbij d.m.v. een te meten component een galvanisch element wordt gevormd. Ook methoden als gaschromatografie komen door de recentelijk ontwikkelde automatische injectiesystemen een stap dichter bij volledige automatisering en mogelijke aansluiting op meet- en regelr systemen. Voorlopig zullen deze e c h t ~ nog we1 buiten beschouwing kunnen blijven. Literatour
1. 23e Vakantiecursus in drinkwatewoorziening, TH-Delft 1971, 'K1valiteitsbeheersingbij openbare drinbvatervoorziening'. 2. Durst, R. A. @id.), 'Ion Selective Electrodes', NBS Special Publ. 314, US Government Printing Office, Washington DC, 1969.
Het meten van hoeveelheid, druk en niveau
wet van Bernoulli: p l pghl % pV12 = ~2 % pv22 &,l+x p v 1 2 = p 2 +
In dit artikel worden die meetinstrumenten voor het meten van hoeveelheid druk niveau behandeld die voor de regel en stuurtechniek van pompinstailaties, filterinstallaties, reservoirs enz. van groot belang zijn. Er worden meetinstrumenten getoond die naast de aflezing ter plaatse, deed uit kunnen maken van een regelkring en veelal voorzien zijn van de mogelijkheid de meting op afstand over te brengen. Het aanbod van meetinstrumenten voor de verschillende functies is bijzonder groot, zodat er naast de getoonde, veelal nog di-
+
I
verse gelijkwaardige instrumenten in de handel zijn. Aandacht wordt besteed aan de volgende aspecten: het meetprincipe; de uitvoeringsvorm van meetgever en volgapparatuur: het inbouwen; het meetgebied; de nauwkeurigheid; het uitgangssignaal. 2 Hoeveelheid meters (stroommeters) Gemeten wordt de volumestroom (mB/sec.). De toegepaste instrumenten meten de gemiddelde snelheid, hieruit en uit het oppervlak van de doorsnede is dan de volumestroom te bepalen. De gemiddelde snelheid kan op de volgende wijzen gemeten worden: a. dynamisch - d.mv. een vernauwing in de leiding, de aanwijzing berust op de stromingmetten (meetschijf, venmibuis, rotameter); b, lriaematisch - gemeien wordt met een roterend mechanisch systeem (de Woltman vleugelradmeter, de turbinemeter); c. elektromagnetisch - berustend op de wetten van de elektromagnetische inductie (de elektromagnetischemeetbuizen); d. acoustisch of ultrasoon - gemeten wordt het verschil in looptijd van geluidsimpulsen die stroom op en afwaarts worden uitgezonden. 2.1. Stroommeting volgens het dynamische principe 2.1.l. Het meten met de meetschijf
1;)'
. . . . , . . . ., . . . . z
-
4 eeio5 2
4 6 s k
z
L 6s
Re (OQORSN.~
F f g . 1. Meefschijf.
inwendige &am. doorsnede 1 gemiddelde snelheid over de doorsnede (mlsec) p = soortelqke massa (kg/ma) F = oppervIak van de doorsnede (m2) WI = massastroom (kg/sec) am @v = volumestroom (ma/sec) = -
Dl V
= =
p
=
fi
= contractie coEfficTCnt =
FO
m
= openings verhoudmg =
-
P
druk (N/m2)
F2
FO
F1 versneIling van de zwaartekr. = (9,81 m / s d ) h = hoogte (t.0.v. horizontaal) cu = doorstroamcoEff. c = constante Ap = pv-pn PVID~ Re = gehl van Reynolds $
=
' I
q
=
dm. viscositeit (v. water = 10--9 Nslma)
Men laat de vloeistof door een vernauwing in de leiding stromen, zoals in afb. 1 aangegeven. Men meet de drukken pv en pn resp. voor en na de vernauwing. Het v e r s a tussen beide drukken is nu een maat voor de stroomsterkte. We kunnen dit verklaren ab. van afb. 1, waarvoor we voor de doorsneden 1 en 2 de 'wet van behoud van stof' en de 'wet van Bernoulli' kunnen opschrijven. wet van behoud van stof: am1 = -2
+
+
+ pgh2
Uit beide vergelijkingen volgt, na enige afleiding, de meetschijf formule: a m = a.Fo y/2p (pv - pn) Daar onze interesse meer uitgaat naar de volumestroom @vi.p.v. de massastroom am, kunnen we de meetschijfformule ook als volgt schrijven: a FO @v= -y/ 2P (PV- pn) (2) P Uit de in afb. 1 aangegeven grafiek a = f(Re) blijkt dat voor het gebied Re > 106 een konstante is en dat de grootte van deze konstante door de parameter m wordt bepaald. We kunnen dus schrijven: @ v = c )/AP (3) Meetschijven zijn alleen bruikbaar als de stromingstoatand, ruimschoots turbulent is (Re > 105). Bij kleine waarde van Re ook klehe m kiezen (zie afb. 1). De meetschijf is een eenvoudig en hierdoor goedkoop in aanschaf en gemakkelijk te installeren instrument. Het vraagt weinig onderhoud en werkt storingvrij afgezien van evt. afzettingen. De nauwkeurigheid kan bij een zorgvuldige konstruktie en bij het op de juiste wijze inbouwen (vereiste rechte buislengten voor en schter de meetschijf) ca.0,5 O/o van de gemeten waarde bedragen. De nauwkeurigheid van het gehele meetsysteem incl. volgapparatuur hangt af van de gebruikte apperatuur, waarbij opgemerkt zij dat het uitgangssignaal in het lage meetgebied bijzonder gering is i.v.m. het kwadratische verlaop van ~p zie formule (3). De onnauwkeurigheid gerekend t.0.v. de gemeten waarden zal, t.g.v. hetgeen hierboven reeds vermeld, in het lage meetgebied groter zijn dan in het hoge meetgebied. Als nadelen zijn te noemen: a. groot blijvend drukverlies p V ~ ( 1 - m ) ~ p zodat toepassing in het waterleidingbedrijf veelal ontoelaatbaar is; b. kwadratisch uitgangssignaal waardoor zoah boven reeds genoemd, grote onnauwkeurigheid in het lage meetgebied en niet lineaire schalen bij de volgapparatuur; c. stroming moet turbulent zijn, d m a komtant moet zijn bij verschillende stroomsnelheden; d. rechte buislengten nodig voor en achter de meetschijf.
Deze lengten zijn afhankelijk van m. Bijvoorbeeld bij m = 0,65 en voor en achter de meetschijf een haakte bocht; vrije lengte voor meetschijf 11 D (D = inw. leidingdiameter); vrije lengte achter meetschijf 5 D. Voor verdere gegevens raadplege men de fabrieksvoorschriften. 2.1.2. Het meten met de venturibuis In z'n originele vorm (zie afb. 2) bestaat de venturibuis uit een konisch toevoerstuk met een aanloop van 20 - 30" en een uitloop (diffusor) van 5 tot go. Bij deze konstruktie is men er zeker van dat de stroming de begrenzing volgt en er geen wervels optreden zoals bij de meetschijf. Men meet de druk pv vlak voor het begin van de vernauwing en pn in de kleinste doorsnede (de keel). De meetschijfformule (1) welke we reeds behandeld hebben bij de meetschijf geldt hier eveneens:
Uit de grafiek a = f (Re) in afb. 2 blijkt dat bij een strorningtoestand Re>lO5 (ruimschoots turbulent), a alleen afhankelijk is van m, zodat bij konstant blijvende m ook a als een konstante mag worden gezien. De grafiek van afb. 2 toont tevens aan dat bij een laag Re getal we een grote waarde van m moeten kiezen. We kunnen evenals voor de meetschijfformule (3) schrijven
I
Afb. 4
Fig. 2. Venturibuis.
Beide exemplaren zijn voorzien van ringkamers t.b.v. de drukafname punten, zodat op de meetpunten minder wervelingen ontstaan. De ringkamers worden voorzien van messing of bronzen ringen waarin een aantal gaatjes zijn aangebracht. Als materiaal voor de meettbuizen wordt veelal aan de binnenzijde geasfalteerd gietijzer gebruikt. De venturibuis met dubbele insnoering is voorzien van een in de keel aangebrachte 2e vernauwing.
Het voordeel van de venturi boven de meetschijf werd hierboven reeds gememoreerd, nl. geen wervels en dode zones in de stroming en dientengevolge weinig afiettingen en een geringer blijvend drukverlies. Afb. 3 - Enkele uilvoeringen van de ?neefgever Het blijvend drukverlies bedraagt ca. 10 % van Ap bij normale uitloop (klassieke model) en ca. 20 % van ~p bij verkorte uitloop (korte venturibuis). Als nadelen t.0.v. meetschijf kunnen we noemen, de hogere investeringskosten en tengevolge van de langere inbouwlengte een gecompliceerder installatie. Het aanbrengen van minimum lengten rechte leiding voor en achter de meetbuis evenals bij de meetschijf blijft noodzakelijk. 2.1.2.1. Diverse uitvoeringsvormen van de venturibuis In plaats van de originele uitvoering van afb. 2 wordt in de praktijk veel gebruik gemaakt van de in afb. 3 getoonde korte venturibuis of de korte venturibuis met dubbele insnoering. Beide exemplaren hebben een erg korte inbouwlengte (gelijk aan de leidingdiameter) hetgeen een groot voordeel is t.0.v. het klassieke model.
I
- Ubuis rneetgever nzef dotter (doorsnede).
Afb. 5- Ubuis nleetgever met vlotter(jrontaanzichfj.
Deze buis veroorzaakt een 50 O/o tot 60 O/o kleiner blijvend drukverlies dan de korte venturibuis. 2.1.3. Uitvoeringsvormen van de volgapparatuur Het meetinstrument dat het over de vernauwing ontstane drukverschil bij meetflens of venturibuis moet meten en omzet in een elektrisch of pneumatisch signaal kan werken als volgt: a. U-buis meetgever met vlotter, voorzien van een potentiometer of elektronische zender; b. elektronische of pneumatische drukverschilzender. Ad. a. Dit instrument is in de afb. 4 en 5 aangegeven. In de U-buis bevindt zich een parabolisch gevormd inzetstuk zodat de vertikale verplaatsing van de vlotter, op ca. 5 O/o van het begin van de schaal na, lineair is met de stroomsterkte. Een speciaal kraanstel is aangebracht voor Afb. 6 - Servogestuurd schakel en aanwijsapparaat 0-punts bepaling en gelijk op druk brengen (principe schema). en - kamer. Het instrument van de bevat kwik als afsluitvloeistof. De vertikale verplaatsing van de vlotter wordt in een draaiende beweging omgezet waarrnede de loper van een potentiometer wordt aangedreven. Deze potentiometer (A) kan een servo-gestuurd schakel- en aanwijsapparaat bedienen zoals afb. 6 en 7 aangeven.
+
plaats waar de vlotter blijft zweven. De hoogte h is dus een maat voor de stroom. Hetgeen hierboven wordt beweerd kan als volgt worden afgeleid. Bij het in rust zijn van de vlotter, bij een stationaire stroming, kunnen we aannemen dat het schijnbaar gewicht (Gv) van de vlotter en de opwaartse kracht (Kf - w) gelijk zijn Gv = Vv (pv - p) g zwevend in het medium Kf - w = F v ( p l -p2) Tevens wordt de meetschijf formule (1) uit hoofdstuk 2.1.1 gebruikt daar ook hier sprake is van een stroming door een vernauwing in de leiding. We komen dan tot de rotameterformule: a m = (Y: (Fb - Fv)
(4)
Bij een voldoende grote waarde van Re(s) betrokken op de ringvormige spleet heeft de coefficient (Y: een konstante waarde die alleen nog van de vorm van de vlotter afhankelijk is (afb. 4 grafiek), zodat we kunnen schrijven +V = c (Fb -Fv) Daar Fb - Fv lineair van de hoogte afhangt geldt dus (5) @v = c. .h
Opmerkingen: a. de ijk-grafiek h = f (+v) is pas lineair als (Y: onafhankelijk is van Re(s); b. to1 1 (vlotter 1) geeft weinig turbulentie dus pas bij Re(s) > 103 bruikbaar; Ook kan de potentiometer een in de meetc. to1 2 geeft veel turbulentie dus cu eerder gever ondergebrachte elektronische komonafhankelijk van Re(s) a1 bij Re@) = 102; pensatieversterker, welke geheel in giethars d. meetbereik te wijzigen door gebruik is ingegoten sturen. Deze kompensatievan vlotters met varierende soort-massa; versterker geeft een lineair signaal van e. rotameter kan worden opgevat als 0 - 5 rnA of 0 - 20 mA af, waarmede we meetschijf met konstant drukverschil eveneens een servo-gestuurd aanwijs- en Afb. 7 - Servogestuurd schakel en aan~vijsapparaat (pl - p2) en variabele doorlaat; schakelapparaat kunnen bedienen. (frontaanzicht). f. voordelen: lineaire schaal, kleine drukGunstig is het lineair uitgangssignaal dat de val, kleine stukken rechte pijp nodig voor U-buismeetgever af geeft. en achter het instrument, het is mogelijk Ongunstig de onnauwkeurigheid in het lage zeer kleine hoeveelheden te meten zgn. meetgebied daar het oorspronkelijk signaal purging air; en kwadratisch verloop heeft. Ook aan de vulling met kwik kleven bezwaren 0.a. moet g. nadelen: vloeistoffen mogen geen vaste het vullen bijzonder voorzichtig gebeuren, delen bevatten, de grootste afmetingen van daar het kwik een zwaar vergif is. het meetinstrument zijn maar iP = + 150 mm. Ad b. Om bovengenoemde nadelen te voorkomen kan men de in hoofdstukken 2.2. Stroommeting volgens het kinematische h = hoogte van de to1 (schaalindeling) 3.2.2.2,3.2.3.1 en 3.2.3.2 te behandelen principe = volume vlotter Vv elektronische of pneumatische drukverpv = soort massa vlotter 2.2.1. Vleugelradmeter = soort massa vloe~stof(med~um) p schilzenders toepassen. g = versn. zwaartekracht Dit instrument is in afb. 9 (meetgever) en = druk voor de ringvormige spleet = druk achter de ringvormige spleet 2.1.4. De rotameter afb. 10 (principe schema en volgapparatuur) Re(s) = Reynolds getal betrokken op r~ngvormigespleet De rotameter ontstaat uit een vertikale zich aangegeven. = doorstroomcoefficient naar boven iets verwijdende konische buis Afb. 9 toont de zgn. Polypulsgever welke Gv = schiJnb. gewicht vlotter kf w = opw. kracht tengevolge stroming in de leiding wordt gemonteerd. De Poly(meestal van glas) waarin zich een vlotter van het medium (vloe~stof) op en neer kan bewegen. In afb. 8 is links Fb(h) = opp. ter hoogte van h pulsgever is een Woltman meter waarvan Fv = opp. to1 de doorsnede aangegeven. het meetorgaan (vleugelrad) een oscillator Hoe groter de stroom des te hoger is de beinvloed. Afb. 8 - Rotameter.
Afb. 9 - Polypulsgever.
Afb. 10 - PnPnticipeschema Petypulsgever sl volgapparatuur.
merbij ontstaan p u b n waarvan de frequentie evemedig is met het toerental van het vleugelrad en daarmede proportioned met de stroomstkte, De versterker (afb. 10) zet de pulsen in een stroomsterkte van 0 - 20 m A om, verder kan de versterker dm-v. puisen een telwmk sturen. Dparkingen: (voor een Polppds gever van 200 mm diameter met em nominale c~atinuebelasting 380 malh).
a. in Polypds gever fout -+ 5 % (van meetgebied) vaaaf 5 m3 /h en +- 2 % vanaf
b. naaweurigheid meetgever d z 0,5 % (gemeten waarde); c, nauwkemigheid aanwijzer (a&. 12) s 0,5 % (volle schaal). 2-3. Stroommeting volgetw het elektro-
magnefische prinsipe
Afb. 11 - Turbine meatgever.
60 m3/h; b. cfrukverlies bij 300 m3/h is 0,25 mwk c, font in versterker =k1 % van de eindwaarde; d. benodigde rechte iuloap 5 . . . .25 x diameter; e. maximale diameter 200 m; E lineair uitgangsmateriW, g. maximad in de handel is de doorsnede 9200 mm met m a . kapaciteit van 300 m3/h (kontinu).
22.2. Turbine meter Afb. 11geeft de meetgever (zender) aan, terwijl afb. 12 de volgappwatuur aangeeft. Bij da Turbinemeter passeren de rotorbladen am magnetische pick up m i n Eaij eIke passage een wisselspanning van &n p d a d e wordt gelnduceerd. De fretpentie van de gdnducemde wisselspanning is proportioneel met Be vloeistofstroom en kan direct in een pdse rate worden ingevoerd. Ook kan d.m.v. de converter (aEb. 12) de Pvimelspanning omgezet worden in een mGikstmom welke proportioneel is met de vlwistof -stroom. Opmmkingen: a. max. doorsnede 300 mm, m a . cap. ZOOD ms /h;
*
-
Afb. 14 EfL.ktromagneHsche meetbuts met richting vloeistof m a n . inducAe en opgewekte E m .
Afb. 12 - Vo2gap~arattmrvan de Turbine meetgwer.
Het doe1 van de meting is een elektrische spanning op te wekken die evenredig is met de gbddelde stroomsnelheid van de vloeistof in de meetbuis. Het meefprilecipti berust op het feit dat in een gdeider die zich beweegt in een magnetisch veld een elektrische spanning werdt o p g e d t . waarvan de grootte een h c t i e is van het magnetisch veld en de sndheid waarmede de geleider de krachtlijnen snijdt. Bij de dekttomagnetische stromingsmeter is de geleider de te meten vloeistof die door de meetbuis wordt gestuurd Om deze meetbuis uin 2 spoelen aangebracht die zijn aangesloten op het net en die een dectromagaetisch veld veroonaken w m a n de richting loodrevht staat op de stromingsrichthgvan de vlaeistof. Hierdoor wordt in de vlaeistof een elektrische spanning opgewekt @MM) die met behulp van twee elektroden wordt afgenomen.
De twee elektroden liggen d i a m e t d tegenover efkaar, huh as staat loodrecht op het krachtlijnenveld en op de bewegiagrichting van de stromende vloeistof (de afb. 14). Dam de veldspoelen met wkelspanning worden gevoed, is bet opgewekte me&signaal ook een wisselspanning, welk &gum1in een meetversterker in een gelijkstroomsignaal wordt omgezet. Nu Iuidt de formule vaor de opgewekte spandng (EMK) aan de elektroden E = B.D.V
Uitvoering In afb. 13 is de meetbuis getoond, terwijl afb. 1 5 de meetversterker aangeeft. In deze meetversterker wordt het zwakke signaal uit de meetbuis (ca. 1 mv eff. per 1 m/sec. stroomsnelheid)omgezet in een signaal (bv 0 - 20 mA) wat geschikt is voor het meetinstrumenten, schrijvers e.d. Verder dient de vloeistof een zekere geleidbaafiheid te bezitten 2 20 p S/cm, voor drinkwater ligt dit in het algemeen tussen 200 en 800 p S/cm. Zolang de elektroden nog door het medium verbonden zijn geven ze, als er stroming is, een signaal af. Omdat het systeem geijkt is door de meting van de stroomsnelheid te vermenigvuldigen met het oppervlak zodat de volume stroom bijv. m3/sec. op de instrumenten wordt aangegeven, treedt er een meetfout op indien de leiding niet geheel gevuld is.
Hierin is: E = opgewekte spanning EMK B = magnetische inductie D = lengte geleider (elektroden afstand) V = stroomsnelheidvan de vloeistof Er zijn twee belangrijke storingsbronnen. le. Door de inwendige weerstand van de spanningsbron en de signaalkabelcapaciteit ontstaat een kwadratuurspanning die een meetfout kan introduceren, vandaar dat deze in de meetversterker wordt onderdrukt. 2e. Bij netspannings variaties zal de inductie B varieren, hiermede wordt eveneens een meetfout geintroduceerd. Men gaat een referentiespanning Er invoeren die gekoppeld is aan de spanning over de magneetspoelen en dus geld Er evenredig met B. De formule kan nu omgezet worden in E = Er.C.D.V waarbij C een constante is en B door Er.C Afb. 15 - Meetversterker t.b.v. elekh. magn. is vervangen. nzeefbuis. Ook geldt: E -- C.D.V. Er E Het blijkt dus dat de verhouding Er evenredig is met de stroomsnelheid van de vloeistof en dat schornmelingen in de netspanning (binnen bepzalde grenzen) geen invloed hebben op de meetwaarde, als we E het quotient - gebruiken als meetsignaal. Er Opmerkingen:. 1. Een aantal jaren geleden werd nog gesteld dat een homogeen elektromagnetisch veld (dus een gelijke veldsterkte over de gehele radiale doorsnede) noodzakelijk was. 2. Tevens werd een meetbuis gebruikt met een axiaal vrij lang veld teneinde een flink uitgangssignaal te verkrijgen. 3. Verder werd verondersteld dat het stromingsprofiel in de meetbuis een rotatie symmetrisch profiel moest bezitten (laminair of turbulent niet belangrijk, echter we1 rotatie symmetrisch t.0.v. de as van de meetbuis). Een aantal proeven hebben uitgewezen dat het toepassen van een veld met een zodanige configuratie, dat de inductie op bepaalde plaatsen van de doorsnede een bepaalde waarde heeft, de meter ongevoelig is voor storingen in het stromingsprofiel. Men noemt zo'n veld inhomogeen. Het stromingsprofiel hoeft dan niet meer rotatiesymmetrisch te zijn, zodat allerlei storingsinvloeden in het stromingsbeeld tot vlak voor de meetbuis toegelaten zijn. Verder werd aangetoond dat het belangrijkste deel van de signaalopbouw plaatsvindt binnen ca. een leidingdiameter lengte
Afb. 16 - Blokscherlza van de ultrasone meetinstallatie.
Afb. I7 - Overzicht installatie van de ultrasone meting.
gelijkelijk verdeeld ter weerszijden van het elektroden vlak. Dit leidde tot de conclusie dat het magnetisch veld over een veel korter deel van de meetbuis kon worden samengetrokken, d.w.z. kortere meetbuizen. Afb. 13 geeft een dergelijke uitvoering weer.
Voordelen Als voordelen van deze meetinstallatie kunnen we noemen:
1. geen drukverlies in de leiding; 2. lineair uitgangssignaal; 3. zeer korte rechte buislengte nodig v66r de meetbuis + 1 D (lx diameter); 4. nauwkeurigheid ca. 0,s % van de volle schaal bij een stroomsnelheid van 1 - 10 mlsec. en ca. 1 % van de volle schaal bij een stroomsnelheid van 0,s - 1 m/sec.;
5. zeer korte inbouwlengte; 6. meetgebied gemakkelijk omschakelbaar zowel continu als 1 op 2; 7. geen volgapparatuur met kwikvulling; 8. in beide stromingsrichtingen te meten. Als nadelen zijn te nemen: 1. hoge investeringskosten: voor een diameter van bijv. 500 mm, meetbuis incl. versterker ca. 2 x t.0.v. venturibuis incl. gever. Bij grotere doorsneden stijgt de prijs vrij sterk, daarom wordt de meetbuis we1 van kleinere diam. gekozen dan de leiding, dit geeft ook een grotere stromingssnelheid dus een nauwkeuriger meting, echter we1 enig drukverlies. 2. kontinu stroomverbruik van het magnet i s ~ hveld ca. 2000 VA - 200 W bij 220 VN voor een meetbuis met een diam. van 500 mm. 3. medium moet voor en achter de meetbuis met het gestel van de meetbuis verbonden worden, zie litzeverbindingaangegeven op afb. 13. 4. de verbindingskabel tussen meetbuis en versterker zo kort mogelijk houden en zo mogelijk afschermen (stalen pijp), daar deze kabel i.v.m. het kleine signaal, bijzonder gevoelig is voor uitwendige elektromagnetische velden.
2.4. Akoestische of ultrasone meting De meetinstallatie bestaat uit 2 ultrasone omzetters (ultraschall wanders) gemonteerd op de leiding en een elektronische eenheid. Afb. 17 geeft een overzicht van een installatie waarbij de ultrasone omzetters in een meetput zijn aangebracht en de elektronische eenheid in een zich in de nabijheid bevindende ruimte is opgesteld.
De ultrasone omzetter Deze bestaat uit een oscillator die zodanig op een kunststof schoen is gemonteerd (zie afb. 16 en 20) dat een juiste invalshoek van de ultrasone impulsen (geluidsimpulsen) ontstaan. De eigen frequentie van de oscillator bedraagt 0,4 MHZ of 1 MHZ. De oscillator wordt aangestuurd door een elektrisch signaal dat afkomstig is van de elektronische eenheid. Ontvangt de omzetter echter een ultrasoon signaal dan zet hij dat weer om in een Afb. 18. Electronische eenheid van de ultrasone meetinstallatie. elektrisch signaal. De omzetters zijn voorzien van een 5 m lange koaxiaal kabel en worden d.m.v. staaldraad en knevels op de leiding bevestigd, zie afb. 19. Er zijn 2 methoden om de omzetters te monteren, nl. de Z methode (dool'dringingsmethode) zie afb. 16 en 17 en de V methode (reflexie methode) afb. 19. De V methode wordt het meest toegepast daar hiermede radiale snelheidscomponenten kunnen worden gecompenseerd. De elektronische eenheid UF 500 Deze eenheid bestaat zoals afb. 18 aangeeft uit een kast met elektronische apparatuur. Afb. 19 - Bevestiging ultrasone omzetters op De eenheid dient om het signaal dat via de leiding. ultrasone omzetters wordt gevormd, om te zetten in een uitgangssignaal van bijv. 0 - 20 rnA, overeenkomstig een bepaalde volumestroom. De eenheid zelf is voorzien van controle systemen teneinde de functies te controleren, tevens kan op de eenheid de volumestroom zowel analoog als digitaal worden afgelezen. Verder is het mogelijk een keuze te maken uit 2 meetbereiken en te meten in 2 richtingen. Meetprincipe Wordt een geluidsultrasone-impuls van hoge frequentie (0,4 M H Z ) van omzetter 1 in stroomrichting afgegeven (zie afb. 16), dan ontvangt omzetter 2 dit signaal na de tijd t l sec. Omzetter 2 zet dit signaal om in een elektronische impuls, welke wordt versterkt in de elektronische eenheid en weer aan omzetter 1 wordt afgegeven. Zodra omzetter 1 deze elektrische impuls ontvangt, zal deze weer een geluids (ultrasone)puls afgeven. Er wordt op deze wijze een gesloten kringloop gevormd. De tijd tl sec. die het signaal voor 66n omloop nodig heeft, wordt een sing around periode genoemd, de reciproke waarde hker-
Wordt nu een impuls van omzetter 2 afgegeven (dus tegen de stroom in) dan ontvangt omzetter 1 dit signaal na t2 sec. Op deze wijze ontstaat de sing around frequentie £2, gezien tegen de stroomrichting. Een meetperiode duurt 4,8 sec (2 sec. stroomafwaarts, 0,4 sec. pauze, 2 sec. stroomopwaarts, 0,4 sec. pauze). Het verschil van beide frequenties, A£ = f 1 -£2 is evenredig met de stroomsnelheid (afleiding zou hier te ver voeren), zodat Af omgezet wordt in een analoog en digitaal uitgangssignaal. Daar A£ minimaal kan zijn ca. 1HZ bij grote diameters, wordt een frequentie-vermenigvuldiger toegepast (zie blokschema afb. 16) waarmede de nauwkeurigheid wordt verhoogd.
Eigemchappen ten voordele: 1. geen drukverlies in de leiding waarin we willen meten; 2. de installatie kan bij in bedrijf genomen leidingen gemonteerd worden; 3. lineair uitgangssignaal; 4. ook bij zeer geringe stroomsterkten kan nog gemeten worden; 5. doorsnede te meten leiding naar boven niet begrensd naar onder min. 300 mm; 6. temperatuur, druk en troebelheidsveranderingen hebben op meting geen invloed; 7. geleidbaarheid van de vloeistof is niet van invloed; 8, de vloeistof behoeft niet met het gestel van de meetinstallatie verbonden te worden; 9. voor kontrole van het elektronische systeem zijn een aantal mogelijkheden ingebouwd, 0.a. de nulpuntskontrole kan geschieden zonder de stroming te onderbreken; 10. gemeten aan een bestaande installatie waarbij de telling wordt afgelezen op de telbuizen en de stroomsterkte op de analoge schaal, beide dus op de elektronische eenheid; telling (telbuizen) % van fout in $40 van max. kap. gemeten waarde le meting
2e meting
stroomsterkte (analoge schaal) fout in q~van gemeten waarde le meting
2e meting
I
Afb. 20 - Uutrasone ornzetter deksel afgenomen.
van noemt men de sing around frequentie. 1 In f ormule vorm f 1 = -. tl De sing around frequentie hangt praktisch alleen van de voortplantingssnelheid van de ultrasone impuls in de vloeistof a£.
11, geen onderhoud nodig.
Eigemchappen ten nadele: 1. voldaan moet worden aan een ongestoord strorningsprofiel, d.w.z. voldoende lange rechte einden zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de meetplaats;
bijv. bij haakse bocht: 10 D voor meetplaats en 5 D achter meetplaats; 2. diverse eisen wofden gesteld aan de montage van de omzetters op de leiding: a. geen lasnaden in de geluidsweg, b. zo weinig mogelijk verf tussen meetomvormer en leidingwand, c. de omvormers moeten in een horizonBableb..Manom.ler rnlf Rohrteder-Melwark und taal vlak liggen dat door de hartlijn Widenlsndsfwngsber van de leiding g a t ; 3. de koax kabels tussen omzetters en Afb. 21 - Manometer mef aangebouwde potentioelektronische eenheid niet langer dan 300 m meter. en niet bij andere kabels in CCn kabelgoot; 4. zeer hoge investeringskosten ca. 2,5 x elektromagnetis~hemeting bij leidingdiameter van 500 mrn. Bij grotere doorsneden wordt dit gunstiger omdat de prijs van een ultrasone meetinstallatie niet van de diameter van de leiding afhankelijk is; 5. in de omgeving van de elektronische eenheid mogen geen elektrische storingsvelden aanwezig zijn. 3. Druk en drukverschilmetiigen
Onder druk verstaan we het quotient van de kracht en het oppervlak waarop die kracht werkzaam is. In formule vorm:
Afb. 22 - Manometer met aangebou~vdenleetoinvoriner voor hoekverdraaiing.
3.2.1. Aanwijzende manometers met zender In afb. 21 is een manometer met aangebouwde potentiometer aangegeven. We zien dat het hier om de bourdonbuismanometer gaat, waaraan aan de achterzijde een potentiometer is aangebracht. De wijzeras van de manometer neemt de loperas van de potentiometer mede.
kracht druk = oppervlak P
F (N)
=--
- Pa cpascal).
A (m2) Omdat de pascal een zeer lage druk is, heeft men ook de bar als eenheid van druk ingevoerd: 1 bar = 106 Pa = 1,02 kg£/ cm2 = 10,2 mwk. In het waterleidingbedrijf wordt nog veel met de eenheid mwk (meter waterkolom) gewerkt, die in het officide SI stelsel niet voorkomt en nog t/m 1977 gebruikt mag worden. Het meten van drukken komt neer op het bepalen van de tegenkracht, die een op het medium (waarvan we de druk willen meten) aangesloten instrument moet opbrengen, om evenwicht te maken met de kracht veroorzaakt door de druk van het medium. Voor het bepalen van deze tegenkracht heeft men instrumenten ontwikkeld welke werken volgens de onderstaande methoden: a. door middel van zwaartekracht-werking, waarbij gebruik wordt gemaakt van een vloeistof kolom; b. door middel van elastische vervorming, waarbij men gebruik maakt van de tegenkracht welke bij het vervormen van een verend meetelement ontstaat.
Balgdrukrneters (Bartoncellen, vouwbalgen enz.); Bourdonbuismeters. In bovengenoemde gevallen wordt de tegenkracht en daarmede de te meten druk bepaald door het meten van de vervorming van het meetelement. De vervorming kan direct door een wijzer aangegeven worden waardoor een manometer ontstaat, maar kan ook omgezet worden in een elektrisch signaal waardoor een aanwijzende manometer met zender ontstaat. Als voorbeelden zijn te noemen manometers met de ingebouwde potentiometers of met ingebouwd inductief of capacitief meetsysteem. Verder zijn te noemen de elektronische meetomvormers voor druk en drukverschilmeting. Tenslotte de pneumatische en elektronische druk en drukverschilzenders werkend volgens de krachten-balans (force-balans) methode, waarbij met uiterst geringe verplaatsingen van het meetelement en de overige onderdelen een krachtenevenwicht tot stand wordt gebraoht.
-
-
-
-
A f b . 23 - Principeschema van meefomvormer voor hoekverdraaiing.
in het waterleidingbedrijf in hoofdzaak nog voor als drukverschilmeters in de volgende uitvoeringen: U-buismeter met vlotter en de ringbalans drukverschilmeter. Beide meters worden gebruikt bij hoeveelheidsmeting ten behoeve van het aangeven van drukverschillen ontstaan over de vernauwing in de leiding, zie hetgeen hiervoor in het hoofdstuk 2.1.3 is vermeld. In afb. 5 van hoofdstuk 2.1.3 is de U-buismeter met vlotter afgebeeld. 3.2. Drukmeters berustend op de meting van de tegenkracht die ontstaat bij elastische vervorming van het meetelement
In afb. 22 is een membraan manometer met zender voorzien van een capacitief systeem aangegeven. Aan de manometer is een zgn. meetvormer voor boekverdraaiing gebouwd, waarbij de wijzeras van de manometer een draaibare condensator verstelt. In afb. 23 is het principeschema aangegeven. Het voordeel van het capacitieve systeem is dat het wrijvingsloos en dus zonder slijtage werkt, hetgeen van de potentiometer niet gezegd kan worden. De prijs van het capacitieve systeem is bijna 2 x zo hoog als die van het systeem met de pot. meter. Een voordeel van het capacitieve systeem is verder dat het een standaard signaal van 0 - 20 mA afgeeft waarop meerdere meetinstrumenten in serie kunnen worden aangesloten.
Nadelen van beide systemen: geen instelling mogelijk van het meetMeters werkend volgens dit principe komen gebied (span); in het waterleidingbedrijf v6B meer voor geen elevatie mogelijk van het 0-punt. 3.1. Drukmeters berustend op de meting dan die genoemd onder 3.1. De nauwkeurigheid hangt in belangrijke van de tegenkracht met behulp van de We kunnen de volgende 3 meetsystemen mate af van de klasse van de manometer, zwaartekracht onderscheiden: welke in normale gevallen ca. 1 O/o van het Meters werkend volgens dit principe komen Membraandrukmeters; meetgebied is.
3.2.2. Elekironische meetomvormers voor druk en drukverschilmeting 3.2.2.1. De meetomvormer voor drukmeting De meetomvormer voor drukmeting welke tevens bruikbaar is voor het meten van niveau's in open reservoirs is in de afb. 24,25 en 26 aangegeven. De meetomvormer bestaat uit een bourdonbuis waaraan de ferritkern van een differentiaal transformator bevestigd is. De koppeling tussen de, met 5 KHZ gevoede primaire spoel en de beide secundaire spoelen, is afhankelijk van de plaats Afb. 24 - Meetomvormer voor drukmen'ng. van de kern en dus van de te meten druk. De plaats van de kern bepaalt verder het verschil in spanning in de beide secundaire spoelen, dit spanningsverschil wordt gelijkgericht en aan een versterker afgegeven die als uitgang een met de druk proportionele gelijkstroom van 0 - 20 mA afgeeft. Voordelen: instelling mogelijk van meetgebied (span) en 0-punts elevatie (zie afb. 25); aanwijzing op het instrument mogelijk; nauwkeurigheid 0,s % van het meetgebied. Nadeel: Konstruktie van het meetsysteem vrij kwetsbaar (niet rechtlijnige beweging en eenzijdige bevestiging van de kern van de differentiaal trafo).
-
A f b . 28 Prindpeschema van de meetomvormer voor drukversckilmeting.
Afb. 29 - Instelmogelijkheden van hat meetgebied bij de meetomvormer voor drukverschilmeting.
-
Afb. 25 Principeschema van de meetomvormer voor drukmeting.
3.2.2.2. De meetvormer voor het meten van drukverschillen Deze meetvormer is in de afb. 27,28 en 29 aangegeven. Het meetelement wordt hier gevormd door een systeem met vouwbalgen en bimenliggende differentiaal transformator. De werking van het elektronische deel is overeenkomstig de in het vorige hoofdstuk behandelde meetomvormer voor drukmeting. De meetomvormer voor het meten van A f b . 26 - Instelmogelijkheden van het meetgebied drukverschillen kan 0.a. worden gebruikt bij de meetomvormer voor drukmeting. bij: a. stroommeting met meetschijf of venturibuis (zie hoofdstuk 2.1.3.). Uit het gemeten drukverschil over de vernauwing in de leiding wordt m.b.v. een ingebouwde elektronischeworteltrek-unit het juiste lineaire uitgangssignaal verkregen. b. Niveaumetingen van open en gesloten reservoirs (zie ook hoofdstuk 4). Bij open reservoirs laat men de (-1 aansluiting open, bij gesloten reservoirs wordt de (-) aansluiting verbonden met de ruimte boven de te meten vloeistofspiegel. Deze meetomvormer heeft een zeer robuust uitgevoerd meetsysteem (2 zijdige bevestiging en rechtlijnige beweging van de kern van de differentiaal trafo) en kan daardoor zeer A f b . 27 Meetomvormer voor drukverschilmeting.
hoge eenzijdige overdrukken hebben. Ook kunnen hiermede zem kleine drukversohillen gemeten worden (kleinste meetgebied = 0,2 mwk). Verder zijn dezelfde eigenschappen als de meetomvormer voor drukmeting aanwezig. Een nadeel dat deze meetomvormer bijna het dubbele kost van de meetomvormer voor druk behandeld in hoofdstuk 3.2.2.1. 3.2.3. Pneumatische en elektronische druk en drukverschilzenders werkend volgens de krachtenbalans (force balans) methode 3.2.3.1. De pneumatische druk en drukverschil zenders De pneumatische drukverschil zender is in de afb. 30 t / m 32 aangegeven. De werking van de drukzender evenals van de drukverschilzenider kan aan de hand van afb. 32 worden verklaard. Het drukverschil over de membraandoos veroorzaakt een verplaatsing van de balanshefboom die z'n draaipunt heeft, in de vorm van het elgiloy membraan, boven in de hogedrukkamer. De beweging van de balanshef boom wordt overgebracht op een flapper en nozzle systeem met versterkerrelais. Met het uit het versterkerrelais verkregen uitgangssignaal wordt de terugkoppeling bediend. Op deze wijze ontstaat een evenwichtssituatie met een uitgangssignaal dat een lineair verband heeft met het drukverschil en waarvan de grootte ingesteld kan worden met het instelbare draaipunt van de instelhefboom, zodat hiermede het meetgebied ingesteld kan worden. Een nulstelveer wordt gebruikt om bij een
druk-verschil van 0 een uitgangssignaal van 3 psi te krijgen. Het uitgangssignaal behorend bij het m a . . drukverschil is 15 psi. Dit signaal wordt, als bovenvermeld, ingesteld met de loopmoer op de instelhefboom. Voordelen: a. het instrument blijft ook na lange bedrijfstijd zeer betrouwbaar. Het werkt nl. met uiterst geringe bewegingen en volgens een kradhten evenwichtssysteem, zodat dit instrument bijzonder geschikt is voor wisselende metingen onder ongunstige omstandigheden; b. instellen elevatie en verschillende meetAfb. 30 - Pneumatische drukverschilzender. gebieden is mogelijk; c. nauwkeurigheid tot een meetgebied 0,5 % van het ingestelde van ca. 10 mwk meetgebied; d. door gebruik van hoogwaardige materialen huis gietstaal, membranen en balanshefboom roestvrij staal en een uiterst eenvoudige doch zware constructie kunnen grote drukken en drukverschillen worden gemeten. Tevens is de constructie zodanig dat spanningen in meetleidingen en luchtleidingen worden opgevangen, zonder dat het meetsysteem en de krachtenbalanszender hiervan hinder ondervinden; e. de prijs is zeer redelijk ongeveer gelijk aan de meetomvormer voor drukmeting I behandeld in hoofdstuk 3.2.2.1. Afb. 31 - Pneumatische drukverschilzender in
*
I
Afb. 34 - Elektronische drukverschilzender opengewerkt.
opengewerkte toestand.
Nadelen: a. schone en droge instrumenten-lucht nodig i.v.m. uiterst Meine openingen in 0.a. de nozzle, het versterkerrelaishet smoorbuisje en de op het uitgangssignaal aangesloten instrumenten; b. bij stromingsmeting is het uitgangssignaal kwadratisch.
OER
1d F ab FLAPPER
VAN INSTELHEFBOOM DRAAIPUNT
3.2.3.2. De elektronische druk en drukverschilzenders De elektronische drukverschil zender is in de afb. 33 en 34 afgebeeld. De werking komt ongeveer overeen met de pneumatische uitvoering, nu wordt op elektromagnetische wijze een krachtenbalans met terugkoppeling tot stand gebracht. Het uitgangssignaal bedraagt 4-20 mA of 10-50 mA. Voordelen: evenals de pneumatische uitvoering echter nu geen instrumentenlucht nodig. Tevens is een elektrisch signaal makkelijlcer te transporteren en te installeren dan een pneumatisch signaal, we denken hierbij aan controlelessenaars e.d. Met het uitgangssignaal kan men, d.m.v. alarm units, bij verschillende waarden kontakten bedienen (zie afb. 35).
INSTELHEFBOOM
Afb. 35
Een nadeel van de elektronische druk en drukverschilzenders ligt in de prijs die ca. 2 x zo hoog is als die van de pneumatische instrumenten.
NULSTELVEER
4. Niveaumetingen
'MEMBRAANDOOS
I
I
BLADVEER
- Alarntunit.
I
Afb. 32 - Overp'cht van de werking en contponenten van de pneuntatisclte drukverschilzender.
Bij de pneurnatische druk en drukverschilzenders moet men gebruik maken van drukschakelaars. Daar de alarmunits werken volgens een compensatie principe zullen deze op de lange duur nauwkeuriger blijven dan drukschakelaars (repeatability alarmunits is 0,5 % van meetgebied).
Onder niveau verstaan we de hoogte waarop zich het oppervlak van een vloeistof bevindt, in een tank, watertoren of kelder. Bij het niveau meten moeten we onderscheid maken tussen metingen in open en gesloten reservoirs, daar in gesloten reservoirs boven het vloeistofniveau nog een druk kan heersen, terwijl in open reservoirs boven de vloeistofspiegel de atmosferische druk heerst. Bij het meten van niveau maakt men in hoofdzaak gebruik van de volgende eigenschappen van de vloeistof:
a. metingen berustend op het principe van de hydrostatische druk; b. metingen berustend op de door de vloeistof uitgeoefende opwaartse kracht; c. elektrische meetmethoden. 4.1. Metingen berustend op het principe
van de hydrostatische druk Onder hydrostatische druk verstaat men de druk die in een horizontaal vlak in een vloeistof heerst ten gevolge van het gewicht van de er boven staande vloeistofkolom. A f b . 36 - Nivearo~letingd.111.v.borrelbuis.
Het gewicht van een vloeistofkolom is: G = V.y = h.O.g.p.(N) Het gewicht per oppervlakte eenheid dus de hydrostatische druk is: p = p . g . h . (N/m2 = pascal) Hierin is: G = gewicht in (N); 0 = oppervlakte van de doorsnede van de vloeistofkolom (m2); V = volume (m3); y = soort. gewicht in (N/m3); p = druk (N/mz = pascal); p = soortelijke massa (kg/m3); g = 9,8 m/secn h = hoogte van de vloeistofkolom (m). We zien dat de hydrostatische druk p recht evenredig is met de hoogte h van de er boven staande vloeistofkolom zodat d.m.v. druk meting het niveau kan worden bepaald. 4.1.1. Niveaumetingen met behulp van
druk en drukverschilmeters Voor eenvoudige metingen bij open vaten kan men volstaan met een normale drukmeter bijv. een wijzemanometer. We kunnen ook gebruik maken van een wijzer-manometer met zender zoals is behandeld in hoofdstuk 3.2.1. Daar een normale bedrijfsmanometer een nauwkeurigheid heeft van ca. 1 2 2 OJo van de eindwaarde, men hiermede tevens geen 0-punt elevatie en meetgebied kan instellen, kleven aan het toepassen van dit instrument t.b.v. niveaumeting nog we1 wat bezwaren. Bij gesloten vaten kan men dit instrument i.v.m. de druk boven de vloeistof in het geheel niet toepassen. Vele voordelen biedt het gebruik van de elektronische ornvortners voor druk meting (open vaten), of drukverschil meting (gesloten vaten) zoals in hoofdstuk 3.2.2. zijn behandeld. Bovendien worden de pneumatische en elektronische druk in drukverschilzenders werkend volgens de krachtenbalans methode toegepast (zie hoofdstuk 3.2.3.). Voordelen van deze systemen zijn: a. grote nauwkeurigheid (ca. 0,s OJo)en goede reproduceerbaarheid;
*
Afb. 37 - Niveaunleting d.~n.v.borrelbrris, sclietna van de ~verkingvan de dr~tkverschilregelaar. GEVERAPF! EVT. VOORZIEN GELEIDE WlEL
.
SCH'JF
CONTRA GEWICHT
Afb. 38 - Vlotterniveart ~neet-installafie.
b. instelbaar 0-punt (elevatie); c. instelbaar meetgebied; d. aanwijziging op afstand door elektrisch of pneumatisch signaal; e. mogelijkheid in het uitgaande signaal opnemen van grenswaarde melders voor stuurfuncties, alarmen enz.
van de druk die nodig is om een gas (normaal lucht) door deze vloeistofkolom te laten stromen. In afb. 36 is de meetinstallatie aangegeven. Bij normaal borrelende buis, d.w.z. als de borrelbuis geheel met lucht is gevuld, is de druk p2 gelijk aan de druk van het water aan de onderzijde van de borrelbuis. Daar p2 = p gh (Pa) is de druk in het systeem een maat voor de hoogte h van de vloeistof. Op deze druk wordt een drukmeter, regelaar enz. aargesloten waarvan de schaal op het niveau is geijkt. Daar de luchttoevoer konstant (zo klein mogelijk) moet zijn en bovendien goed ingesteld en gekontroleerd moet kunnen worden, gebruikt men een drukverschilregelaar, een vlotterdoorstroom meter (rotameter) en een naaldventiel e.e.a. is in afb. 37 aangegeven. Voordelen: instrumenten voordelig in prijs; nauwkeurigheid binnen + 1 OJo van het meetgebied te krijgen. Nadelen: a. gCCn standard uitgangssignaal (3 - 15 psi)) zoals bij niveaumeting met drukverschilzenders; b. systeem is vrij kwetsbaar en vraagt veel toezicht. 4.2. Metingen berustend op de door de vloeistof uitgeoefende opwaarte kracht Hierbij gebruikt men vlotters welke op de vloeistofspiegel drijven. In afb. 38 is een meetinstallatie aangegeven bestaande uit een vlotter, contragewicht en verbindingsdraad die het geverapparaat via een snaarschijf aandrijft. Het geverapparaat kan voorzien zijn van een zender in de vorm van een potentiometer, meet omvormer of dergelijke en eventueel een directe aanwijzing. De vlotter wordt met wat zand gevuld teneinde voldoende ballast te verkrijgen (vergroting stabiliteit). Noemen we: 0 = opwaartse kracht op vlotter B = ballast G = gewicht vlotter C = contra gewicht (c > w) W = wrijving aandrijfkracht gever app.
+
In rust geldt nu: O=G+B-C. Bij stijgend niveau geldt: O=(G+B-C)+W
4.1.2. Niveaumetingen volgens de borrelbuis methode
Bij dalend niveau geldt: O=(G+B-C)-W
Bij deze methode wordt de hoogte van een vloeistofkolom bepaald door het meten
We zien dat de opwaartse kracht die in de
-
Afb. 39 Niveaugever type PFA.
rusttoestand aanwezig is, bij stijgen groter en bij dalen kleiner moet worden met een bedrag gelijk aan W. Aannemende dat bij stijgen en dalen W = (wrijving aand-ijfkracht gever apparaat) even s o o t zijn. Daar de opwaartse kracht gelijk is aan het gewicht van de door de vlotter verplaatste hoeveelheid vloeistof, zal t.0.v. de ruststand gezien bij stijgead niveau de vlotter Ben stukje dieper gaan liggen en bij Mend niveau een stukje a ornhoog komen. De totale hysterese in het systeem bedraagt: 2 (a speling in tamdwielen naijling tnssen ontvanger en gever). Teneinde de hysterese in het systeem te verkleinen, hetgeen vooral belangrijk is bij kleine meetgebieden dent 0.a. de afstand a zij klein mogelijk te zijn, hetgeen we bereiken door: le. vlotters van redefijk grote diameter, zodat bij een kleine vloeistof stijging of daling de opwaartse kracht voldoende groter resp. kleiner wordt; 2e. W = wrijving aandrijfkracht gever zo klein mogelijk dus lichtlopende systemen grote snaarschijf enz. kiezen. Verder bereiken we een kleine hysterese voor het kiezen van spelingvrije tandwielen en te zorgen dat naijling van ontvanger t.0.v. gever zo klein mogelijk is.
+
+
+
+
b. De directe aandjzing op de geva is veelal onafhankelijk van de voedingsbron in de vorm van elektriciteit of instrumenten lucht hetgeen een belangrijk voordeel is. De werking van de ontvangers is wel afhankelijk van de energievoorziening. c. Voorkomen dient tb worden dat de verbindingsdraad gaat slippen, men ziet daarom 0.a. uitvoeringen in geperforeerde band of ketting en getande snaarschijf. Afb. 40 - Niveaugever type HI8 voorzijde. d. Bij veel meetgevers is het mogelijk instelbare kontakten aan te brengen, bijv. aIarmen e.d. e. Veel meetgevers bezitten als zender een potentiometer welke op zijn beurt weer metingen op afstand, of servosystemen met kontakten kan bestureu, zie bijv. het servosysteem Sn afb. 6 en 7 van hoofdstuk 2.1.3. Over potentiometers z@nbijzonder veel opmerkingen te maken, 0.a.: groot aantal windingen zodat je s o o t oplossingsvermogen hebt (bijv. Multitun potmeters); draaimoment moet gering zijn (gebruik van kagellagers); Afb. 41 - Niveaugew type L118 achterzijde. geringe lineariteits f out; slijtvaste dmad vuoral als loper veel op zelfde plaats staat (bij konstant niveau); goed kontakt tussen loper en draad, geen oxidatiq bij spanningsdeling-schakeling denken om het op de juiste wijze aansluitm van de elektrische bedrading; (niet de of - op de loper dan ontstaat kortsluiting in een der uiterste standen); denk om toegestane vermogen. f. In vele gevallen is Ben buis nodig waarin I I de vlotter drijft, zodat de vlotter aiet Afb. 42 - Niveaugever type TFNE in& ingebouwde afdrijft en zich in een wat rustiger watermeetomvoimer voor hoekverdraaiing. oppemlak bevindt. g. Teneinde corrosie te vooirkomen worden de veelal rood koperen vlotters geplastificeerd, terwijl het contra gewicht van rvs wordt gemaakt. h. Naast de geverapparaten met potentiometer worden ook gevers gebrwikt welke een meetomvormer voor hoekverdraaiing bezitten zoals in afb. 22 en 23 hoofdstuk 3.2.1. aangegeven een voorbeeld hiervan z d worden getoond. i. Tenslotte kan het overbrengen van de Afb. 43 - Vloffer,vlotterkabel en contra gewichf voor nivemrgever TGNE. draaiende beweging van bet geverapparaat zeer nauwkeurig geschieden d.m.v. een elektrische as (selsyn), waarbij men a n de ontvangstzijde een zeer nauwkeurige aanwijzing en t e r n s een flintr moment beschikbaar heeft voor bijv. het aandrijven van een kontaktenwals. Ook op dit systeem zullen we nog terugkomen.
Hieronder nog een aantal algemene opmerkingen over vlotterniveaumetingen: a. Vlottermetingen zijn zeer nauwkeurig en betrouwbaar, mits men bjj de konstruktie met bovengenoemde aspecten rekening houdt. Afb. 44 - SeIsynunit type S 1406 B.
+
4.2.1. Vlotterniveaumetingen met potentiometer In afb. 39 is het type FFA afgebeeld voor
niveaumetingen in watertorens, reinwaterkelders enz. De vlotter en het contragewicht zijn hier opgehangen aan een geperforeerd roestvrij stalen band die over een getand wiel loopt, waardoor slippen wordt voorkomen. Door toepassen van een potentiometer van grote diameter wordt het oplossingsvermogen vergroot, tevens is het toepassen van dikkere draad mogelijk waardoor de slijtvastheid wordt vergroot. Ook is het mogelijk het instrument te voorzien van een deelmeetbereik naast de totaalrneting waardoor de nauwkeurigheid en de afleesbaarheid worden verbeterd. Prettig is de grote schaal voor aflezing ter plaatse. Materiaal van het huis is lichtmetaal in WD uitvoering. Het instrument haalt een nauwkeurigheid van -t 0,25 % van het meetgebied. In afb. 40 en 41 is het type HI8 aangegeven. Dit type wordt voor dezelfde doelen gebruikt als het bovenstaande. Dit type werkt m.b.v. een ketting van roestvrijstaal of koperlegering die over een getand wiel loopt. De nauwkeurigheid bedraagt + 1 % van het meetgebied. Het is mogelijk het instrument te voorzien van een deelmeetbereik naast de totaalrneting. Materiaal van het huis is gietijzer in-WD uitvoering. 4.2.2. Vlotterniveaumetingenmet meetomvormer voor hoekvefdraaii'ng In afb. 42 is de riiveaugever type TGNE afgebeeld welke voorzien is van een meetvormer voor hoekverdraaii'ng. Deze systemen zijn reeds in hoofdstuk 3.2.1 t.b.v. aanwijzende manometers behandeld. Het uitgangssignaal is 0 - 20 rnA, dus direct bruikbaar voor div. meetinstrumenten. De nauwkeurigheid is + 1 O/o van het meetgebied. Het huis is van lichtmetaal in WD uitvoering. In afb. 43 zijn vlotter, vlotterkabel en contragewicht aangegeven. 4.2.3. Vlotterniveuametingen met selsyn installatie In afb. 44 en 45 is dit systeem voor meting en vooral schakeling op afstand van meerdere hulpkontakten, aangegeven. Zender en ontvanger zijn hetzelfde uitgevoerd, de zender wordt echter door de vlotter en het contragewicht aangedreven, tenvijl de draaiende beweging op de zender nauwkeurig wordt gevolgd door een draaiende beweging van de ontvanger. Deze ontvanger (max. op enkele honderden m afstand) kan worden voorzien van een aanwijsschaal en een contactenwals. De ontvanger kan een max. koppel leveren van 1,8 kgcm. Van beide machines zowel zender als ontvanger wordt het poolrad gevoed door bijv. 220 -. Deze spadng.dient als het systeem meerdere omwentelingen maakt over het gehele meetgebied, veilig te worden gesteld, daar bij netspanningsuitval de zender we1 met het niveau mee draait,
1
SELSYNS, TYPE S
I
-
I
I
Afb. 45 Principeschenza voor aansluiten van zender en ontvanger voor selsyn units type S 1406 B.
Afb. 46
- Capacitieve niveaumeting.
maar de ontvanger niet. Bij maar CBn omwenteling over het gehele meetgebied komen zender en ontvanger na 0-spanning weer in de pas. Het systeem is bij juiste keuze van onderdelen zeer nauwkeurig te krijgen.
4.3. Elektrische meetmethoden Afb. 46 gee& een voorbeeld van capacitieve niveaumeting. Een van het vat geisoleerde elelarode wordt in de vloeistof aangebracht en vormt samen met het vat een condenSator' Het dielectricurn wordt gevormd door de vloeistof zo'dat de capaciteit van de condensator afhankellijk is van de hoogte van de VlOelStOk. Door deze condensator in een elektrisch circuit op te nemen, kunnen we de stand van het niveau afleesaar maken. Deze meetmethode is in gebruik voor niveaumeting in gesloten vaten, bijv. waterslagketels, vacuumtanks enz.
. . "
0 .
Elektronische Regler : Prinzipien und Verhalten
Mit zunehmender Automatisierung von technischen Anlagen nimmt die notwendige Instrumentierung einen imrner grosseren Umfang an. Einen nicht unwesentlichen Teil davon stellen die Regeleinrichtungen dar. Je nach Art der Anlage ist der Anteil an elektronischen Regeleinrichtungen, die meist in Systemen zusammengefasst sind, mehr oder weniger gross. Ein wichtiger Bestandteil dieser Systeme sind die elektronischen Regler, iiber die hier berichtet werden soll.
D1PL.-ING. M. KLINCK Philips Forschungslaboratorium Hamburg GmbH Hamburg
Schwirnrner and mechanisch betatigtem Ventil. Hierbei wird die Stelleistung iiber den als Fiihler benutzten Schwimmer direkt dem System entnommen. Bei Regeleinrichtungen mit Hifsenergie kann eine weitere Unterteilung nach der Art der Hilfsenergie erfolgen. Danach lassen sich pneumatische, hydraulische und elektronische Einrichtungen sowie Kombinationen daraus unterscheiden. Friiher waren auch elektromechanische Einrichtungen weit verbreitet. Pneumatische Regeleinrichtungen werden bevorzugt in Anlagen eingesetzt, in denen ein Explosionsschutz gewahrleistet sein muss oder in denen pneumatische Ventile direkt betatigt werden sollen [2,3]. Der Nachteil pneumatischer Einrichtungen liegt in der geringen Signaliibertragungsentfernung und in der mangelnden Flexibilitat bei der Signalverkniipfung in komplizierteren Regeleinrichtungen. Weiterhin werden hohe Anforderungen an die Reinheit der Druckluft gestellt, insbesondere muss der Wasser- bzw. Dampfgehalt sehr gering sein. Hydraulische Einrichtungen werden vielfach in Anwendungen bevorzugt, in denen grosse Krafte in kleinem Raum aufgebracht werden miissen. Das ist deshalb moglich, weil 'die Energiedichte in Hochdruckleitungen sehr hoch sein kann und weil dime Energie in Maschinen sehr kleiner Abmessungen in mechanische Energie umgesetzt werden kann 141. Ein Nachteil liegt darin, dass ein Hydraulikol mit sehr geringem Anteil geloster Gase erforderlich ist und sich im System geringe Leckagen nie ganz vermeiden lassen, so dass Verschmutzungen auftreten konnen. Ein gewisses Gef ahrenmoment stellen auch die hohen Driicke in den Leitungen dar. Elektronische Regeleinrichtungen weisen insbesondere dann grosse Vorteile auf, wenn umfangreiche Signa'lverkniipfungen erforderlich sirid, 'die s'ich mit elektronischen Rechenverstiirkerschaltungen Ieicht realisieren lassen. Bei komplexen Anlagen werden teilweise auch kombinierte Einrichtungen verwendet, d.h. z.B. elektronische und pneumatische nebeneinander. Die Signalanpassung erfolgt d a m iiber elektro-pneumatische bzw. pneumatischelektrische Signalurnformer. Bei einem direkten Vergleich zwischen
Die Entwicklung der Automatisierung in den verschiedenen industriellen Anwendungsbereichen verlauft unterschiedlich. Es ist z.B. zu erwarten, dass zukiinftige Wasserversorgungsbetriebe in einem grosseren Umfang als bisher automatisiert werden. Hierbei treten viele Probleme beziiglich des Systernentwurfs und insbesondere der zugehorigen Instrumentierung auf, die in anderen Bereichen, z.B, in der chemischen oder petrochemischen Industrie, schon mit Erfolg gelost sind. Die dabei gewonnenen Erfahrungen und verwendeten Technologien konn daher vielfach Verwendung finden. Wichtige Elemente der Automatisierung sind die Regeleinrichtungen, die auf die verschiedenen Regelstrecken der Anlagen einwirken. Haufig vorkommende Regelstrecken in Wasserversorgungsbetrieben sind Durchfluss- und Niveauregelstrecken. Im folgenden soll unter dem Begriff Regeleinrichtung derjenige Teil des geschlossenen Regelkreises verstanden werden, der die aufgabengemasse Beeinflussung der RegeIstrecke iiber das Stellglied bewirkt [I]. Die Regeleinrichtung enthalt damit mindestens Gerate zum Erfassen der Regelgrosse, zum Vergleich mit der Fiihrungsgrosse und zurn Bilden der Stellgrosse. Die fur Durchfluss- und Niveauregelstrecken benotigten Stellglieder sind in der Regel motorisch betatigte Stellklappen oder Stellventile und steuerbare Pumpen. Regeleinrichtungen lassen sich nach verAbb. I schiedenen Gesichtspunkten klassifizieren. Bezogen auf die zum Verstellen des Stellgliedes erforderliche Leistung werden Regeleinrichtungen ohne und mit Hilfsenergie unterschieden. Die bekannteste Einrichtung ohne Hilfsenergie ist die klassische Niveauregeleinrichtung mittels
- Syinbol eines Rechenverstarkers.
elektronischen und pneumatischen Regeleinrichtungen wird, von speziellen Anwendungen abgesehen, haufig den elektronischen Einrichtungen der Vorzug gegeben. Dabei werden neben der grosseren Flexibilitat in der Signalverkniipfung vor allem die grossere Genauigkeit, grossere Signaliibertragungsentfernungen und geringere Wartungskosten genannt [5]. Auch fiir Anwendungen, in denen Explosionsschutz gefordert wird, lassen sich elektronische Einrichtungen einsetzen, wenn die Schaltungen eigensicher aufgebaut sind, d.h., dass die Uebertragungsleistung zu gering ist, um explosive Gasgemische zu ziinden. In geratetechnischem Sinne kann innerhalb einer Regeleinrichtung dann von einem Regler gesprochen werden, wenn in einer Einheit mehrere Aufgaben zusammengefasst sind. Ein Regler muss jedoch den Vergleicher fur Fiihlungsgrosse und Regelgrosse sowie mindestens ein weiteres wesentliches Bauglied wie z.B. Verstarker und Zeitglieder enthalten. Haufig ist ausserdem eine Stellmoglichkeit fur die Reglerparameter und eine Sollwertvergabe mit Regeldifferenzanzeige vorhanden. Im folgenden sollen die Prinzipien und das Verhalten von elektronischen Reglern naher erlautert werden. Da diese heute in der Regel mit Hilfe von beschalteten Rechenverstiirkern realisiert werden, wird kurz iiber deren Grundziige berichtet. Dann folgt ein Ueberblick iiber stetig und unstetig wirltende Regler mit einem anschliessenden Ausblick auf zukiinftige Entwicklungen. Abschliessend soll d a m noch kurz auf praktische Einstellregeln f i r Regler eingegangen werden. Zum Verstiindnis der mathematischen Beschreibung der Regler sind lediglich Grundkenntnisse der komplexen Rechnung, der Differential- und Integralrechnung und der Grundlagen der Elektrotechnik erforderlich.
AUgemein gesehen ist ein Verstiirker eine Einrichtung, die zur Leistungsverstiirkung dent. Beim elektronischen Rechenverstiirker bezieht sich die Leistungsverstiirkung auf elektrische Signale. Die Eingangsstufe eines Rechenverstarkers ist zur Verringerung der Drift und zur Unterdriickung gleichphasiger Signalanteile in jedem Fall eine Differenzstufe, d.h., dass die zwei Eingangssignale mit unterschiedlichen Vorzeichen bewertet werden [6]. In Abb. 1 ist das Symbol eines Rechenverstarkers dargestellt. Der nichtinvertierende Eingang wird in der Regel auf den gemeinsamen Bezugspunkt gelegt, so dass sich sowohl das Eingangspotential als auch das Ausgangspotential
mit
V
*lp
!A
I
I
Abb. 2 - Kennlinie eines Rechenverstiirkers.
auf einen Bezugspunkt beziehen und der Rechenverstiirker als aktiver Dreipol mit Vorzeichenurnkehr betrachtet werden kann. Die hervorstechendsten Eigenschaften eines elektronischen Rechenverstiirkers, der z.B. in Form eines integrierten Transistorverstarkers (IC) realisiert ist, sind seine hohe Verstiirkung (bis 105) und seine grosse Breitbandigkeit, d.h. seine Verstiirkungsfahigkeit von Gleichspannung bis zum MHz-Bereich. Damit lasst sich durch eine frequenzabhangige Beschaltung des Rechenverstarkers ein bestimmtes dynamisches Verhalten erreichen, dass im interessierenden Betriebsbereich nur noch durch die Beschaltung und nicht mehr durch den Verstiirker selbst bestimmt wird. Der fiir eine Aussteuerung im linearen Bereich von z.B. - 10 V < ua < 10 V benotigte Steuerstrom liegt bei guten Verstiirkern in der Grossenordnung von 2.B. -0.1 pA < io < 0.1 p4, so dass sich die in Abb. 2 gezeigte Kennlinie u, = f(io) ergibt. Diese Kennlinie kann eine mehr oder weniger ausgepragte TemperaturabbXngigkeit aufweisen. Die zugehorige Steuerspannung uo liegt meist unter 1 mV. Durch eine Beschaltung im Eingangs- und Riickfiihrungspfad kann ein bestimmtes dynamisches Verhalten erzielt werden. Abb. 3 zeigt einen beschalteten Rechenverstiirker mi't 'den allgemeinen Impedanzen Zl und Zz als Beschaltungselemente. Es gelten die folgenden Zeigergleichungen fiir den eingeschwungenen Zustand bei sinusformiger Anregung:
u1yo
Il =
Z -l I2 = -
Ua -g o 22 -
Abb. 3
- Beschalteter Rechenverstarker. Dabei erfolgt die Gliederung nach den charakteristischen Eigenschaften der Regler. Die in der Praxis verwendeten elektronischen Regler sind in der Regel fiir ein Einheitssystem bestimmt. Das bedeutet, dass sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangssignalbereich festgelegt ist und vorbzw. nachgeschaltete Gerate im selben System arbeiten miissen. Vor allem aus Griinden der Austauschbarkeit von Geriiten und Reglem auch mit solchen anderer Hersteller ist dies sehr zweckmassig. Bei den elektronischer Reglern wird iiberwiegend mit einem eingepragten Gleichstrom im Bereich von 0 - 20 mA bzw. 4 - 20 mA gearbeitet.
I
Z,
= R,
Z2
=
R2
F(jw)
1
-2 R1
c ) Schaltung
Abb. 4
- Elektronische
P-Regler.
F(j@)wird der Frequenzgang der Schaltung genannt und ist das VerbXltnis des Zeigers der sinusformigen Ausgangsspamung Ua zum Zeiger des sinusformigen Eingangsspannung Ul im eingeschwungenenZustand als Funktion der Kreisfrequem w fiir alle Frequenzen im Giiltigkeitsbereich der Amahme, dass I. und Uo vemachliissigt werden kiinnenGd dic~hasendrehung durch den Rechenverstiirker 180" betragt. Durch Einsetzen spezieller Impedanzen fiir Z1 und Zz lassen sich aus der Grundschaltung nach Abb. 3 eine Reihe von Schaltungen mit speziellem dynamischen Verhalten ableiten, von denen die stetigen Regler nur Sonderfalle darstellen.
I. =11-12. -
I. und Uo konnen wegen der hohen ~ e r s t ; i r k u nvernachlbsigt ~ wefden, sodass sick folgende Gleichung ergibt:
-
-
Ua
zz
u1
Z -l
--F(ju)=--.
3. Stetige Regler
Bei stetigen Reglern kann die Ausgangsgrosse im stationiiren Zustand jeden Wert innerhalb des Stellbereiches annehmen. Im folgenden werden einige der am meisten verwendeten stetigen Regler beschrieben.
3.1. Proportional-Regler (P-Regler) Beim P-Regler ist jeder Regeldifferem aus Fiihrungs- und Regelgrosse ein bestimmter Wert der Ausgangsgrosse zugeordnet. Es gilt damit die foIgende Gleichung: Y-YO=K~(W-X)=K~~X~. Darin ist y die Ausgangsgrosse des Reglers, Kp ist die Kenngrosse des P-Reglers, w die Fiihrungsgrosse, x die Regelgrosse, xd die Regeldifferem (w-x) und yo der Wert von y fiir xd = 0. In Abb. 4a) ist die Kenlinie des P-Reglers dargestellt, um den Begriff P-Bereich Xp zu erlautern. Dies ist danach der Bereich, um den sich die Regeldifferem xd andem muss, um die Stellgrosse iiber den Stellbereich (z.B. Yh = 20 rnA) auszusteuern. E u f i g wird der normierte P-Bereich in Prozenten angegeben, der sich ergibt, wenn der P-Bereich Xp auf den Regelbereich am Eingang (also 20 mA) bezogen wird. Werte von mehr als 100 O/o bedeuten dabei, dass am Eingang mehr als 20 mA notig waren, urn den Ausgang voll auszusteuern. Zur Ke~zeichnungdes dynamischen Verhaltem einer Schaltung wird neben dem schon erlauterten Frequenzgang hiiufig auch die Sprungantwort herangezogen. Die Sprungantwort stellt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsgrosse einer Schaltung als Ergebnis einer Sprungfunktion am Ein-
u o =!4-u 2
Abb. 5
- Vergleicherschaltung.
Abb. 6
- Spannungsgesteuerte Stromquelle.
gang dar. In Abb, 4b) ist die Sprungantwort eines P-Reglers wiedergegeben. Abb. 4c zeigt einen als P-Regler beschalteten Rechenverstiirker mit der Gleichung fiir den Frequenzgang, bei dem die Kenngrosse Kp bestimmt wird durch das Verhiiltnis der Widerstiinde, wenn Ul die Regeldifferenz und Ua die ~ u s g a n ~ s ~ r i i s s e darstellen. Als Vergleicher fiir die Bildung der Regeldifferenz aus Fuhrungs- und Regelgrosse kann eine vorgeschaltete Einheit verwendet werden, wie sie z.B. in Abb. 5 gezeigt ist. Mit einer Ableitung, die ahnlich der fiir den allgemein beschalteten Rechenverstiirker nach Abb. 3 durchgefuhrt wird, ergibt sich, dass die Ausgangsspannung aus der Differenz der beiden Eingangsspannungen resultiert. Um die eingepragten Strome am Eingang bei Verwendung im Einheitssystem in Spannungen umzusetzen, konnen zwei gleiche Widerstiinde gegen die Bezugslditung geschdtet werden, die in ihren Werkn nieklerohmig gegen die Beschaltungswiederstandesind. Dies ist in Abb. 5 nicht eingezeichnet. Als Ausgangsschaltung ist zusatzlich zu dem Vergleicher nach Abb. 5 £iir den P-Regler nach Abb. 4c) noch eine SpannungsStromumsetzung erforderlich, wie sie z.B. in Abb. 6 gezeigt ist. Der Messwiderstand RMbestirnmt in dieser spannungsgesteuerten Stromquelle den Ausgangsstrom ILunabhiingig vom Lastwiderstand RL, sofern dieser Widerstand sehr klein ist gegenuber den Beschaltungswiderstiinden R und solange die Ausgangsspannung Ua im Arbeitsbereich des ~echenversGkersbleibt. Bei der Serienschaltung der drei Stufen Vergleicher, Charakteristik und gesteuerte Stromquelle ergibt sich eine dreifache Vorzeichenumkehr, die sich iiber alles als einfache Vorzeichenumkehrung auswirkt. Falls dies nicht erwiinscht ist, kann eine Kompensation durch die richtige Beschaltung der beiden Eingange in dem Vergleicher erfolgen. In einem derartigen Konzept, dass hier hauptsiichlich des besseren Verstiindnisses und der Uebersichtlichkeitwegen gew;ihlt wurde, sind die beiden Stufen Vergleicher und spannungsgesteuerte Stromquelle allen stetiger Reglern gemeinsam. Lediglich die mittlere Stufe bestimmt das charakteristi-
Fiihrungs- und Regelgrosse eine bestimmte Aenderungsgeschwindigkeit der Ausgangsgriisse zugeordnet. Die Aenderung der Ausgangsgrosse ist damit proportional dem Zditintegral der Regelafferem, sodass sich folgende Gleichung ergibt:
xd.dt. Darin stellt KI die Kenngrosse des I-Reglers dar und yo den Anfangswert der Ausgangsgrosse bei t = 0. Haufig wird fiir I-Regler auch die Integrierzeit TI angegeben, die sich aus dem Reziprokwert von KI ergibt, wenn sowohl die Ausgangsgrosse als auch die Eingangsgrosse auf ihren Bereich bezogen werden.
I Abb. 7
TI =
b, scbaltmg
- Elektronischer
I-Regler.
-t a) Sprungantuort
1
u ;,o *
!A
Yh
.
IKII x h R Irn Einheitssystem sind Yh und der auf den Regler bezogene Regelbereich XhRgleich 20 mA. In Abb. 7a) ist die Sprungantwort eines I-Reglers aufgetragen und in Abb. 7b) die Schaltung eines elektronischen I-Reglers dargestellt. Mit der angegebenen Gleichung fiir den Frequenzgang ergibt sich 'die Kenngrosse KI aus den Beschaltungselementen. 3.3. Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) Beim PI-Regler ergibt sich die Ausgangsgrosse aus der Addition der Ausgangsgrossen eines P-Reglers und eines I-Reglers. Die folgende Gleichung beschreibt damit das Verhalten eines PI-Reglers:
h) schaltung
L~ = R, 1
* joc F(jo) = - 5 ( I R1 z2 = R2
+ 2-1 J ~ R ~ C
I$=-? Tn = R2C
Abb. 8
- Elektronischer
PI-Regler.
sche Verhalten der unterschiedlichen Rederarten. 3.2. Integral-Regler (I-Regler) Beim I-Regler ist jeder Regeldifferenz aus
/
-
% dt = Kp (xd
+-
I
xd ' dt)
Tn
Darin sind Kp und KI bzw. Kp und Tn die Kenngrossen und yo reprasentiert die Ausgangsgrosse zur Zeit t = 0. Die Nachstellzeit Tn ist damit: lKPl Tn=-. lK1l Sie Gsst sich gut erGutern anhand der Sprungantwort eines PI-Reglers nach Abb. 8a). Danach ist die Nachstellzeit diejenige Zeit, die benotigt wird, urn auf Grund der I-Wirkung eine gleichgrosse
Ausgangsgrosseniinderung zu erzielen wie sie durch den P-Anteil entsteht. Fur die Realisierung elektronischer Regler mit kombiniertem Verhalten, wie z.B, beim PI-Regler, gibt es grundsatzlich auf Grund der kennzeichenden Gleichungen die Moglichkeit, jeden Anteil f i r sich zu erzeugen und die Ausgangsgrossen zu addieren. Eine derartige Parallelstruktur hat den Vorteil der Uebersichtlichkeit und der -t auf jeden Fall entkoppelten Einstellbarkeit a) Ansticgsantuort, idealer PD-Reeler der Reglerkenngrossen. Der Nachteil ist der I erhohte Aufwand. In Abb. 8b) ist die Abb. 9 - Elektronischer PD-Regler. Schaltung eines elektronischen PI-Reglers angegeben, die nicht als Parallelstruktur ausgefuhrt ist und dennoch eine entkoppelte Einstellung der Kenngrossen ermoglicht. Dies ist aus der Bestimmung der Kenngrossen durch die Beschaltungselemente auf Grund des angegebenen Frequenzganges zu ersehen. Danach kann die Nachstellzeit Tn durch Verandern der Kapazitiit C eingestellt werden ohne Kp zu beeinflussen und ICp durch R1 ohne Einfluss auf T,.
b ) Schaltung
c2<
3.4. Proportional-Differeiztial-Regler
Abb. 10
- Elektronisclter
C.RJ
m i t R c c R c
b ) Schaltung
(PD-Regler) Ein Proportional-Differential-Regler wird hiiufig auch als Proportional-Regler mit Vorhalt bezeichnet. Beim PD-Regler entspricht das Verhalten der Addition der Ausgangsgrossen eines P-Reglers und eines D-Reglers, bei dem der Aenderungsgeschwindigkeit der Regeldifferenz ein bestimmter Wert der Ausgangsgrosse zugeordnet ist. Damit kann das Verhalten eines idealen PD-Reglers beschrieben werden mit:
T' =
F(jw)
=
3
R
-
a2. R1
+
jwC
3 4
PZD-Regler.
.5. Proportional-Integral-DifferentialRegler (PID-Regler) Beim PID-Regler setzt sich die Ausgangsgrosse zusammen aus den Ausgangsgrossen eines P-Reglers, eines I-Reglers und eines D-Reglers. Die Gleichung fur einen idealen PID-Regler lautet:
~ - ~ o = K ~ ' x ~ + K ~
d~d dt
oder I(p und KD bzw. Kp und T, sind die Kenngrossen. Die Vorhaltzeit T, ist darin:
T,
IKDl
.
Bild 1 - Beispiel eines industriellerz Reglers nzit Blockschaltbild.
=-
lKP l Sie kann aus der Anstiegsantwort nach Abb. 9a) gedeutet werden. Dabei stellt die Anstiegsantwort eines Systems den zeitlichen Verlauf der Ausgangsgrosse bei einer Anstiegsfunktion mit konstanter Aenderungsgeschkindigkeit fur das Eingangssignal dar. Die Vorhaltzeit ist nun diejenige Zeit, um die die Anstiegsantwort eines PD-Reglers einen bestimmten Wert der Ausgangsgrosse fruher erreicht als allein mit dem P-Anteil. Realisierbare elektronische PD-Regler weisen stets parasitare Verzogerungen auf.
die zum Teil auf die nichtidealen Eigenschaften der Rechenverstarker zuruckzufuhren sind. Mindestens eine davon muss berucksichtigt werden. In Abb. 9b) ist eine realisierbare Schaltung fur einen elektronischen PD-Regler angegeben. Aus dem angegebenen Frequenzgang ist zu erkennen, dass die Kennwerte eindeutig aus den Beschaltungselementen bestimmt sind. Als zusatzlicher Kennwert ergibt sich die parasitare Zeitkonstante T,.', die gegeniiber der Vorhaltzeit T, moglichst klein gewahlt werden sollte.
mit den Kenngrossen Kp, KI und KD bzw. Kp, T, und T,. In Abb. 10a) ist die Sprungantwort fur einen idealen PID-Regler dargestellt (durchgezogene Kurve). Mit der realisierbaren Schaltung nach Abb. lob) ergibt sich ebenfalls eine parasitiire Verzogening mit der Zeitkonstanten T,'. Diese Schaltung realidiert den idealen PID-Regler abgesehen von der parasitaren Verzogerung nur naherungsweise, da zur Erzielung des notwendigen Frequenzganges einige einschrankende Bedingungen fur die Elemente in der Ruckfiihrung eingefiihrt werden mussen. Ueber den in den angegebenen Gleichungen eingefuhrten Faktor a
fuhrt die Einstellung der Reglerkenngrossen T, und T, auch zu einer Beeinflussung der jeweils ubrjgen Kenn'grijrssen. Die Sprungantwort fiir den realisierten PID-Regler ist gestrichelt in Abb. 10a) eingetragen. Der PID-Regler ist in der Praxis der am biiufigsten realisierte Regler. Das liegt Abb. 11 - Kennlinie eines Z~veipunkireglers. einmal daran, dass mit diesem Regler bei vielen Regelstrecken die besten Ergebnisse erzielt werden. Zum anderen ist es darauf zuriickzufuhren, dass in der Regel Umschaltmoglichkeiten vorgesehen sind, so dass sich auch die P-, PD- und PI-Funktion einstellen 1asst. Fur die Regelstrecken in Wasserversorgungsbetrieben, die mit einem stetig stellbaren I Stellglied ausgeriistet sind, lassen sich elek- Abb. 12 - Elekfronischer Z~veipunkiregler init tronische PI- oder PID-Regler gut einPID-Beschaltung. setzen. Ein Regler fur industrielle und verfahrentechnische Anwendungen, der sich hierfiir eignet, wird in [7a] beschrieben. In Bird 1 1st eine Ausfiihrungsform mit dem zugehorigen Blockschaltbild gezeigt.
4. Unstetige Regler Zu den unstetigen Reglern werden alle Regler gerechnet, deren Ausgangsgrosse nicht stetig ist, d.h. nur zwei oder mehrere definierte Werte annehmen kann. Insbesondere z;ihlen dazu Zweipunkt- und Mehrpunktregler. Aber auch die Schrittregler werden in diese Klasse eingeordnet. Teilweise werden allerdings Regler, deren unstetiges Ausgangssignal einen stetigen Mittelwert aufweist, auch zu den stetigen Reglern gerechnet.
punkten X X und ~ xx2.Der Abstand xxz - xul zwischen den beiden Schalt-
1
punkten wird tote oder neutrale Zone genannt, wenn der zugehorige Ausgangwert eine Ruhelage darstellt. Die Anwendung von Dreipuntreglern erfolgt haufig in den Fallen, in denen z.B. ausser einer Energiezufuhr auch eine Energieabfuhr erforderlich ist. Das kann z.B. bei Temperaturregelungen auftreten, bei denen ausser Heizen auch Kuhlen notwendig ist. Dann wiirde z.B. die Ausganggrosse yl nach Abb. 13 Heizen 'EIN' bdeuten, yz Heizen 'AUS' u t ~ dKiihlen 'AUS' sowie y3 Kiihlen 'EIN'. Das Verhalten von Dreipunktreglern Esst sich ebenfalls in bestimmten Anwendungen durch elektronische Ruckfiihrungen verbessern, die haufig als PD- oder PIDBeschaltung ausgefiihrt sind. Neben der Anwendung als echte Regler werden Zwei- und Dreipunktregler ohne Ruckftihrung auch benutzt fiir Ueberwachungs- und Signalaufgaben.
4.3. Dreipunkt-Schritt-Regler Der Dreipunkt-Schritt-Reglerist ein Dreipunktregler mit einer Kennlinie nach Gleichstrome, und am Ausgang ein elektro- Abb. 13 und einer elektronischen Ruckmechanisches Relais oder einen zweifiihrung. Er wird stets in Verbindung mit stufigen Spannungs- oder Stromausgang. Stellantrieben benutzt. D a m haben die Der Einsatzbereich von Zweipunktreglern Werte der Ausgangsgrosse z.B. die liegt im wesentlichen bei tragen Regelfolgende Bedeutung. strecken in der Verfahrenstechnik - insbey ~ :Motor Rechtslauf sondere alle Temperaturreglungen-, bei y2: Motor Stillstand denen schaltende Stellglieder wie z.B. y3: Motor Linkslauf Schaltschutze oder Magnetventile verwendet werden. Liegt die Regeldifferenz also innerhalb der Wird ein Zweipunktregler an Regelstrecken neutralen Zone, so bebiilt der Stellantrieb 4.1. Zweipunktregler mit Totzeit eingesetzt, so ergeben sich Zweipunktregler sind dadurch gekennseine Stellung bei, wahrend in den beiden anderen Fallen das Stellglied vom Stellzeichnet, dass ihrer Ausgangsgrosse - auch Regelschwingungen um den Sollwert. bei stetig veranderlicher Eingangsgrosse - Durch eine zusatzliche elektronische Ruck- antrieb mit einer mittleren konstanten Geschwindigkeit in die eine oder andere nur zwei verschiedene Werte zugeordnet fiihrung im Regler lassen sich diese Schwankungen verrnindern. Von der sind. Die Zuordnung dieser Werte bezieht Richtung bewegt wird. Funktion her werden haufig PD- bzw. PID- Durch die elektronische Riickfiihrung erbiilt sich im Beharrungszustand auf zwei Reglerstrukturen verwandt, wie sie von den der Regler so ein Zeitverhalten, dass der Wertebereiche des Eingangssignals. stetigen Reglern bekannt sind. In Abb. 12 angeschlossene Motor schrittweise be1st bei der Aenderung des Eingangssignals ist ein Beispiel fiir einen Zweipuntregler tatigt wird und zwar in Abhiingigikeit von das im Beharrungszustand auftretende mit PID-Beschaltung angegeben. Ueber die den eingestellten Kenngrossen und der Ausgangssignal auch von der Richtung Widersllnde R und R, konnen der Schaltaufgetretenen Regeldifferenz. Fur die Komdieser Aenderung abhangig, so wird die punkt und die Shaltdifferenz festgelegt bination aus Motor und Dreipunkt-SchrittDifferenz der Eingangssignale, bei denen werden. Regler ergibt sich durch die integrale sich jeweils das Ausgangssignal andert, Wirkung des Motors ein PI-Verhalten. Hysterese oder Schaltdifferenz genannt. 4.2. Dreipunktregler Damit kann diese Kombination ftir die In Abb. 1 1 ist die Kennlinie eines Zweipunktreglers mit Schaltdifferenz dargestellt Irn Prinzip gilt fur Dreipunktregler dasselbe Auslegung von Regelkreisen ~ h e r u n g s weise betrachtet werden wie ein stetiger [7,8]. Darin sind yl bzw. yz die beiden wie fiir Zweipunktregler. Beim DreipunktPI-Regler [9]. moglichen Zusllnde der Ausgangsgrosse, regler werden drei Wertebereichen des In Abb. 14 ist die Sprungantwort fiir eine w der Sollwert und x,d die Schaltdifferenz. Eingangssignals im Beharrungszustand Regler-Motorkombination angegeben. Der drei f a t e Werte der Ausgangsgros'se zugeDiese wird haufig in Prozentwerten angeProportionalbeiwert Kp und die Nachstellgeben und bezieht sich dann auf den ordnet. zeit T, sind genauso definiert wie bei Eingangsbereich, z.B. im Einheitssystem In Abb. 13 ist die Kennlinie fiir einen stetigen PI-Reglern, wenn der zeitliche Dreipunktregler angegeben. Darin sind auf 20 mA. Elektronische Zweipunktregler haben in der y ~yz , b m . y3 die drei moglichen Zusllnde Mittelwert der Stellgrosse herangezogen wird, Als Stellgros'se yl witd kiie Position Regel Eingange ftir stetige Signale, des Ausgangssignals, x,dl und x,d2 die dw Stellantrielsers betrachtet. Am Ausgangsim Einheitssystem also fur eingepragte Schaltdifferenzen an den beiden SchaltAbb. 13
- Kennlinie
eines Dreipunktreglers.
signal y des Reglers ist die Schaltfunktion zu erkennen. Zur Realisierung des P-Verhaltens ist 'dabd am Anfang ein langer Impuls erforderlich, der dann von regelmassigen kurzeren Impulsen abgelost wied. In der Stellgrosse yl sin'd 'die zugehorigen Zeiten mit konstanter Geschwindigkeit zu erkennen. Statt der Geschwindigkeit wird fiir Stellantriebe h'aufig die Stellzeit T, angegeben. Das ist die Zeit, die erforderlich ist, um einmal durch den gesamten Stellbereich zu laufen. Der Dreipunkt-Schritt-Regler findet uberall dort Anwendung, wo direkt schaltbare Stellantriebe mit konstanter StellgeschwinA b b . 14 - Sprungantivort eines DreipunktSehrittdigkeit eingesetzt werden. Reglers itlit Stellantn'eb. Dreipunkt-Schritt-Regler lassen sich auch vorteilhaft ohne elektronische Ruckfiihrung einsetzen, wenn sie in Verbindung rnit proportionalen Strecken - wie z.B. Durchflussstrecken mit kurzer Entfernung zwischen Stell- und Messort - arbeiten. Der Stellantrieb wird dann bis zur Ausregelung mit maximaler Stellgeschwindigkeit betatigt.
punkt-Schritt-Regler mit und ohne Ruckfuhrung fiir alle mit schaltbaren Stellantrieb ausgeriisteten Regelstrecken in Wasserversorgungsbetrieben gut einsetzbar. Fiir allgemeine Anwendungen haben sich aus der Praxis fur bestirnmte Arten von Regelstrecken nur bestimmte Regler als brauchbar enviesen. Eine Uebersicht ist in Tabelle I zusammengestellt [14]. Wesentlich £iir die Auswahl der Regler ist das Zeitverhalten. Dabei kann die Ausgangsgrosse stetig oder unstetig bzw. quasistetig sein, je nachdem welcher Art das Stellglied ist. Einige Hinweise auf die Untersuchung von geregelten Wasseraufbereitungsanlagen finden sich in [IS, 16, 17, 181. Dabei wird besonders auf die Modellbildung fur verschiedene Elemente einer Trinkwasseraufbereitungsanlage zum Zweck des Entwurfs der Regelung eingegangen.
5. Praktische Einstellung von Reglern
Es sind eine grosse Anzahl von Einstellregeln fur die Optirnierung von Regelkreisen bekannt. Die uberwiegende Anzahl von 4.4. D i g i t a l e R e g l e r Verfahren arbeitet mit numerischen oder Digitale Regler lassen sich je nach Angraphischen Hilfsmitteln und setzt eine schauung zu den stetigen oder unstetigen weitgehende Kenntnis der Struktur und der Reglern rechnen. Auf Grund ihrer digitalen Parameter der Regelstrecke voraus. Struktur haben sie unstetige AusgangsAuf diese Verfahren soll hier nicht signale, die aber hiiufig wegen der meist eingegangen werden. Es wird dam auf das grossen Anzahl von Stufen als quasistetig Schrifttum verwiesen, insbesondere auf [3], bezeichnet werden konnen. Hier sollen sie in dem noch weitere Hinweise zu finden wegen ihrer digitalen Struktur bei den sind. unstetigen Reglern eingeordnet werden. Fur den haufig auftretenden Fall der Im Prinzip lassen sich alle Regelfunktionen Einstellung eines PI-Reglers soll ein digital realisieren, wenn an Eingang und experimentelles Verfahren angegeben Ausgang entsprechende Analog-Digitalwerden, mit dem der Proportionalbeiwert Wandler bzw. Digital-Analog-Wandler Kp und die Nachstellzeit T, ohne genaue vorgesehen werden. Dies wiid z.B. praktiKenntnis der Daten der Regelstrecke ziert, wenn Prozessrechner als Regler im TABELLE I - Zuordnung Regler - Regelstreeken. bestimmt werden konnen [3,6]. Dies sogenannten DDC-Verfahren (Direct Digital Verfahren liefert dann gute Ergebnisse, Control) eingesetzt werden [lo]. Dabei ist wenn die Regelstrecke als Verzogerungsder Vorteil, dass ein Rechner viele Regelglied mit einer grossen Zeitkonstante und kreise im Zeitmultiplex, also nacheinander, einer oder mehreren kleine Zeitkonstanten bedienen kann und dabei beliebig komplidargestellt werden kann, wie es fur zierte Regelfunktionen realisiert werden Strecken in der Verfahrenstechnik h'aufig konnen. vorkommt. Haufig wird auf DDC-Verfahren aus Die Einstellung erfolgt in zwei aufeinanderGriinden der Betriebssicherheit verzichtet folgenden Schritten. Im ersten Schritt wird A b b . 15 - Sprungantivorten zur Errnittlung der opfintalen Einstellung eines PI-Reglers. und statt dessen der Prozessrechner zur der Regler als reiner P-Regler eingesetzt. Fuhrungswertvorgabe fiir konventionelle Nun wird der Proportionalbeiwert Kp SO Regler benutzt. Diese Regler sind d a m so Grossen verwendet werden [l1,12,13]. lange verandert, bis sich eine Sprungaufgebaut, dass sie bei Ausfall des Rechners Diese Regler sind besonders gut geeignet antwort fiir den geschlossenen Kreis mit solange mit dem zuletzt ausgegebenen sowohl fur die Sollwertfiihrung als auch geringem Ueberschwingen von ca. 4 % Sollwert weiterarbeiten bis der wieder in fiir die Kenngrosseneinstellung durch entsprechend der K u ~ 1ein Abb. 15 einstellt. Betrieb gesetzte Rechner einen neuen SollProzessrechner, da diese Werte digital Im zweiten Schritt wird die Nachstellzeit wert ausgibt oder auf die reglerinterne vorgegeben weyden konnen und keine T, des mit PI-Regler geschlossenen Kreises Sollwertvorgabe umgeschaltet wird. Der Wandlung erforderlich ist. Das Ausgangsunter Beibehaltung der Einstellung des jeweilige Betriebszustand wird dabei angesignal dieser Regler kann d a m entweder Proportionalbeiwertes Kp so lange verzeigt. nahezu stetig sein oder pulsdauermoduliert. andert, bis sich wieder eine Sprungantwoft Eine andere Art digitaler Regler zeigt eine Letzteres ist besonders geeignet fur die als Reaktion auf einen FuhrungsgrossenReihe von Vorteilen bei Einsatz in Systemen, Betiitigung von Stellantrieben. sprung mit einem geringen Ueberschwingen Von den unstetigen Reglern ist der Dreiin denen Frequenzen als signaltragende von ca. 4 % einstellt. Die Kume 2 in
Abb. 15 zeigt diese Sprungantwort. Die sich auf diese Weise ergebende Einstellung der Kenngrossen ist im Sinne des sogenannten Betragsoptimums optimal. Ein zweites experimentelles Verfahren soll kurz skizziert werden. Es ist das klassische Verfahren von Ziegler und Nichols [19]. Dabei wird der Regelkreis zunachst mit reinem P-Anteil des Reglers geschlossen und der Proportionalbeiwert Kp so lange verandert, bis das System anfangt zu schwingen, also instabil wird. Der zugehorige Wert wurde mit KPkbezeichnet und gleichzeitig die Schwingungsdauer TK bestimrnt. Dann ist die giinstigste Einstellung der verschiedenen Regler:
Beziiglich der Regelstrecke gelten die gleichen Voraussetzungen wie beim ersten Verfahren, sodass auch 'diese Methode auf den iiberwiegenden Teil der Streclcen in der Verfahrenstechnik anwendbar ist. Der Nachteil bei diesen Verfahren ist, dass zur Bestirnmung der kritischen Werte das System zum Schwingen gebracht werden muss. Das ist aus technologischen Griinden nicht bei allen Strecken zulassig.
6. Zusammenfassung Nach einer Abgrenzung gegeniiber anderen Reglerarten wird eine Uebersicht iiber elektronischer Regler gegeben. Da der Grundbaustein dieser Regler die elektronischen Rechenverstiirker sind, wird kurz auf deren Verhalten insbesondere auch bei allgemeiner Beschaltung eingegangen. Anschliessend werden die verschiedenen Typen von stetigen Reglern erlautert. Nach der Beschreibung von Zwei- und Dreipunktreglern erfolgt ein Hinweis auf digitale Regler und die Einsatzmoglichkeit von Prozessrechnern fur Regelzwecke. Abschliessend wird noch kurz auf zwei praktische Verfahren zur Einstellung von Reglern hingewiesen.
Control Engineering, 8 (1961), nr. 10, S. 82-84. 6. Xander, K., Enders, H. H., Regelungstechnik rnit elektronischen Bauelementen, Werner Verlag, Dusseldorf, 1970. 7. Withof-Hauptkatalog 1974, Bausteine der Automation, Fa. Withof, Kassel; Philips Elektronik Industrie, Gesamtkatalog 1974; PCS, Complete Process Control, Philips-Brochure. 7a. Mengel, W., Der PCS-Regler I, ein Regler fiir industrielle und verfahrentechnische Prozesse, Manuskript eines Vortrages auf Einladung des RKW-Berlin am 22.4.1970, Akademischer Verein Hutte, Berlin (Fa. Withof, Kassel, ein PhilipsUnternehmen). 8. Kenngrossen fiir Regler, VDIJVDE Richtlinie Nr. 2189, Blatt 1 VDEVerlag, Berlin. 9. Neumann, B., Dreipunktregler, Energie und Technik, Oktober 1968, S. 327-330. 10. Amrehn, H.: Direkte digitale Regelung, Regelungstechnische Praxis, Teil I: 1968, H. 1, S. 24-31; Teil 11: 1968, H. 2, S. 55-57. 11. Klinck, M., Ein digitaler Einzelregler fur frequenzanaloge Messwerte ETZB, 24 (1972), H. 13, S. 328-330. 12. Lemmrich, J., Ferquenzanaloge Universalregler, Regelungstechnische Praxis, 16 (1974) H. 10, S. 249-254. 13. Kalis, H., Klinck, M., Landvogt, G., Lemmrich, J., Schroder, G., Frequenzanaloges Prozessfuhmngssystem, Elektronik, 1974, H. 10, S. 361-364. 14. Merz, L., Grundkurs der Regelungstechnik, R. Oldenbourg Verlag, Munchen, 1963. 15. Klinck, M., The inputJoutput behaviour of a level-controlled rapid sand filter. Proceedings of the IFAC Symposium on: Control of Water Resource ~yst&ns,Haifa, Israel, 17. - 21. Sept. 1973. 16. Klinck, M., The start-up model of a rapid sand filter. Proceeding of the conference: Computer Uses in Water Systems, Reading, UK, 25. - 27. Sept. 1973. 17. Klinck, M., Simulation aided design of the dynamic hehaviour for some elements of a surface water treatment plant. Proceedings of the IFIP Working Conference: Modelling and Simulation of Water Resources Systems, Gent, Belgien, 30. Juli - 2. Aug. 1974. 18. Klinck, M.: Simulation aided design of the automatic control concept for a water treatment plant. Proceedings of the AICA Symposium on: Hybrid Computation in Dynamic Systems Design, Rom, Italien, 11. - 14. Nov. 1974. 19. Ziegler, J. G., Nichols, N. B., Optimum settings for automatic controller, Trans. ASME 64 (1942) 759.
Formelzeichen
1. Regelungstechnik und Steuemngstechnik: Begriffe und Benennungen, Deutsche Normen, DIN 19226, Mai 1968, Beuth-Vertrieb GmbH, Berlin 30 und Koln. 2. Leonhard, W., E i i i h m n g in die Regelungstechnik, Vieweg Verlagsgesellschaft. Braunschweig, 1969. 3. Oppelt, W., Kleines Handbuch technischer Regelvorgange, Verlag Chemie, Weinheim, 1964. 4. Gille, J. C., Pelegrin, M., Decaulne, P., Lehrgang der Regelungstechnii, Band 11, Oldenbourg Verlag, Munchen, 1963. 5. De Lancy, M. M., A Chemical Company's Survey gives Erge to Electronic Instruments,
C dt F(jw) i 1 I KD KI KP Kpk R t TI Tk
T,
Kapazitat Zeitdifferential Frequenzgang Strom Wechselstromzeiger imaginare Einheit, "j -1 Diff erenzierbeiwert Integrierbeiwert Proportionalbeiwert kritischer Proportionalbeiwert Widerstand Zeit (laufend) Integrierzeit kritische Schwingungsdauer Nachstellzeit
Vorhaltzeit parasitare Zeitkonstante Stellzeit Spannung Wechselspannungszeiger Fiihrungsgrosse Regelgrosse Regeldif ferenz Rege!bereich Regelbereich am Eingang des Reglers Schaltpunkt Proportionalbereich Schaltdifferenz Stellgrosse Position eines Stellantriebes Stellbereich Impedanz Faktor Kreisfrequenz
Technische uitvoering van regelsystemen
1. Inleiding
In de voordrachten voorafgaande aan deze is ingegaan op diverse aspecten van meten en regelen en op de mogelijkheden ermee. Dit meten en regelen dient in een technische uitvoering volgens de gestelde eisen samengevoegd te worden met de procesapparatuur tot een complete installatie, welke na de opstart bedrijfszeker kan blijven werken. Deze toepassing en uitvoering is het beste toe te lichten aan de hand van de stadia, die een project doormaakt vanaf het ontwerp tot en met de realisatie.
Afb. 1 - Basissymbolen voor de procesinsfrumenfatie [I].
1. Het grondsymbool voor een instrument is een cirkel met een middellijn van ca. 10 mm; het wordt getekent met een dunne lijn. In het grondsymbool is een lettercode voor de meetfunctie en de omzetfunctie gegeven. Het is door een dunne getrokken lijn (meetlijn) verbonden met een meetpunt; door een dume streeplijn (stuurlijn) kan het verbonden zijn met andere symbolen.
c. Het ontwerp van een automatisch systeem, zgn. tripsysteem, voor het automatisch veilig stellen van proces en installatie, ter voorkoming van gevaar voor mensenlevens, grote apparatuurschade en/of proceswanorde. d. Een systeem voor optimaliserenderegeling.
In afb. 2 wordt een eenvoudig processchema gegeven voor het mengen van een processtroom (aangevoerd via een buffer) met een hulpstof tot een bepaalde eindkwaliteit en een bepaalde eindtemperatuur. Beide eisen zijn nodig voor de daarop Niveauregelaar L betekent Level volgende procesfase. C betekent Controller Met het oog op deze eisen worden regeV betekent Valve lingen voorzien, waarbij om redenen van hoge nauwkeurigheid extra voonieningen 2. Het symbool voor bedienend element (motor) is een cirkel met een middellijn van ca. 5 mm met worden gedst en voor goede procesdaaraan een getrokken lijn. Door die getrokken informatie worden mast de regelkringen lijn is het symbool verbonden met het symbool ook aanvullende meters aangebracht. voor het corrigerend element. In afb. 2 wordt een eenvoudige oplossing Na de voorstudie, bekroond door een posi- 3. De meetfunctie van het instnunent wordt (kwalitatief lage eisen gesteld) gegeven en tieve beslissing van de directie, volgt de aangegeven met de eerste letter van de code in een uitgebreide oplossing (kwalitatief hoge ontwikkeling van bijna elke procesinstallatie, het grondsymbool volgens onderstaande betekenis. eisen gesteld). F = stroming (flow) of dit nu een waterleidingbedrijf, een Voor zeer speciale eisen en moeilijk regelL = niveau (level) chernische fabriek of een kernenergieP = dmk (pressure) bare procesonderdelen is het raadzaam in centrale betreft, nagenoeg de volgende Q = kwaliteit (quality) gevolgd door aanduiding dit stadium reeds een specialist op regelbuiten de cirkel bijv. pH stadia: technisch gebied te raadplegen. T = temperatuur (temperature) 1. Bepaling van de gedetailleerde doelIn verband met het starten en stoppen van U = mechanische verplaatsing stelling, omvang en plaats van de installatie. W = gewicht (weight) de installatie zullen naast meet- en regelX = andere meetfuncties apparatuur ook nog afsluiters worden aan2. Ontwerp van globaal processchema. gebracht om het proces te kunnen starten 4. Een codeletter is eventueel aan de meetfunctie 3. Specificatievan technische deelhandeen stoppen. De procedure van starten en toe te voegen met de letters lingen en grootte van stofstromen. d = verschil (differential) stoppen dient daarom te worden omschrer = verhouding (ratio) 4. Ontwerp van het systeem van procesven. Dit kan handbediend ter plaatse of op beheersing. afstand geschieden of gestuurd worden 5. De omtfunctie wordt aangegeven met letters door een automatisch programma. 5. Specificatie van apparatuur en installatie. op de tweede en volgende plaatsen: I = aanwijzend (indicating) Tevens dienen handafsluiters te worden 6. Montage. R = registrerend (recording) voorzien om procesvaten te kunnen C = regelend (controlling) 7. Inbedrijfstelling. aftappen en meetapparatuur voor controle T = zendend (transmitting) of onderhoud van het proces te kunnen 8. Bedrijfsvoering en onderhoud. X = omzettend anders dan voorgaand A = alamerend (alarming) scheiden. De aspecten met betrekking tot de meet- en S = ingrijpend (switching) Naast regelkringen voor processtabilisatie regeltechniek komen aan de orde onder de en meetinstrumenten voor procesinformatie procesonderdelen (bijv. filtreren, mengen, stadia 4 t /m 8 en worden vaak bepaald worden ook instrumenten aangebracht met neutraliseren tot gewenste pH-waarde, door een compromis met andere vakgeeen grenswaardeschakeling. Deze grensopwarmen of afkoelen). In het procesbieden als procestechnologie, werktuigwaardeschakelaars geven de ingangsschema worden de nodige regelkringen en kunde, bouwkunde en elektrotechniek. signalen voor het alarmerings- en beveilimetingen aangegeven. Hierbij wordt geDe meet- en regeltechnische toepassingen gingssysteem, het tripsysteem (een logische blijven in dit verhaal beperkt tot de punten bruik gemaakt van basissymbolen voor de schakeling), die de bedieningsman inforprocesinstrumentatie als vastgelegd in het 4 en 5. Bij de keuze die in deze stadia meren over het passeren van de ingestelde normblad NEN 3157. wordt gemaakt, dient terdege rekening te limiet ofwel een automatische actie tot worden gehouden met de gevolgen ervan in Een samenvattinghieruit wordt gegeven in gevolg hebben (bijv. het sluiten van een afb. 1 [I]. de erop volgende stadia: de montage, klep of het stoppen van een pomp of Dit ontwerp omvat zo nodig: inbedrijfstelling, bedrijfsvoering en onderroerwerk). Onder 4.4 wordt hierop nader houd. a. Het aanbrengen van stabiliserende rege- ingegaan. lingen en programmasturing tijdens norVoor een systeem van optimaliserende 2. Het ontwerp van het systeem voor maal bedrijf; een en ander volgens de regeling is bijna altijd een computer nodig procesbeheersing bedoeling van de procesontwerper. om de omvangrijke berekeningen uit te Bij het ontwerp van dit systeem wordt b. Procedures en rniddelen voor het starten voeren. In het processchema is aan te geven uitgegaan van het globaal processchema welke instrumenten aan de randapparatuur en stoppen (in en uit bedrijf nemen van de en de eisen te stellen aan de afzonderlijke installatie). van de computer dienen te worden aange-
b. Eisen over centrale en/of decentrale bewaking. c. Mate van automatisering en gewenst aantal bedieningsposten. d. Beschikbare ruimte voor opstelling van apparatuur. e. Gevarenklasse van ruimte voor opstelling van de meet- en regelapparatuur. f. Beperkingen voor keuze van apparatuur en fabrikaat met betrekking tot onderhoud. Deze beperkingen kunnen zo bepalend zijn, dat voor de verdere specificatie niet veel ruimte voor keuze in alternatieven meer overblijft. Meestal is dit niet zo en kan gekozen worden uit een installatie op pneumatische basis, elektrischIelektronische of hydraulische basis.
Afb. 2.
TABEL I - Overa'cht varl specifieke kenrnerken voor pneuri~atische en elektronische sysieri~en 121. Kritische Betrachtung: von W. Reinert, Dortmund; Reglungtechnische Praxis Heft 9, 1974, p. 222 t/m 229. kenmerk
pneumatisch
miniaturisering bewegende delen (slijtage) doorsnede transmissielijn snelheid van overdracht afstand van overdracht informatieverwerking verknoping van ingewikkeld systeem opbouw logische schakeling verstelkracht bescherming tegen corrosie warrnteontwikkeling robuustheid gevoeligheid voor stoorsignalen bescherming tegen explosieve gassen apparatuurkosten storingzoeken
beperkt meer groot snel beperkt moeilijk beperkt mogelijk groot aanwezig afwezig goed beperkt overbodig lager eenvoudig
sloten. Het ontwerp van dit systeem is zeer specifiek voor elke toepassing en wordt hier niet verder uitgewerkt. Het processchema met daarin aangegeven alle meet- en regelapparatuur is het resultaat van het ontwerp en wordt het P- en Ischema, proces- en instrumentatieschema genoemd. Op grond van dit schema wordt de specificatie van meet- en regelapparatuur en dito installatie met detailtekeningen uitgewerkt.
3.
(-1 (-) (-)
(-1
(-1
(-)
(-1 (-)
(+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)
elektrisch groot weinig klein zeer snel groot eenvoudig eenvoudig eenvoudig klein kost moeite attentie beperkt aanwezig noodzaak hoger specialistisch
Specificatie van meet- en regelapparatuur
3.1. Randvoorwaarderz Voordat de meet- en regelapparatuur en de meet- en regeltechnische installatie kan worden gespecificeerd, mllen een aantal voorwaarden bekend moeten zijn uit het algemene ontwerp van de installatie. Dit betreft: a. De ruimtelijke situering van de fabriek met zijn procesonderdelea
3.2. Keuze van hulpenergie De grootheid, waarvan het wenselijk is deze te regelen, moet kunnen worden gemeten. Er zal een meetelement gezocht moeten worden dat voldoet aan de eisen die het proces stelt en dat een standaard signaal oplevert voor verdere verwerking in de regelaar, hetzij ter plaatse of op grote afstand in een bedieningskamer [I]. Er bestaat een grote verscheidenheid van signaalvormers met hulpenergie: perslucht, elektrische energie of hydrauliek. De meeste instrumenten hebben maar weinig hulpenergie nodig. Meer energie is nodig voor het overwinnen van verstelkrachten in de corrigerende organen, regelkleppen, schuifafsluiters of anderszins. Alleen bij het overwinnen van zeer grote verstelkrachten wordt middels een slaafsysteem van hydrauliek gebruik gemaakt, voor de overige gevallen wordt een pneumatisch aangedreven motor aangewend. De keuze van hulpenergie blijft meestal beperkt tot een keuze van pneumatisch of elektrisch. Pneumatisch: Het pneumatische meet- en regelsysteem is het eerste ontstaan en nagenoeg aan het einde van zijn ontwikkeling. Het kent een groot aantal voordelen en een aantal nadelen (zie tabel I).
Elektrisch: Het elektrische meet- en regelsysteem kent vele uitvoeringsvormen en is nog volop in ontwikkeling. Het biedt goede perspectieven voor miniaturisering en automatische gegevensverwerking met behulp van computers. Bij verdere ontwikkeling van microelektronica en microcomputers kan deze vergelijking in de toekomst ten voordele van de elektrische kant doorslaan. Bij de huidige stand van de techniek zal een ontwerper, die kostenbewust ontwerpt en voor onderhoud met beperkt geschoold personeel te maken krijgt, de voorkeur geven aan een pneumatisch systeem.
Vervolgens zal hij kiezen voor een gemengd Afb. 3 - Regeling hoeveelheid NH3-gas naar Neutra. 1 1 I I I pneumatisch-elektrisch systeem en pas als het technisch noodzakelijk is wegens snelheid van regelen, grote te overbruggen afstand of koppeling met computersystemen zal hij een elektrisch systeem kiezen. 3.3. Keuze van transmissie van signalen Met de keuze van de hulpenergie hangt nauw samen de keuze van het transmissie-- -systeem. Bij korte afstanden zal bij voorkeur - -- -van pneumatische signalen gebruik worden - --- -_ - - --gemaakt, omdat met de eenvoudige aandrijving van het corrigerende orgaan, 1. Uitaana - - IFX 406 is setpoint van FIC 430. de regelklep, aan de meeste proceseisen kan 2. El = FR 430, E2 = vrij. 3. FEV 430 (pos. 6) monteren op FPV 430 (pos. 7). worden voldaan [3]. Bij grote afstanden kan voor een enkele regelkring het signaal van pneumatisch naar elektrisch worden omgevormd en bij de klep weer worden terug getransformeerd. Voor grote installaties zal deze wijze van werken kostbaar worden en kan beter op volledig elektrische regelsystemen worden overgegaan en het klepstuursignaal zo zo nodig worden omgevormd. Moeten meer signalen over grote afstand worden overgebracht, dan worden bij parallel overdracht de kabelkosten zeer hoog. Het overzenden van signalen in serie in digitale vorm, a1 of niet met gebruik van een procescomputer, kan een economisch betere oplossing geven (zgn. telemetrie). Voor beperking van pneumatische transmissie zie literatuur [4]. - --
-
3.4. Specificatie van de meet- en regelapparatuur Op grond van het P- en I-schema van de stofstromen uit de technologische specificatie, de gestelde randvoorwaarden en de keuze van hulpenergie en transmissiesysteem, kan tot specificatie van de meetinstrumenten, meetwaarde-omvormers, regelaars, regelkleppen en grenswaardeschakelaars worden overgegaan. Hierbij kunnen voor locale oplossingen nog alternatieven worden gesteld waarbij meestal de meest economische kan worden gekozen. Voor enkele gevallen zullen specifieke regeltechnische eisen bepalend zijn. Voor deze laatste gevallen is het raadzaam een specialist te raadplegen. Voor die toepassingen waarbij hoge eisen gesteld worden aan de snelheid van regelen, zeer speciale regelacties nodig zijn of vele acties gelijktijdig uitgevoerd moeten worden, kan de inzet van een procescomputer met directe digitale besturing worden overwogen. De regelaars worden dan niet als 'hardware', afzonderlijke apparatuur, gekocht maar als 'software', rekenprogramma's in de computer voorzien. Bij de specificatie wordt vaak van voor-
-
1
I
.
.
1
I
-
-
I
-
-
Afb. 4 .
gedrukte bestelformulieren gebruik gemaakt en worden instrumenten van gelijke soort verzameld en als totaal besteld. Voor een aantal metingen, bijv. meetschijfmetingen dienen v66r het ontwerp berekeningen te worden uitgevoerd. Een voorbeeld van instrumentenspecificatie is in afb. 3, lijst van instrumenten, opgenomen. Bij de keuze van instrumenten is het noodzakelijk aandacht te besteden aan de maximale capaciciteit, aan de normale proceswaarde en aan de vereiste minimum- en maximumwaarde
van de voorkomende variaties (rangeability). Soms is het noodzakelijk de totale procesvariatie van meetwaarden met 2 meters of meetgebieden te bestrijken. Voor de keuze van instrumenten kan men uitgaan van de fabrieksdocumentatie of van instrumentenevaluatie door de Stichting WIB (Working party of Instrument Behaviour). Dit is een stichting van instrumentengebruikers welke instrumenten onderzoekt op specificaties.
3.5. Regelafsluiters Aangezien in de andere voordrachten van de vakantieleergang slechts beperkt aandacht wordt geschonken aan regelafsluiters wordt er hier uitvoeriger op ingegaan. Voor corrigerende organen wordt in de procesindustrie voor het grootste gedeelte van regelkleppen gebruik gemaakt. Voor transport en distributie van grote hoeveelheden wordt bij voorkeur van toerental geregelde pompen gebruik gemaakt wegens beperking van het energieverbruik. Er zijn vele uitvoeringsvormen van regelkleppen bijv. met schuifbeweging of draaiende beweging, vlinderkleppen, kogelkleppen, schuifkleppen. Het meest toegepast zijn de plugkleppen met schuifbeweging en de vlinderkleppen. Het werkingprincipe van alle kleppen in hun toepasing is hetzelfde. Bij een ter beschikking staand drukverschil wordt de klepopening groter of kleiner gemaakt en wordt tengevolge daarvan door weerstandsverandering in de leiding met regelklep de doorstromende hoeveelheid beinvloed. De klepverplaatsing wordt meestal gerealiseerd met een klepmotor gebaseerd op een met luchtdruk gestuurd membraan en veerterugstelling of op een cylinder met zuiger, a1 of niet voorzien van een klepstandsteller. 3.5.1. Uitvoering van regelkleppen [5] In afb. 4 is het schema gegeven van een pneumatische regelklep met schuivende beweging. Bij een drukveer in de klepmotor wordt door luchtdruk onder het membraan aan te brengen de klep geopend. Alvorens de klep vanuit de dichtstand kan worden geopend moet een kracht worden overwomen gelijk aan het klepoppervlak vermenigvuldigd met de verschildruk over de klep. Om het probleem van procesdruksluitend zijn te ondervangen kan de stroorninrichting door de klep omgekeerd worden (zie afb. 4). In gesloten stand zal de klepmotor een kracht moeten ovenvinnen van het klepoppervlak maal de verschildruk over de klep. Deze klep wordt dan procesdrukopenend genoemd. Het probleem van de open- en sluitkrachten kan grotendeels opgevangen worden met de uitvoering, waarbij de klep ontlast wordt, 0.a. de dubbelzittingklep (zie afb. 4). De klep voorzien van luchtmotor met een drukveer en te openen door druk onder het membraan aan te brengen, wordt een klepmotor genoemd met werkingsrichting air to open (ato). De klep met luchtmotor met een trelcveer en te sluiten door dmlc op het membraan aan te brengen, wordt een klepmotor genoemd met werkingsrichting air to close (atc). Bij wegvallen van luchtdruk zal de regelklep afhankelijk van de werkingsrichting van de gekozen luchtmotor sluiten of openen. Deze eigenschap wordt
gebruikt om bij uitval van de hulpenergie een voor het proces veilige stand te bereiken. Dit soort kleppen kunnen geleverd worden met veel soorten van kleplichamen: de paraboolklep, de platte klep en de V-poort. Met deze poortvormen kunnen diverse klepkarakteristieken (klepverplaatsing versus doorstromende hoeveelheid) gerealiseerd worden [6]. Naast dit type klep is veel voorkomend de vlinderklep. De klep is een schotel welke door middel van hoekverdraaiing de doortocht van de leiding kan varieren en daarmee oolc de doorstromende hoeveelheid. De vlinderklep wordt aangedreven d.m.v. een hefboom en cylinder (zie afb. 4), een draaicylinder of een worm en wormwieloverbrenging. De laatste jaren wordt de kooiklep steeds weer toegepast. Daarnaast zijn nieuwere typen op de markt gekomen als schotelklep (Camflex), kogelkleppen (V-ball) en voor vlinderkleppen: Fishtail, Epic en Minitorque (Maisoneilan). 3.5.2. Klepstandsteller De pakkingbus welke nodig is voor de afdichting van de procesvloeistof langs de klepsteel of draaias, veroorzaakt wrijvings-
krachten welke tot hoge waarden kunnen oplopen. Hiernaast zijn er krachten, die het gevolg zijn van het drukverschil over de klep en de stroming door de klep. Als deze krachten hinderlijk zijn bij het gebruik van de klep wordt een klepstandsteller toegepast. Dit is een extra regelkring welke dient om de pneumatische klep nog eens extra te bekrachtigen. De stand van de klepsteel wordt via een arm of een ander overbrengmechanisme met de verplaatsing van een balg t.g.v. de binnenkomen stuurdruk pi, vergeleken, waarbij dit verschil de stuurdruk voor de klep zelf belnvloedt d.m.v. een vaan-tuit systeem. Met e k e stuurdruk correspondeert een vaste stand van de klep. Door deze klepstandsteller wordt een grote bekrachtiging verkregen, een grotere nauwkeurigheid en een hogere snelheid. (Zie afb. 4). 3.5.3. De klepkarakteristiek Bij de pneumatische klep is de klepstand (stand van de klepsteel en het kleplichaam t.0.v. de klepzitting) evenredig met de stuurdruk. Het verloop van de doorlaatopening in de klep met de klepstand en daarmee het
verloop van de doorstromende hoeveelheid F bij constant drukverschil over de klep kan nog vrij gekozen worden. Het verband tussen de relatieve klepstand x (0 is gesloten en 1 is vol open) en de relatieve hoeveelheid F in grafische vorm wordt de klep-
-r
mas.
karakteristiek genoemd. Een aantal klepkarakteristieken is gegeven in afb. 5. De doorstromende hoeveelheid is een functie van de lichthoogte F = f (x). G. Voor een Hneaire klep is F = C1 x Voor een exponenfiele (logaritmische) klep is F = C3 eC4 . x C5. Bij elk van deze types bestaat de moeilijkheid, dat in het laagste deel van het bereik geen regelwerking meer aanwezig is. Een regelklep kan men dan meestal ook niet als afsluiter gebruiken en moet liefst door handafsluiters worden voorafgegaan en gevolgd. Het effectieve bereik wordt uitgedrukt in het begrip 'rangeability', dat is de verhouding tussen de maximale en minimale regelbare hoeveelheid; deze bedraagt voor een goede klep ongeveer 50.
+
+
3.5.4. Klepberekening [1] De groo'mevan 'de regelklep wordt opgegeven door zijn k,-waarde, dat is het aantal m3/h water dat door de geheel geopende klep stroomt bij een drukverschil over de klep van 1 bar. In de Engelse literatuur wordt gewerkt met de C,-waarde, dat is het aantal US-gallons water dat per rninuut door een klep stroomt bij een drukverschil over de klep van 1 pound per vierkante inch. Voor de klepberekening met een variabele opening en variabele verschildruk geldt de vergelijking van de hoeveelheid:
Afb. 6 - Tratis~~issie sysfeenl.
Alleen als de gewenste k,-waarde kleiner is dan 40 % van de k-waarde behorende bij de diameter van de leiding, dan wordt op een kleiner klephuis overgegaan. Nadat de werkelijke pijpsituatie bekend is (bijv. aan de hand van een model of van pijptekeningen) en nadat de pompkarakteristieken zijn ontvangen, zal in de meeste PV F = k , , . ~ .I/gevallen herberekening noodzakelijk zijn om na noodzakelijke wijzigingen in het P waarin: totale ontwerp de uitgangsgegevens te k, = de evenredigheidsfactor controleren. = de relatieve klepverplaatsing x De berekende maten van regelkleppen die O<x
Wameer de doortocht van de klep vergtoot wordt, neemt de stroom toe. Het drukverlies over de leiding stijgt dan kwadratisch zodat de stroom minder toeneemt dan volgens de klepkarakteristiek en klepstand verwacht wordt (zie druk-hoeveelheidskarakteristiek van pomp en leidingsysteem in afb. 5). Dit houdt in dat de regelklep en het leidingsysteem voor alternatieven enige malen doorgerekend moeten worden en het gekozen alternatief op de gewenste variaties, nodig voor het opvangen van storingen, getoetst moet worden. Voor berekeningsformules en klepkeuze wordt verwezen naar de uitgebreide literatuur hierover [7,8,9]. 4.
Specificatie van de meet- en regeltechnische installatie
4.1. Opstelling van de instrumenten Bij de opzet van de meet- en regeltechnische installatie gelden dezelfde randvoorwaarden als voor de specificatie van de apparatuur. Hiernaast zullen in sterke mate de onderhoudsaspecten in aanmerking moeten worden genomen. De apparatuur in de fabriek moet zodanig worden opgesteld, dat de omgeving van het instrument, bijv. proceslekkage of schoonmaken van procesapparatuur, geen extra onderhoud oplevert.
Het instrument moet gemakkelijk bereikbaar zijn voor storingzoeken, preventief onderhoud en eventueel vervanging. Ook het signaalsysteem moet zodanig zijn opgebouwd, dat uitvoeren van controles, storingzoeken en eventueel wijzigen of aanvullen van de installatie gemakkelijk mogelijk is. Het ontwerp voorziet in een plotplan voor de opstelling van instrumenten met trac8's van kabelbanen, zodat de situatie van de instrumenten en de signaalleidingen ten opzichte van het proces en de gebouwen komt vast te liggen. Afhankelijk van de omgeving worden instrumenten in een aparte behuizing ondergebracht; een instrumentenkast of een afzonderlijke meetruimte. Paneelinstrumenten vragen geen speciale voorzieningen. Enkele fabrikanten bijv. Foxboro leveren met hun paneelinstrumenten een essentieel deel van de bedrading mee. Dit leidt tot verlaging van engineeringsen montagekosten. 4.2. Uitvoering van het transmissiesysteem Een signaal moet vanaf het meetpunt aan het proces, bijv. verschildruk over een filter, worden overgebracht naar een centrale bedieningskamer, waar de regelaar is ondergebracht en vervolgens weer terug naar het corrigerend orgaan in het proces. Tegenwoofdig wordt er naar gestreefd loltaal zoveel mogelijk signalen tezamen te brengen en met meeraderige kabels naar de bedieningskamer over te brengen (zie afb. 6). Deze opbouw geldt zowel voor pneumatische als elektrische systemen. In de centrale bddieningskamer wofden deze signalen overgebracht naar het meetpaneel voor aanwijzing, regeling en/of registratie. Het uitgaande signaal gaat via de rangeerverdeler terug naar het corrigerend orgaan aan het proces. Deze wijze van opbouw maakt een gemakkelijke en goedkope montage mogelijk en laat zowel rond het proces als in de bedieningsruirnte vrijheid van keuze open. Deze wijze van opzet vraagt een consequente nummering van de signaaladers en het bijhouden van lijsten van verbindingskasten en rangeerveidelers met het oog op storingzoeken en aanbrengen van wijzigingen. Deze montagewijze wordt per regelkring of meetsysteem vastgelegd op een tekening, hook-up. Een voorbeeld hiervan is opgenomen als afb. 7.
4.3. Uitvoering van het systeem voor procesbewaking Naast het systeem van procesregeling is er ook een systeem ontworpen voor het automatisch uitvoeren van acties welke uitgaan van instrumentele gegevens en resulteren in acties, een signaal, signalering, ofwel een
Afb. 7.
signaal met uitvoerende actie, een beveiliging. Tussen de metingen met grenswaardencontacten en de ingrepen in het proces is een logisch verband, dat aan de hand van een voorstudie is vastgelegd. Een voorbeeld is schematisch uitgewerkt in afb. 8. Dit logisch verband wordt uitgevoerd als relaissysteem of in halfgeleiderschakeling. Zowel voor het instrument als voor de relaisschakeling wordt hulpenergie gebruikt. Deze energiebron zal door reserve veilig gesteld moeten worden. Bij instrumenten voor de procesbewaking wordt bij voorkeur gekozen voor mechanisch werkende systemen zonder hulpenergie. Als de hulpenergie onverhoopt toch weg-
valt, wordt als eis gesteld, dat alle beinvloedingen aan het proces de veilige kant uitwerken. Bij de keuze van de instrumenten opgenomen in dit systeem, dient hiermee rekening te worden gehouden. Tevens leidt dit principe tot de opzet van relaissystemen welke in rustfase en veilige werking van het proces zijn aangetrokken en stroomvoerend zijn. Deze instrumenten zijn uitgevoerd volgens het zgn. ruststroomprincipe met gelijkstroomvoeding. Valt de spanning onverhoopt weg, dan wordt de relaisketen verbroken en volgt de actie voor het veiligstellen van het proces. De eisen, die uit het oogmerk van bedrijfszekerheid aan deze systemen gesteld
worden, zijn zeer hoog. Ir. Van Tussenbroek zal op het aspect bedrijfszekerheid in zijn lezing verder ingaan. Verdere punten van belang bij het ontwerp van het systeem van procesbewaking: - Bij een instrumentele beveiligingsketen dient van eigen zenders en/of detectoren en uitvoeringsorganen gebruik gemaakt te worden (d.w.z. gescheiden van de regeling). Ook de procesaansluiting van de zenders dient gescheiden te zijn. - Indien twee uitvoeringsorganen aanwezig zijn (Cbn voor regeling, CCn voor beveiliging), dienen beiden ingeschakeld te worden voor de beveiliging. - Toepassen van een overbruggingsschakeling vOOr overbrugging voor mogelijke produktie bij defect instrument en controle van 'de werking of werkpunt van het instrument in de keten. - Meervoudig uitvoeren van gedeelten van de beveiligingsketen ter verhoging van de bedrijfszekerheid, toepassen van overtalli~heid - 'redundancv'. - Inbouwen van een mogelijkheid tot controle van het systeem. - Toepassen van instrumenten en onderdelen met een 'fail safe' principe. - Beveiligingen mogen niet zelf herstellend ziin. - Er is een eenduidig systeem nodig voor optische signalering, dat eenduidig aangeeft welke abnormale condities zijn en in welke staat van bedrijf het proces is. - Een goede documentatie van de installatie, logische schema's, relais-schema's en bedradingstekeningen. 4.4. Opbouw van het systeem voor hulpenergie Aan de hulpenergie van meet- en regelinstrumenten worden zware eisen gesteld qua bedrijfszekerheid. Enerzijds betreft dit de wens om zo betrouwbaar mogelijke informatie te verkrijgen en anderzijds dat bij onverhoopte uittral van deze hulpenergie het proces zo wordt veilig gesteld, dat geen mensenlevens gevaar lopen, geen materiele schade ontstaat en zo min mogelijk proceswanorde wordt veroorzaakt. Daar waar zeer hoge eisen aan de bedrijfszekerheid worden gesteld, wordt voorzien in een staande reserve of locale extra voorziening. Met name voor computersystemen wordt een zekersteling van de elektrische voeding noodzakelijk geacht evenals voor de voeding van het systeem van procesbewaking. 4.4.1. Pneumatische hulpenergie De lucht welke dient voor het veiligstellen van de werking van meet- en regelapparatuur moet aan hoge eisen voldoen, opdat
van een reserve-compressorof het aansluiten van een buffer noodzakelijk. Het leidingnet kan het beste als een systeem van ringleidingen worden opgezet met zodanige plaatsing van afsluiters dat ten behoeve van reparaties of wijzigingen een deel van het net uit bedrijf genomen kan worden. Zie afb. 9. 4.4.2. Elektrische hulpenergie Het is gebruikelijk de instrumenten met elektrische hulpenergie gestekkerd uit te voeren en elk instrument of kleine groep van instrumenten afzonderlijk te zekeren. Het wisselspanningsnet 220 V of een daarvan afgeleide spanning bijv. 24 V dc aangesloten op het bedrijfsenergienet, I is zonder extra maatregel meestal vervuild 8 - ,'j'c,,enla voor p r o c e s ~ e ~ ~ a ~ i n a ~ met storingen, spanningspieken en spanningsonderbreking. Een aantal gangbare de instrumenten met kleine nozzles niet instrumenten kan dit niet verdragen. verstoppen, de instrumenten niet vervuilen Vanwege bedrijfszekerheid van apparatuur of corroderen. die deel uitmaakt van het systeem van De belangrijkste eisen zijn: procesbewaking, zal het nodig zijn energie- de lucht moet droog zijn, partiele druk uitval gedurende korte tijd bijv. 250 msec van waterdamp moet kleiier-zijn dan of langere tijd 15 min. te kunnen over1 mbar (0,001 kgf/cm2) absoluut; bruggen. Ook zal men rekening moeten houden met energie-uitvalin welk geval - olievrij zijn; -het gehalte aan deeltjes vaste stof in regel- men veilig uit bedrijf moet kunnen gaan. Voorzieningen [l 11: en olievrij) mag niet grotel l~cht dan 0,l mgr per kg lucht; a. Gelijkstroom. De korte tijd van bijv. 250 msec kan meestal opgevangen worden -de lucht mag geen mefkbare hoeveelmet een tij'dvertragende schakeling. Om heden van een vreemde stof bevatten; de langere tijd te overbruggen is een - alle afnemers moeten over de vereiste accubatterij tussen te schakelen, die nordruk kunnen beschikken; voor de meeste maal wordt gebufferd door de voedings1,s atm, en apparaten is nodig 21 psi eenheid. Valt de netspanning weg, dan voor voldoende verstelkrachten aan de neemt de accu stootloos de energieorganen is 3 atm wenselijk; voorziening over. - het instrumentenluchtnet mag onder b. Wisselstroom. geen beding een directe verbinding hebben met enig ander leidingnet. 1. Een uit elektronische schakelingen opgeHet voedingssysteem bevat een filter, bouwde gelijkstroom-wisselstroom-omvorcompressor en droger. Voor de zekermer gevoed uit een accu, die weer via een stelling van de hulpenergie is het opstellen gelijkrichter gevoed wordt (vermogen tot ca. 5 kW). A f b . 9 - Pneurnatische hulpenergie. 2. Een generator, permanent gedreven vanuit een accu, die weer continu geladen wordt via een gelijkrichter (tot ca. 10 kW).
Lib.
4.5. Zndeling van de centrale bedieningskamer en het meetpaneel [5] De centrale bedieningskamer wordt in nieuwe ver geautomatiseerde fabrieken tevens ingericht als verblijfsruimte van de bedieningsvaklieden. In deze ruimtes zijn alle belangrijke meeten regelinstrumenten en signaleringen van de betreffende fabrieken ondergebracht. In het paneel worden de instrumenten meestal opgesteld in volgorde van de procesafloop. De informatie uit het beveiligingssysteem over de staat van de abnormale condities in het proces wordt weer-
1. Cool, ir. J. C., Schijf, ir. F. J., en Viersma, dr. ir. T. J., Regeltechniek, uitgave 1969 AGON Elsevier, Amsterdam/Brussel. 2. Reinert, W.. Dortmund: Instrumentierung verfahrenvtechnische ~nlageneine Kritische Betrachtung; uit Reglungstechnische Praxis Heft 9, 1974, p. 222 t/m 229. 3. WeyermuUer, Gordon H., Pneumatische Regelsystemen haben Schliisselstellung in den Verfahenstechnik. Uebersetzt von der Oktober 1973 Ausgabe von Chemical Processing von Scanivalve Inc., P.O. Box 2005, San Diego, Cal 92120 USA. 4. Shiikey, Greg., Pneumatic Transmission how far con you go?; Instruments and Control Systems. june 1974, p. 83. 5. Grinten, dr. ir. P. N. E. M. van der; Regeltechniek en automatisenng in de procesindustrie; Prisma Technica nr. 9 uitg. 1968. 6. Kleij, ir. C. C. van der, Regelkleppen. Lummus Nederland NV, 's-Gravenhage. De Ingenieur pag. 74, no. 30, 27 juli 1962 blz. Ch. 63 t/m 73. 7. Bruin, D. de, De plaats van de instrumentatie in de organisatie van een project; publicatie Leergang 'Het Instrument 1969' over het ontwerpen en bouwen van installaties voor automatisering in de procesindustrie. 8. Maris, ir. N. C., 's-Gravenhage, The choice of control valve with respect to its static gain; De Ingenieur jrg. 80 nr. 32, 9 aug. 1968; p. 103 t/m 108. 9. Cool, ir. J. C., TH Delft, De optimale regelklep is bepaald door de toelaatbare versterkingsverandering; De Ingenieur jrg. 82 nr. 51; 18 december 1970. 10. Samal, E., Durchflussreglung. Wahl der zweckmiissigsten Kenlinienfonn des Stellventils; Reglungstechnische Praxis und Prozess-Rechentechnik, Heft 4, 1970, p. 132 t/m 141. 11. Russen Groen, ir. W. R. van; Systeemanalyse; publicatie Leergang 'Het Instrument 1969' zie nr. 7.
een aantal compromissen gesloten hebben t.a.v. andere belangen. Een goede besturings- en regelinstallatie komt alleen tot stand, indien vanaf het allereerste begin reeds rekening met de eisen gehouden wordt, welke de regelingen en besturingen stellen. Hieruit mag men overigens niet afleiden, dat voor een besturingsinstalatie alle andere belangen moeten wijken. We1 is het zo, dat de andere disciplines er van doordrongen moeten zijn, dat besturing en'inzonderheiti automatische regeling specifieke eisen stelt. De technicus, die de belangen van de sturing en regeling behartigt zal zijn eisen en argumenten moeten toelichten en anderen er toe moeten brengen mee te denken. Anderzijds legt dit de verplichting op aan de regeltechnicus zich te verplaatsen en mee te denken in de problemen van anderen en zich bewust te zijn welke beperkingen en mogelijkheden men daar heeft. De stuur-, regel- en elektrotechniek moeten ontdaan worden van het image zwarte kunst te zijn en de daaruit voortvloeiende opvatting dat het een soort Haarlernmerolie is. Uitgaande van deze mentaliteit lcan in een bouwteam een optimale oplossing gevonden worden, waarbij alle diciplines elkaars mogelijkheden volledig benutten om voor het geheel tot de meest economische oplossing te komen. De praktijk heeft reeds bewezen, dat indien men wat meer in een regelinstallatie investeert, dit soms tot aanzienlijke besparing in bouwvolume kan leiden. We1 moet uitdrukkelijk gesteld worden, dat bij een te laat in het ontwerpteam opnemen van een besturingsdeskundige deze voor problemen komt te staan, welke niet meer of slechts tegen onnodig hoge kosten oplosbaar zijn. Deze problemen kunnen optreden bij een te ver gevorderde bouw of levering van apparatuur op het moment dat de besturings- en regeltechnici ingeschakeld worden. De sturings- en regelinstallaties zullen vaak vrij uitgebreide vertakkingen door bet gehele bedrijf vertonen. Te denken valt bijv. aan het regelen van alle doseringen aan de hand van een centrale hoeveelheidsmeting in de produktiestroom, of het voorhanden zijn van een centraal lcetelhuis, gekoppeld met warmte terugwinning van motoren. In zulke gevallen moet men vroegtijdig een leverancier voor deze installatie selecteren. Dit dient te geschieden aan de hand van een marktonderzoek, waarbij de facetten: kostprijs der componenten; samenvoegbaarheid; bouwvolume; toegepaste technieken en volledigheid der diverse programma's de revue moeten passeren. Zeer belangrijk is de inzet van de begeleidende equipe aan de zijde van de toekom-
stige leverancier, en dens invloed in de organisatie welke zij vertegenwoordigt. Ook dienen opgedane ervaringen in het verleden een rol mee te spelen. Ervaringen bij buitenlandse waterleidingbedrijven met geregelde installaties zijn slecht te krijgen. Men zal zich moeten wapenen tegen de zogenaamde harde comrnercie, welke leert, dat alleen de prijs belangrijk is, en de moeilijkheden later niet tellen, mede ingegeven door de wetenschap, dat men vaak de specificaties toch niet meer nameet, de leveringsvoorwaardeneen teruggave van de materialen uitsluiten en vervangende apparatuur toch niet sue1 te verkrijgen is. Aan de hand van de hier bovengenoemde uitgangspunten kan men een raam-overeenkomst afsluiten, waarbij de aantallen van een bepaald onderdeel later geprecisieerd worden. Een laatste belangrijk argument voor een zodanige handelwijze is, dat de installatiedelen wrijvingsloos moeten samenwerken, wat bereikt kan worden door de verantwoordelijkheid zoveel mogelijk ongedeeld te leggen. Dit eist van opdrachtgever en leverancier we1 een bepaalde instelling. Maar bij een omvangrijke, vertakte installatie is het niet mogelijk om zonder begeleiding van ingewijden in een systeem een optimaal ontwerp te maken. Het uitvoeren van een ingreep in het proces vereist verstelenergie. Als energiebronnen kunnen in aanmerking komen: a. spierkracht; b. druklucht (pneumatiek); c. onder druk gebrachte vloeistof (hydrauliek); d. elektriciteit. De energiebronnen hebben met elkaar gemeen, dat op een beslissend moment de energie niet aanwezig kan zijn. Dit is een aspekt van bedrijfszekerheid waarop in een volgend artikel nader ingegaan zal worden. Voorts moet vastgesteld worden dat de energiebron spierkracht steeds minder toepassing vindt, veroorzaakt door het groter en gecompliceerder worden van de installaties, waardoor hoger gekwalificeerd personeel aangesteld wordt, echter gering in aantal. Blijven er nog drie energiebronnen over. Hydrauliek heeft in de waterleidingbedrijven nimmer een grote vlucht genomen, daarvoor zijn de verstelkrachten in het algemeen te gering. De pneumatische apparatuur is wijd verbreid. In de aanvang van de mechanisering was het een eenvoudig te beheersen medium,
waarmee eenvoudig rechtlijnige bewegingen te bewerkstelligen waren. In de waterzuivering is hier het open en dicht bewegen van kleppen, afsluiters en schuiven onder te rangschikken. Met de komst van de regeltechniek, waarbij men zich aanvankelijk ook van pneumatische apparatuur bediende, werden aan de bediening van de kleppen hogere eisen gesteld. Een klep moest nu in elke positie tussen volledig open en volledig gesloten gezet kunnen worden. Voorts werd geeist dat deze positie zo vaak als nodig gewijzigd m o a t lcunnen worden. Hiermede doet de zogenaamde klepmotor zijn intrede. De klepmotor is een combinatie van toestellen, bestaande uit een verstelorgaan en een regelaar welke het ontvangen signaal vergelijkt met de ingenomen stand van de klep, en zo nodig het verstelorgaan lucht toevoert om de positie van de klep in overeenstemming met het ontvangen signaal te brengen. Met de komst van de elektronische regelaars werden de regelaars van de klepstand ingericht om een ontvangen elektrisch signaal om te zetten in pneumatische signalen naar het verstelorgaan. Aan de perslucht voor pneumatische meeten regelapparatuur worden hogere eisen gesteld. Zij moet zeer droog zijn en mag geen oliesporen bevatten. Bovendien geeft zo'n persluchtbereidingsinstallatieveel onderhoud. Een storing in de droog- en ontvettingsinstallatiegeeft grote vervuiling in de meet- en regelapparatuur. Het ligt dan ook voor de hand, dat met de voortschrijdende opmars van de elektronica er een streven bestaat de laatste schakel ook te elektrificeren. Deze elektrificatie van de klepmotor stelt andere eisen aan de elelctrische regelaar, daar het continue signaal van het pneumatische systeem vervangen moet worden door signalen welke een elektromotor links of rechtsom doen lopen voor de tijd, nodig om de nieuw gewenste positie te bereiken. Hiermede is de laatste energievorm voor versteldoeleinden aangeroerd. In het kader van deze uiteenzetting voert het te ver om op de klepmotoren verder in te gaan.
II. Uitgevoerde installaties Aan de hand van een rondgang door enkele bedrijven volgen nu voorbeelden van de toepassingen van stuur- en regeltechniek met de problemen welke er bij voorkomen. Allereerst een rondgang over het drinkwaterzuiveringsbedrijf Berenplaat, waarvan het daadwerkelijke ontwerp van de stuuren regelinstallatie eind 1962 aanving. Grote delen van het bedrijf waren op dat moment reeds ontworpen en de bijbehorende installatieleveranties waren onder-
gebracht. Dit heeft hier en daar tot technische conflicten geleid. Het is goed de zes punten uit de ontwerpfase op dit moment te releveren. Ter kennismaking met het bedrijf, eerst een globaal overzicht. Het bedrijf is ingericht om van het ingenomen water uit de Oude Maas volgens een chemische zuiveringsmethode drinkwater te bereiden. Hierin zijn de volgende fasen te onderscheiden: Waterinname, gevolgd door opslag in een spaarbekken: tegenwoordig aanvoer uit de Biesbosch. Aan het eind van de opslag de mogelijkheid direkt rivierwater in te nemen buiten het bekken om. Wateronttrekking door het lagedruk pompstation aan de waterberging. Microzeven. p H Correctie en breekpunt chloring. Toevoeging van verdere hulpstoffen en pH correctie. Flocculatie en vlokverwijdering. Snelfiltratie en nachlorering. Middendrukpompstation, met transport naar de reinwater opslag en/of het hogedruk pompstation. Hogedrukpompstation. De capaciteit van het bedrijf is 14.000 m3 per uur in de zuiveringsinstallatie. Reinwateropslag capaciteit: 2 x 35.000 m3. Transportcapaciteit 30.000 m3/h maximum. Het processchema volgende zullen nu de nodig stuur- en regeltechnische details aan de orde gesteld worden. Inlaat pornpsfafion Deze dient om het rivierwater in het spaarbekken te pompen. Daartoe is het noodzekelijk, dat: a. de kwaliteit van het ingenomen water bewaakt wordt; b. de ingenomen hoeveelheid bekend is;
c, de stand van het water in rivier en bekken bekend is; d. een inrichting bij elk der 5 opgestelde pompen aanwezig is, waarmee de waterstroom onderbrolten kan worden bij uitschakelen van de pomp. De gehele inrichting moet werken bij een hogere en een lagere stand van het ontvangende bekken t.0.v. het leverende bekken. De temperatuur van het ingenomen water wordt niet gemeten. De bovenopgesomde functies zijn als volgt uitgewerkt: a. De kwaliteitscontrole wordt verricht met een geleidbaarheidsmeting. De geleidbaarheid is direkt evenredig met het Cl- getal. Dit laatste is zeer belangrijk, daar bij vloed
de zoutgrens soms tot het inlaatwerk kan oprukken. De geleidbaarheidsmeting is ondergebracht in een doorstroomvat en uitgevoerd als een zogenaamde vierelektroden meting. Hiermee wordt bereikt dat de meting vrij ongevoelig voor vervuiling is. Hier bijzonder van belang, daar het water veel slib bevat. Een probleem vormt bij deze meting de ijlung. Een geleidbaarheidsmeter wordt geijkt, alsof de totale geleidbaarheid veroorzaakt wordt door C6n bepaalde oplossing, stel keukenzout. De noodzakelijke temperatuurcompensatie wordt hiervoor ingericht. Aan de hand van deze meting wordt nagegaan of water van laag genoeg chloridegehalte wordt ingenomen. In de schakelwacht is in de meetketen een grenswaarde alarm opgenomen. Het is hier denkbaar, om volkomen automatisch bij overschrijding van een chloridegehalte het inlaten te onderbreken. b. De ingenomen waterhoeveelheid wordt gemeten per pomp. Uit bedrijfstijd en hoeveelheid per tijdseenheid kan men de ingenomen hoeveelheid berekenen. De meting zelf is uitgevoerd als zogenaamde bochtmeting. Dit is een meting welke berust op het snelheidsverschil tussen binnen- en buitenbocht en het daaruit voortkomende verschil in druk. Dit drukverschil wordt in een meetsignaal omgevormd. Om vervuiling te voorkomen is de meting als een waterpurge meting uitgevoerd. Dit houdt in, dat er een kleine hoeveelheid water op de meetpunten uitstroomt. Deze waterstroom dient steeds konstant te zijn, daar in de meetleidingen anders reeds drukverschillen ontstaan, te wijten aan strorningsweerstanden. Aan dit soort opstellingen kleven bezwaren: 1. De waterpurge geeft snel drukverschillen bij stroomsnelheidsafwijkingen in de meetleidingen (sneller dan bij een luchtpurge). 2. De instelling van de purge luistert nauw, daar bij andere maar overigens aan elkaar gelijke purgestromen a1 verschillen kunnen optreden, welke niet gecompenseerd zijn bij de inregeling. 3. De strorningsregelaars corroderen vrij snel. 4. Bij het schoonmaken treedt veel meetbuisbreuk op, de construktie is lastig te demonteren. 5. De bochtmeting is in de praktijk zeer moeilijk te ijken. Men moet een dergelijke drukverschil- of drukrneetinstallatie bij voorkeur als 4-pijpssysteem resp. 2-pijpssysteemuitvoeren. D.w.z. zolang mogelijk de pure leiding
gescheiden houden van de meetleiding. Dit is ook van toepassing op zeer lange (meer dan 10 m) luchtpurge systemen. De nog te noemen niveau-meting in het bekken blijkt zeer gevoelig te zijn op dit punt. De purge/drukleiding is hier meer dan 100 m lang. c. Voorts wordt de rivierwaterstand gemeten, het leverende reservoir. Dit wordt gedaan met een borrelbuis, gekoppeld met een meetwaarde-omvormer. Eveneens wordt vanuit het inlaatstation de bekkenstand gemeten, het ontvangende reservoir. Ook hier is een borrelbuis gekoppeld met een meetwaarde omvormer toegepast. Als systeem is in het bedrijf aangehouden, dat in elk station, waar bedieningen k ~ ~ n n eplaats n vinden een overzicht van d i C metingen gepresenteerd wordt, waarop de bedieningspersoon zijn beslissingen moet baseren. Voorts wordt in het bedrijf Berenplaat, zodra van een meetwaarde-omvormer sprake is, steeds de gemeten grootheid omgezet in het 0-50 mA = systeem, dat inrniddels achterhaald is. Momenteel is 4-20 mA = een algemeen aanvaarde waarde. d. De per pomp aangebrachte stromingsonderbrekers zijn uitgevoerd als een hevel, welke belucht wordt, zodra de stroming moet stoppen. Daartoe is op de hevel een ontlaste klep geplaatst die door de bijbehorende pomp via diens besturing na verloop van een instelbare tijd na het starten van de pomp gesloten wordt. De meeste lucht is op dat moment uit de hevel gedreven. Bij uitschakelen van de pomp opent de klep direkt. Het ventiel was oorspronkelijk direkt elektrisch bediend met behulp van een vrij grote gelijkspanningshefmagneet. Door de buitenopstelling corrodeerde de spoel spoedig. De kleppen zijn dan ook gepneumatiseerd en luchtsluitend/veeropenend gemaakt, waarbij op het veer/eindschakelaarcompartiment een lichte luchtoverdruk aangebracht is om vocht indringen te voorkomen. Volledigheidshalve dient vermeld te worden dat de pompen van het station vanuit de op ca. 2 km afstand liggende schakelwacht bediend worden. De sturing vindt direkt, dus zonder tussenschakeling van afstandsbedieningsapparatuur, plaats. De bedieningsspanning is 60 V gelijkspanning, met in het pompstation aangebrachte repeteer- annex scheidingsrelais. Bediening ter plaatse is eveneens mogelijk. Bij bediening op afstand dient er rekening mee gehouden te worden, dat van wisselspanning geen gebruik kan worden gemaakt, zodra van enige afstand sprake is. Bij grotere afstanden zal het van de situatie
ongebluste kalk. De opslag van de ongebluste kalk vindt plaats in silo's, welke op drukdozen geplaatst zijn (voorzien van rekstrookjes) voor gewichtsmeting. De ltalk uit de silo wordt gravimetrisch gedoseerd. Dit houdt in, dat een kleine transportband, steeds beladen met een zeker gewicht, de kalk naar de blusinrichting Voortgaande door het bedrijf volgen na de brengt. Deze band wordt in snelheid waterberging de fasen: geregeld om de gewenste dosering te lagedruk pompstation; bereiken. In deze snelheidsregelingis de microzeven; laadgewichtsahvijking van de band venverkt. pH correctie en breekpunt chloring; Voorts bezit de weeginrichting reeds een toevoeging van verdere hulpstoffen en ad. a. Per 2 zeven, zij staan 2 aan 2 in bak- systeem, dat beladingsafwijking corrigeert. nogmaals pH correctie. ken opgesteld, wordt het verschil in water- De kalkhoeveelheid wordt in verhouding niveau voor en na de zeef gemeten. Dit tot de produktie automatisch geregeld. Deze procesfasen zijn alle ondergebracht verschil is aan een maximum waarde De pH waarde corrigeert de regelkring. in CCn gebouw. De bediening geschiedt van gebonden. Voor de meting zijn 2 air purges De hoeveelheid gedoseerde ltalk bestuurt de een bedieningsruimte uit waarin alle commando-, signalerings- en regelapparatuur aangebracht. Op dit paar air purges zijn een bluswatertoevoeging. Dit om enerzijds een drukverschil meetwaarde omvormer, een constante kalkmelkconcentratie te bereiken geplaatst is, welke betrekking op dit aanwijsinstrument en een differentiaaldruk- en voorts om de optimale hoeveelheid bedrijfsgedeelte heeft. water voor het blusproces toe te voegen. Een uitzondering vormen de lagedruk pom- pressostaat aangebracht. De bluswaterregeling stelt weer een compen. Deze worden volledig uit de centrale ad. b. De hoeveelheidsmeting is per zeefplete regelkring voor. De bluswaterstroom wacht gestuurd. Alle doseringsprocessen bak uitgevoerd met een venturie-achtige wordt met een meetflensje gemeten en het welke in dit bedrijfsgedeelte plaatsvinden meetopstelling. Daar er geen mogelijkheid signaal via een meetwaarde omvormer aan worden automatisch in verhouding tot het is op een plaats onder het waterniveaude regelaar toegevoerd. Deze bestuurt op debiet geregeld, zo nodig automatisch zijn beurt weer de regelklep. gecorrigeerd door meetwaarden, welke in de apparatuur op te stellen wordt ook dit drukverschil met air purges gemeten. Bij het kalkdoseersysteem zijn we1 enkele diverse produktiefasen de kwaliteit bewaOok hierop zijn een drukverschilmeetkanttekeningen te maken: ken, bijv. pH, vrijchloor na breekpuntchloring; omzettingsgraa'd van tweewaardig waardeomvormer en een direkt aanwijzend instrument aangesloten. De drukverschil1. De weegband met alles wat daarbij in driewaardig ijzer. aanwijsinstrumenten zijn van een type behoort functioneert Iier tevreden stellend. Deze bedieningsruimte is qua signalering waarbij het huis op een der purges is aanen meetwaarden in de centrale wacht ge2. De watermeting geeft problemen, gesloten. Dit gaf in de aanvang dichtingsdupliceerd om de bedieningsvakman de doordat de aanboringen van de meetflens verproblemen. nodige bewegingsvrijheid voor toezicht in vuilen. Dit probleem treedt ook elders in het uitgestrekte gebouw te geven. het bedrijf op bij dergelijke aansluitingen, Te vermelden valt nog, dat het aanvoeren evenzo bij aanboringen voor drukrneting, Beschouwen wij nu de afzonderlijke proces- kanaal naar de zeven, de persleiding van geen purge zijnde. Bij de opzet van een het voorliggende pompstation, uitgerust is fasen in dit gebouw. dergelijke meting dient men de meetmet een niveaumeting en een hoogwaterHet lagedruk pompstation heeft tot taak leidingen te kunnen doorspoelen en de aanalarm bestaande uit vooralarm en uitschahet water zoveel drukhoogte te geven dat keling van het pompstation. Deze meting is boringen te kunnen doorsteken. Het verhet verder onder natuurlijk verval het aangesloten op de referentie purge van CCn dient daarom aanbeveling een zgn. 5 kragehele reinigingsproces kan doorlopen. nenblok te plaatsen bij een drukverschilder hoeveelheidsmetingen. In dit pompstation wordt nog eens de meetwaardeomvormer, waarmee nulstellen Opmerkelijk is te vermelden, dat de zeven geleidbaarheid gemeten, men kan irnmers van de meetwaarde en doorspoelen mogealle door overstorten beschermd zijn tegen ook buiten het spaarbekken om direkt te hoge verschildruk en in geval het algehele lijk is. rivierwater innemen. zeefsysteem verstopt raakt, het toevoerVoorts zijn de peilen van zuigkanaal en 3. Het apparaat werkt steeds rond 10 % van perskanaal zichtbaar. De opbrengst van het kanaal tenslotte kan overlopen naar het zijn nominaal vermogen, omdat de capacibenedenstrooms van de zeven liggende pompstation is in trappen regelbaar. teit bepaald was naar de grootst mogelijke Achter de pompen beviaden zich terugslag- afvoerkanaal. chloorgift, welke zou optreden bij direkte Refererend aan hetgeen eerder over de kleppen. Verder zijn handbediende persverwerking van rivierwater. toepassing van spierkracht voor bediening en zuigafsluiters aanwezig, die normaal 4. De regeling op pH was niet eenvoudig, van kleppen is gezegd, is het opmerkelijk, altijd open staan. daar de reactiesnelheid van kalkmelk vrij dat hier alle schuiven na 1970 van elekHet station wordt meestal vanuit de laag en sterk temperatuurgevoelig is. trische aandrijvingen zijn voorzien. centrale wacht geschakeld, dus op afstand. Het pH meetpunt moet derhalve ver weg De volgende fase in de produktiegang is Bij dit pompstation wreekt zich de trapsbenedenstrooms gelegd worden, wat een te een kalkdoseerinstallatie, gevolgd door de gewijze regeling. De produktie kan niet fijn lange dode tijd geeft, of wat hetzelfde is breekpuntchloring. geregeld worden en een produktiewijziging Deze kalkdosering ,client om de pH-waarde te de uitwerking van een regelingreep op het plant zich stootsgewijze door het bedrijf proces te laat terugmeldt. De oorspronkelijk corrigeren welke verlaagd wordt door de voort, wat in het proces toch bezwaren toegepaste elektronenbuizen apparatuur breekpuntchloring. geeft. is vervangen door meetversterkers met De kalk welke hier gedoseerd wordt als Men heeft om fijn te kunnen instellen CCn kalkmelk is bereid in een blusinstallatie uit halfgeleiderbouwelementen. der persafsluiters van een elektrische
afhangen of men afstandbedieningsapparatuur of direkte sturing toepast. Een afstandbedieningsapparaat maakt het mogelijk vele commando's via een minimum aan verbindingen (1 aderpaar) over te brengen.
aandrijving voorzien. Men stelt nu door smoren de produktie in. Dit geeft enig energieverlies. Na het pompstation doorloopt het water eerst de rnicrozeven. Opgave voor deze zeven is de venvijdering van algen. De zeven hebben twee criteria welke bewaakt moeten worden: a. De weerstand van de zeef; b. het gelijk verdelen van produktie over de 12 aanwezige zeven.
Breelcpuntchlo~ing Deze bestaat uit het oplossen van chloorgas in een deelstroom water, die vervolgens in de hoofdstroom wordt gevoerd. Het chloorgas wordt in de zgn. chloortoestellen gemeten en geregeld. De toestellen ontvangen het chloorgas uit een vloeibaar chlooropslag via een verdamper en drukreduceerinrichting. Deze fasen zullen nu nader belicht worden, te beginnen bij de chlooropslag. Deze bestaat uit 4 tanks, e k e tank geplaatst op drukdozen. Op elke tank is een drukmeetwaarde omvormer geplaatst. Deze traden in de plaats voor manometers waarop een meetwaardegever aangebracht was. De manometers bleken niet tegen het C12 bestand. Een belangrijk punt is voor de gehele Cls installatie, dat bij werkzaamheden eraan een ijzeren discipline in acht wordt genomen. Buiten veiligheidsmaatregelen dient men alle leidingen terstond tegen bimendringend vocht te beschermen bij demontages. Alle te plaatsen apparatuur dient volkomen vochtvrij te zijn. Apparatuur mag nooit geopend achter gelaten worden in ruimten waar Cla gas kan hangen. Op de verdamperinstallatie is geen stuuren regelapparatuur geplaatst. Dan volgt de drukredi~ceerinstallatie,gevolgd door de diverse chloorgas hoeveelheidsmeet- en regelstations. Vervolgens komt de chloorgasdruk reduceertrap. Deze bestaat uit een regelafsluiter met daar omheen de nodige pneumatische meet- en regelapparatuur om de gasdruk na de klep konstant te houden. Oorspronkelijk was de pneumatische regelaar niet uitgerust met een zgn. handstation. De regelklep was dus niet buiten de regelaar om te bedienen, wat bijzonder lastig zijn kan. Ook was de regelklep met een klepmotor zonder klepstandteller uitgerust. Voorts is in het systeem nog een snelsluitventiel opgenomen na de reduceerklep. Dit snelsluitventiel sluit bij te hoge druk. I n de geschetste uitvoering was het niet eenvoudig om het geheel in bedrijf te nemen, nadat een snelsluitventiel aangesproken had. De regelklep was na sluiten van dit ventiel dicht gestuurd. Bij heropenen wordt een drukloos leidingsysteem bijgeschakeld, wat op de regelkring een stootsgewijs verlopend signaal gaf. Daar de regelkring niet optimaal was ontworpen kwam het voor, dat het snelsluitventiel prompt weer sloot. Men moest herhaalde malen ontgrendelen. Naderhand zijn klepstandstellers en handbedieningsstations in het systeem opgenomen. D e na de reductietrap volgende chloorgashoeveelheid meet- en regelstations, kortweg chloortoestellen genoemd, zijn elk uitgerust
met een serie reduceerstations, een regelklep en hoeveelheidsmeetinrichting. Reduceerstations, en regelklep met klepmotor zonder klepstandsteller gaven niet veel problemen. We1 de hoeveelheidsmeter, welke eerst gevormd werd door de lichthoogte van een grote schotelvormige klep. Deze lichthoogte was niet betrouwbaar. Daarvoor in de plaats is een gewone rotameter en signaalzender geplaatst. Dit voldoet goed. D e behuizing van de signaalzender is we1 onder lichte overdruk gebracht met instrumentenlucht om het binnendringen van Cla gas te voorkomen. ECn probleem is nog vermeldenswaard, nl. het chloorgas regelventiel is zodanig opgebouwd, dat zodra een bepaald membraan kapot gaat, er chloorgas in de bedieningsluchtruimte kan komen en zo in het regelsysteem; een niet volledig veilige situatie. De chloordosering wordt in verhouding met de produktie geregeld. Er is ruimte gelaten, om op vrij chloorgehalte na het verstrijken van de contacttijd te corrigeren. Hiervoor is nu eerst geschikte apparatuur aan de markt om deze hoeveelheid chloor bedrijfsmatig voldoende storingvrij te meten. Proefapparatuur, metende C12 op methyloranje basis en op orthotoledyne basis heeft met succes een proefperiode doorstaan. Het chloor wordt ook gebruikt voor het omzetten van het tweewaardig ijzer in driewaardig ijzer. Deze chloortoestellen zijn identiek met die voor de breekpuntchloring. Zij worden automatisch geregeld aan de hand van de hoeveelheid ferrosulfaat welke toegevoegd wordt. Een automatische correctie op de toevoer, gestuurd door de omzettingsgraad ferro in ferri, een redox potentiaalmeting, wordt reeds jaren met goed resultaat toegepast. Een laatste probleem was ook hier, dat de chloortoestellen te grote capaciteit bezaten, om bij lage chloorgift, gepaard gaande aan lage produktie behoorlijk te functioneren. De meetbuizen in de toestellen zijn dan ook gewijzigd. Hierboven werd a1 even de omzetting van ijzer aangetipt. D e ijzergift wordt ook automatisch in verhouding tot het debiet geregeld. Deze dosering is de eerste van de verdere toevoeging van hulpstoffen en de daarbij behorende p H correctie. V66r de ijzerdosering zijn enkele regelkleppen en magnetische doorstromingsmeters geplaatst. D e regelkleppen zijn verplaatst, daar zij eerst hangend gemonteerd waren, waarbij lekkage door de pakKingbus de klepmotor venvoestte. Aanvankelijk traden met de regelklep materiaalproblemen op. Hasteloy C werd door Ferrosulfaat weggevreten. Kunststof voldoet wel.
Een bemerking bij de magnetische doorstromingsmeters: Hier is direkt een ijking uitgevoerd door tijdelijk watermeters in serie op te nemen. Het bleek nuttig te zijn en het offer van een watermeter waard. Tenslotte volgt nog een tweede dosering van kalk, alsmede een dosering van een coagulatie hulpmiddel en van aktieve kool. Deze giften worden alle in verhouding tot de produktie geregeld en zijn in uitvoering nagenoeg gelijk aan de reeds beschreven kalkdosering. Zij het, dat vanaf de ijzerdosering geen overgedemensioneerde installaties voorkwamen. Rest nog te verklaren waar het signaal gewomen wordt, dat de produktiehoogte aangeeft. Dit komt van een betonnen venturie, die in elk der kanalen is gebouwd. De aanboringen van de venturies zijn aangesloten op doorzichtige standpijpen, waarin de air purges voor de drukverschilmeting zijn aangebracht. Per venturie zijn 2 drukverschilzenders aangebracht welke elk een deel van de meet- en regelapparatuur voeden. Bovendien kan het drukverschi! visueel waargenomen worden in de standpijpen. De in het werk gestorte venturies zijn in de aanvang geijkt door het Waterloopkundig Laboratorium met behulp van een verdunningsmeting. Na de toevoeging van alle hulpstoffen volgt de reiniging van het water in het filtergebouw. In dit gebouw zijn gecombineerde flocculatie/sedimentatie bekkens (80 stuks) ondergebracht, de vlokkenfilters. Daarachter zijn de snelfilters geschakeld. Onder de snelfilters liggen de bufferkelders, waarin een nachlorering plaatsvindt. Vanuit deze kelders wordt door het M D pompstation het water uit het zuiveringsproces opgepompt en naar de reinwateropslag en/of de distributie pompen gevoerd. Voor de vlokkenfilters treffen we eerst een p H meting aan voor de zuurgraadcorrectie door de 2e kalkgift. Deze is ook later hier geplaatst om in het gebied te zijn waar de reactie beeindigd is. De verdeling van het water door het gebouw en over de filters gebeurt met behulp van overstorten. Alle overstorten zijn ingemeten. Bij de vlokkenfilters vallen alleen de programmabestuurde slibafvoeren te vermelden. Van dit programma zijn in de wacht de pulsduur en pulspauze onafhankelijk te verstellen. Naar aanleiding van problemen op het bestaande bedrijf Honingerdijk werd er bij het ontwerp op gestaan, dat bij energieuitval de afvoeren ooenden. Dit levert echter problemen op voor de afvalwaterberging zodat alle moeite gedaan is altijd lucht en spanning te hebben op deze installaties.
2. De filterbakken raakten in resonantie, wat op zich niet erg was, maar een nodeloos klepverstellen gaf. Hiertoe zijn in de uitgaande leidingen van de niveaugevers extra volumina en smoringen aangebracht.
Een regelaar, toegesneden op het sturen van elektrische klepmotoren, verstelt van B6n der in bedrijf zijnde pompdiesels automatisch de toerenverstelrnotor, te vergelijken met het rninder of meer intrappen van het gaspedaal bij een auto met dieselmotor. Na de snelfilters vindt een chloorgift plaats. Voor een goed begrip moge dienen, dat deze regelaar op elke dieselmotor, hoe De opzet van de installatie is analoog aan klein ook altijd a1 aanwezig is voor toerendie van het doseringsgebouw en vertoonde regeling. Vermeld dient nog te worden, dezelfde problemen. Na deze dat de niet geregelde pompen bijgesteld chloorgift volgt een totaalchloor meting worden door het bedieningspersoneel; volgens een colorirnetrische methode. benevens verzorgen zij het bij- en afHet apparaat is alleen geschikt voor geheel schoon water. Zwevende stof beinvlor?dt de schakelen. Op de dieselmotoren, ook die der generatoren - het bedrijf heeft eigen meting. Het ziet er naar uit, dat deze stroomopwekking -, is warrnteterugwinapparatuur vervangen zal gaan worden ning uit het koelwater toegepast. Deze door de reeds aangehaalde nieuwe chloorwordt gebruikt voor verwarming van het meetapparatuur. gehele bedrijf. De warmtetekorten levert Het filtraat wordt door het middendrukpompstation naar de reinwateropslag enlof een ketelinstallatie. Het overschakelen van afvalwarmte op bijwarmen gaf regeltechhogedrukpompstation (distributiepompnische problemen. Deze zijn naderhand pas station) gebracht. opgelost, door het inzetten van procesDe regeling van het pompstation is zo regelapparatuur en een aangepaste volguitgevoerd, dat in eerste instantie de verpompte hoeveelheid water niet beinvloed orde schakeling. wordt door wisselende opvoerhoogten. Bij dit bedrijf is ervaring opgedaan, dat De regeling die daar voor zorgt, krijgt zijn leveranciers van werktuigkundige installaties hoeveelheid te verpompen water gecomde regelproblematiek onderschatten, daarbij mandeerd door het niveau van de kelders door de diverse leveranciers van meet- en onder de snelfilters. Indien de regeling regelapparatuur soms niet goed voorgelicht uitgeregeld is, wordt in stappen van ca. worden, of zelf deze leveranciers niet vol1000 m3/h pompcapaciteit bij- of afgescha- doende met de problematiek van de instalkeld. Hiertoe is het pompstation uitgerust latie op de hoogte brengen. Voorts, dat met pompen van 1000, 2000 en 4000 m3/h. hen het overzicht ontbreekt op de totale EBn der pompen van 4000 m3/h regelt. installatie. Een probleem uit de verwarDe pompen van 4000 m3/h worden alle mingsinstallatie wil ik in dit verband nog door een sleepring anker motor aangedreaanhalen. ven, welke motor in de rotorketen geregeld Het kwam voor, dat bij vorst in een ruimte kan worden. toch zo weinig warmte gevraagd werd, dat Dit geschiedt door een waterweerstand, de warmtewisselaar in het begin alleen maar welke door een servomotor versteld wordt. iets warm werd en er zeer weinig relatief Problemen bij dit pompstation deden en heet water werd aangevoerd. doen zich voor bij de meting van de Het gevolg was, dat aan het retoureind de opbrengst. Deze is uitgevoerd als stuwzaak kapot vroor. Dit is bij volgende drukmeting op de kop van de terugslagklep installaties verbeterd door te streven naar bij elke pomp. Hier is echter onvoldoende constante volledige circulatie van dat rechte voorlengte. water in de warmtewisselaar met aparte In de gewonnen meetwaarden treden sterke pomp, aan welke kringloop de nodige schommelingen op. De signalen worden warmte wordt toegevoerd. opgeteld. De sigaaalschommelingen zijn na de sommatie gedempt. Dit brengt met zich, Overgaande naar het bedrijf in de Biesdat het geheel erg traag reageert. Door veel boseh, kan het bedrijfskarakter hier weergegeven worden als een voorraad houdend toebijsturen is hier een werkende regeling leveringsbedrijf van ruwwater. Het is opgetevoorschijn gekomen. Het nu volgende zet met de ervaringen van de Berenplaat in reinwaterreservoir is van niveaumetingen gedachte. Voorts valt op te merken, dat er voorzien. Deze zijn uitgerust met een drijver, welke via kettingen een meetwaarde- maar weinig toeslag stoffen gedoseerd gever aandrijft. worden. Gemeten worden er alle optredende De atmosfeer is voor dit mechanisme te watertransporten, ook die tussen de bekkens. vochtig, ook een spoortje chloordamp Hiervoor worden pitotbuizen gebruikt, In deze regeling traden 2 problemen op: geplaatst in rechte stukken van de leidingen. draagt bij aan de optredende corrosie. 1. De klepstandsteller gaf te veel hysterese. Het hogedrukpompstation, uitgerust met Veel ervaring is er nog niet mee opgedaan, maar voorzichtige waarneming lijkt tot de pompen direkt aangedreven door dieselD e oorspronkelijke weg vergelijkende uitvoering is door een op krachtenbalans motoren, wordt automatisch op druk conclusie te leiden, dat een pitotbuis niet met een airpurge kan werken, daar de ontberustende uitvoering vervangen. geregeld.
De nu volgende snelfilters, 24 in aantal, werken geheel automatisch. Het spoelproces wordt door een besturingsautomaat, uitgevoerd in relais techniek, verricht. De automatiek controleert met intervallen van ca. 20 minuten alle filterweerstanden. Wordt een vuil filter aangetroffen (een te hoge filterweerstand) dan wordt de filterweerstand van de nog te meten filters in de onderhavige cyclus vergeleken met de weerstand van het gedetekteerde filter. Is er nu een hogere weerstand bij een filter, dan komt dit filter in het geheugen en zo verder. Het drukverschil wordt door een meetwaardeomvormer gemeten. Zodra de zoekcyclus beeindigd is volgt de spoeling van het filter met de hoogste weerstand. Dit is een zuivere volgorde schakeling van pneumatisch bediende kleppen, waarbij een elektrisch eindcontact steeds weer de volgende stap vrij geeft. Tusen bepaalde stappen zijn tijdvertragingen opgenomen, bijv. een wachttijd tot het filter leeg is. Zo is er ook een trap waarna de spoeling vrij gegeven wordt. Dit geschiedt door aan de pneumatische spoelwaterregelaar een langzaam stijgende gewenste waarde toe te voeren, die door de spoelwaterstroom wordt gevolgd, zodat deze langzaam aanloopt. Daadwerkelijk wordt door de regelaar een vlinderklep versteld. Op deze vlinderklep is een aandrijving met roterende luchtmotor geplaatst. Het lag in de bedoeling deze motor niet alleen linksom en rechtsom te laten lopen, maar bij kleine afwijkingen ook met een geringere omwentelingssnelheid. De praktijk is die van een aanluit regeling, linksom/rechtsom en stop. De gehele installatie voldoet zeer goed. De gehele spoelcyclus wordt op looptijd gecontroleerd. De bediening kan met behoud van vergrendelingen op een lessenaar op handbediening overgenomen worden. De lessenaar moet met een sleutelschakelaar in dienst worden genomen. Op deze lessenaar bevinden zich ook de bedieningspanelen van de spoelwaterregelaars, welke regelaars de filterniveaus op gelijke hoogte houden. De watertoevoer van de filters vindt plaats via afgestelde overlaten, waardoor een gelijkmatige waterverdeling over alle beschikbare filters is verzekerd. Deze niveauregeling is geheel pneumatisch gehouden en bestaat uit een niveauzender, een regelaar met bedieningsstation en een regelklep in de filtraatafvoer.
snappende luchtbel op de kop van de buis een schokeffect op de lucht teweegbrengt. De controle van het ingenomen water geschiedt zoals op de Berenplaat vermeld is, met toevoeging van een temperatuurmeting. De bekkenstanden worden ultrasonoor gemeten. D.w.z. men meet de tijd, die een uitgezonden geluidsgolf nodig heeft om na reflectie op het wateroppervlakte de ontvanger te bereiken. Speciaal bij dit bedrijf is de bewaking van de waterkwaliteit in de bekkens. Hiervoor wordt over de gehele verticale waterdoorsnede meter voor meter temperatuur en zuurstofgehalte gemeten. Na aanvankelijke moeilijkheden met de temperatuuropnemer, welke zodanig in de sonde was ingebouwd, dat hij slechts zeer langzaam de temperatuur van het omringende water aannam en na stabiliteitsproblemen in de elektronica werken de metingen nu tevredenstellend. Zij het dat er nieuwe moeilijkheden zijn opgetreden met de hijskabel, waaraan de sonde bevestigd werd en die ook de elektrische verbindingen bevat. Momenteel valt nog niet te beoordelen of de juiste kabelconstructie gevonden is. De bedrijfstijd is daarvoor nog te kort. Valt verder nog te vermelden, dat bij CCn sonde last ondervonden wordt van de ontharding die in het onderhavige bekken wordt uitgevoerd. Dit geeft kalkafzetting op een asafdichting en vergt veel onderhoud. Op het bedrijf van de WBB is een computer toegepast voor afstandsbediening, meting en signalering van de stations welke alleen over het water bereikbaar zijn, voor vergrendelingen en in de centrale wacht voor registreren van schakelhandelingen en data logging en als vervolg daarop, verrichten van statistische bewerkingen, bewaken van geregelde grootheden en presenteren van bedrijfsoverzichten op verzoek. De keuze is op een computer gevallen, vanwege het feit, dat hij voor het bewaken van de gegevens nodig was. En om de problemen die altijd optreden bij signaalovergave tussen verschillende appar a t u ~ te ~ rvoorkomen is hierin tegelijk de telemetrie en logica opgenomen. Enkele ervaringen met deze installatie zijn de volgende: Een computer moet eenmaal per half jaar een grote onderhoudsbeurt hebben, dit betekent buiten dienst. Bij een manco in het programma stopt de machine ook. Dit is meestal weer direkt met een herstart goed te maken. Het bovenstaande leert, dat op belangrijlce plaatsen steeds twee machines geplaatst moeten worden. En dat lastig te bereiken machines via hetzelfde verbindingskanaal op afstand bedienbaar moeten zijn. Bij de WBB moet in de centrale wacht
nog een tweede machine geplaatst worden. Destijds is bewust besloten, na diepgaande discussie, voorlopig er CCn te plaatsen. Hiermee is nu ervaring opgedaan. Gezien de ontwikkelingen die inrniddels op computergebied plaatsgevonden hebben is de keus goed geweest. Nu is onlangs besloten het ongemak ondervonden door CCn machine op een vitale plaats op te heffen. De ervaring met elektronika heeft ons nog het volgende geleerd: Een commando uit een computer en verder uit alle elektronica-apparatuur bestaat uit het geleidend worden of isolerend worden van een transistor. Een transistor staat bekend als de beste smeltveiligheid ter wereld. In geval van een klein ongemak overlijdt de transistor en blijft in een geleidende of isolerende positie staan. Daartoe mag ik in overweging geven: Laat een bevel altijd uitgegeven worden door 2 uitgangen onafhankelijk. Deze uitgangen zullen altijd tegengesteld aan elkaar moeten zijn. D.w.2. CCn geleidend en CCn gei'soleerd. De volgrelais, voor scheiding en vermogensversterking geven alleen een commando door als de toestand van de 2 uitgangen gewisseld is .Bovendien is nu een voortdurende controle mogelijk op storing via een tweede contaktenpaar. Een volgende stap moet zijn, dat de elektronica slechts een beval geeft van ca. 1 seconde, zodat op de klassieke wijze een houdcircuit in de besturing voorhanden moet zijn. Dit dient het doel, dat als in het elektronische deel uitschakeling nodig is of spontaan optreedt niet alles stil valt. Voorwaarde is, dat beveiligingen steeds direkt, dus buiten het centrale elektronische deel om moeten werken. Hierop aansluitend is in het kort te vermelden, dat in ChambCry een regionaal waterleidingbedrijf de bediening van alle punten en reservoirs aan het centraliseren is. De besturing geschiedt daar vanuit de centrale wacht door een afstandsbedieningsapparatuur. Aan deze apparatuur is later een computer gekoppeld welke aan de hand van het verwachte afnamepatroon, reservoir standen, momentane afname en tarief van het stroomleveringsbedrijf bepaalt, hoeveel en welke pompen ingezet moeten worden bij de ingang van het nachttarief om om 6 uur in de morgen precies vol te zijn. Voorts wanneer op de dag, tijdens een tarief gunstige periode, wat bijgesuppleerd moet worden. Het energiebedrijf kende daar nl. een zeer ingewikkelde tariefopbouw, met zeer hoge kW tarieven in de spitsuren en navenant hoge op de overige daguren. De computer diende dan ook voor optimalisering van de energie economic. Voorts werd er als
nevenfunctie datalogging mee bedreven. Op de Biesbosch zijn bij de hoeveelheidsmeting in de uitgaande leidingen nogal wat problemen opgetreden. De ingebouwde magnetische doorstronlingsmeters toonden een grote gevoeligheid voor de aarding. Dit treedt speciaal bij de grotere diameters op. Ter oplossing is een verbeterde elektronica ingebouwd, om de stabiliteit te vergroten en nulpuntsverschuivingen te compenseren. Uit andere bedrijven komt ook de ervaring, dat men de gevers van tijd tot tijd moet controleren. Daarom is het wenselijk, om voorzieningen in het bedrijf aan te brengen, teneinde een dergelijke meting te kunnen controleren (ijken) zonder hem te demonteren en naar een ijkplaats te brengen. Bij de meetopstelling is voorts veel hinder van onweer ondervonden. Ontladingen in de buurt van de leiding gaven reeds zodanige overspanningen dat de eindtrap van de meetwaardegever overleed. Het galvanisch scheiden van de versterlcer van de meetleiding bracht hier uitkomst. Het isolatieniveau was 2.000 Volt. Dit leidt nog tot een opmerking. De meetwaarde van een dergelijke gever wil nog we1 eens voor afrekening van geleverde hoeveelheden gebruikt worden. Schalcelt men nu allerhande omzetters tussen, dan gaat de nauwgezetheid van het systeem achteruit. Het is aan te bevelen om een impuls uitgang te kiezen in zo'n geval. Een relais kan dan de scheidingsfunctie overnemen. Daar verdwijnen geen impulsen indien de impuls herhalingsfrequentie goed geltozen is en de teller kan een eenvoudige impulsteller zijn, welke slechts mechanisch betrouwbaar behoeft te werken. Nu nog een kleine blik in de toekomst. Het streven steeds minder spierkracht te gebruiken, leidt er toe, dat afsluiters op vitale plaatsen ook een klepmotor krijgen. Dit zal er meestal een zijn, uitgerust met een electromotor. Inherent hieraan is, dat deze aandrijving bij een defect in de besturing spontaan kan gaan lopen waardoor de klep sluit. Indien dit gevaar kan opleveren dient men geen direkte motoraansluitkabel te hebben, maar deze te laten lopen via een wandcontactdoos/contactstop combinatie, zodat een zichtbare scheiding aanwezig is. Deze contactstop kan men zo nodig signaIeren of in een vergrendeling opnemen. Een handschakelaar voor scheiding acht ik niet sprekend genoeg. Uitgaande van bovenstaande zal op het bedrijf Kralingen voor vele afsluiters tot een hydraulische klepmotor worden overgegaan.
'einde levensduur'. Opgemerkt moet nog worden, dat voor apparaten, typerend voor regel- en stuurtechnieken, dikwijls vervanging nodig is, voordat dit op grond van slijtage vereist is. De snelle ontwikkeling van dit soort apparatuur leidt namelijk tot een eveneens snelle technische veroudering. Na een aantal jaren blijken de voor het onderhoud benodigde onderdelen vaak niet meer leverbaar, evenrnin als komplete identieke apparaten, benodigd voor uitbreidingen. Bij de huidige stand van de techniek kan de normale technische levensduur van de instrumentatie op 5 tot 15 jaar geschat worden, wat een aanmerkelijk kortere periode inhoudt, dan normaal voor het totaal van een drinkwaterbedrijf wordt aangehouden.
- normaal werkgebied; -
uitzonderingstoestanden;
- calamiteiten.
Binnen het normale werkgebied kan zeer goed en bedrijfszeker vergaand geautomatiseerd gewerkt worden. In de zelden voorkomende gevallen van overschrijding van de normale kondities (uitzonderingstoestanden) kan dan op een lager niveau van automatisering worden overgeschakeld, eventueel met inzet van meer personeel. In het geval van calamiteiten tenslotte zal men de normale eisen moeten verlaten en overgaan op minimaal aanvaardbare normen. Bescherming en beveiliging tegen lijfsgevaar blijft natuurlijk ook bij calamiteiten vereist.
Een goede beveiliging moet aan de volgende criteria beantwoorden: - De beveiliging moet selektief zijn, dat wil zeggen alleen het defekte gedeelte wordt uitgeschakeld. - De beveiliging moet zodanig zijn gedimensioneerd, dat de schade beperkt blijft of wordt voorkomen aan de apparatuur. - De beveiliging moet voorkomen, dat gevaar voor lichamelijk letsel ontstaat.
4.1. Selektiviteit en schadebeperking Selektiviteit is reeds lang gebruikelijk in elektriciteitsnetten, waar door middel van een staffeling in de aanspreekwaarden van de beveiliging het beoogde doe1 wordt bereikt. Een zeer ver doorgevoerde beveiliging, bijv. door alles te beschermen, is echter behalve bijzonder kostbaar, evenmin altijd raad2.3. De faktor 'condities' 3. Beinvloedingsfaktoren zaam vanuit het oogpunt van bedrijfsAls laatste komt in de omschrijving van zekerheid. Irnmers de beveiligingen zklf zijn De beperkingen, waaraan de 'bedrijfsbedrijfszekerheid de faktor 'condities' als zekerheid' onderhevig is houden in, dat elk ook potentiele storingsbronnen, die in grote beperking aan de orde. aantallen toegepast de kans op storingen onderdeel, ook het betrouwbaarste, op een Hieronder verstaan we in de eerste plaats uiteindelijk kunnnen vergroten in plaats van willekeurig moment kan uitvallen. de omgevingsconditiesvan de bedrijfsHet is bovendien mogelijk, dat wanneer een verkleinen. Het komt zelfs voor dat, apparatuur, zoals temperatuur, vochtigheid in exceptionele gevallen geheel wordt afgestoring optreedt in een hoog geautomatien aanwezigheid van corrosieve stoffen. zien van beveiligingen van procesdelen. seerd produktieproces geen of weinig Door geschikte maatregelen zoals ventilatie, Dit kan natuurlijk alleen als toch voldoende bedienings- en onderhoudspersoneel aanverwarming en overdruk in schakelkasten bescherming tegen calamiteiten en lichamewezig is. kan de invloed vergaand geelimineerd lijk letsel blijft bestaan en eventueel een Vervanging van defekte onderdelen of worden. Moeilijker is dit voor corrosieve grotere schade dan normaal aan de apparaapparatuur is dus niet altijd snel mogelijk. invloeden, voortvloeidende uit de samentuur wordt geaccepteerd. Desondanks wordt toch geeist, dat de stelling van het 'ruwe water', de invloed Ook komt het voor, dat selektiviteit ongeleverantie van drinkwater in de juiste hiervan is dikwijls pas na enige tijd vast te wenst is, bijv. bij een buisbreuk achter een hoeveelheid, onder de juiste dmk en in stellen en kan tot de keuze van andere pompstation. In dat geval zal juist in plaats de juiste kwaliteit gewaarborgd is. apparatuur leiden. van CBn apparaat een groter geheel moeten Om dit te bereiken zijn een aantal voorzieworden uitgeschakeld. nodig, die als volgt ningen en maatregelen Afweging van de belangen heeft daarom kunnen worden onderverdeeld. Een tweede belangrijke plaats wordt hierprioriteit boven het selektiviteitskriterium. naast ingenomen door het werkgebied van 1. Beveiligingen. de apparatuur, dus de werkkondities. Na het in werking treden van beveiligings2. Signaleringen en registraties. Deze worden bepaald door: circuits is het altijd noodzakelijk eerst de 3. Vergrendelingen. - de kwaliteitsgrenzen van de grondstof, oorzaak op te sporen en mag ook niet het ruwe water; zonder meer opnieuw ingeschakeld worden 4. Meervoudige uitvoering van procesmet een 'herstelde' beveiliging. instrumentatie. - de kwaliteitsgrenzen van het eindHet zou niet de eerste keer zijn, dat door produkt, het reine water; 5. Onderhoud. herhaald inschakelen het te beveiligen - onder- en bovengrens van de te produapparaat tenslotte tbch kapot gaat, ceren hoeveelheid water; De inzet en deskundigheid van bedrijfsleieen en ander tot schande van het bedieding en 'operators' spelen natuurlijk even- onder- en bovengrens van de te distriningspersoneel en tot vreugde van de eens een niet te onderschatten rol bii de bueren hoeveelheid water. reparateurs. voorziening en maatregelen; de menselijke inventiviteit is nog steeds onvervangbaar. 4.2. 'Fail-safe' beveiligingen De kwaliteitsgrenzen worden, om begrijpeBespreking hiervan valt echter buiten het Verband houdend met het optreden van de lijke redenen, zeer nauw gehouden, terwijl kader van deze technische beschouwing. beveiligingsapparatuur zBlf als bron van de neiging bestaat de grenzen van de storingen is de wens dat deze 'fail-safe' of hoeveelheden ver uit elkaar te leggen. 4. Beveiligingen intrensiek-veilig is, waaronder we verstaan Bij de vaststelling hiervan dent men zich dat het apparaat zelf automatisch, bij een echter goed te realiseren dat mime grenzen Beveiligingen hebben als achtergrond, dat inwendig defekt, naar een veilige toestand weliswaar storingen niet kunnen worden ook kostbare en gekompliceerde voorzieschakelt. voorkomen, maar wkl de gevolgen ervan ningen meebrengen, waardoor de bedrijfsIndien dit niet het geval is, wordt namelijk kunnen worden ingeperkt en zo een snel zekerheid kan worden verkleind in plaats herstel m a r de normale toestand kan bij een storing aan het beveiligingsapparaat van vergroot. de beveiliging in feite buiten bedrijf worden bewerkstelligd. Het is zinvol een splitsing te maken in:
gesteld, terwijl we denken dat de beveiliging nog volledig paraat staat. Een klassiek voorbeeld van een niet intrinsiek-veilig apparaat is de maxirnumdrukbeveiliging met behulp van een membraan-drukdoos. Indien het membraan defekt raakt, bijv. door een perforatie, werkt het schakelkontakt niet meer en is de beveiliging niet meer paraat. Zijn tegenhanger de rninimum-drukbeveiliging is echter wB1 intrinsiek-veilig, want bij een perforatie van het membraan schakelt het kontakt. De beveiliging werkt dan we1 ten onrechte, maar naar de veilige kant. Wil men bij toepassing van een niet intrinsiek veilig beveiligingsapparaat toch zeker zijn van de beveiliging dan moet het betreffende instrument in meervoud worden aangebracht. De meest gebruikelijke vormen hiervoor zijn, bf ten eerste het zogenaamde 1 uit 2systeem, bf ten tweede het zogenaamde 2 uit 3-systeem. Bij het eerste worden de kontakten van de 2 instrumenten in serie geschakeld, zodat bij verbreken van CCn kontakt de beveiliging werkt; bij het tweede wordt pas geschakeld als 2 van de 3 instnunenten daartoe een kommando geven, de meerderheid beslist dus. Het laatste systeem is het veiligste en betrouwbaarste, maar natuurlijk ook het kostbaarste.
4.3.Kontrole Een volgende konsequentie van beveiligingen als potentiele storingsbromen is, dat periodieke kontrole op de goede werking nodig is. De voorzieningen voor periodieke kontrole kumen ingebouwd worden door overbruggingsmogelijkhedenvan de beveiliging aan te brengen, tesamen met testfaciliteiten. Na het overbruggen kan kontrole op de werking plaatsvinden, zonder het bedrijf te storen. Dit mag natuurlijk alleen gebeuren door vakkundig personeel en eerst nadat de procesoperator gewaarschuwd is. Een verfijning is nog te realiseren door het aanbrengen van speciale testklemmen en eventueel een 'testschakelaar'. Incidentele kontrole van gehele procesgedeelten is mogelijk bij een gedeeltelijke proces-stop voor onderhoud.
4.4. Optische signalering en 'herstellen' van de beveiliging Het 'aanspreken' van beveiligingen dient herkenbaar te zijn. Ter plaatse kan dit gebeuren door een optische signalering, bijv. een naar voren springend knopje of een rood vaantje en op afstand met behulp
van aangebouwde hulpkontakten. Het storing zoeken wordt hiermee aanmerkelijk vereenvoudigd. Na een storing moet de beveiliging eenvoudig opnieuw ingezet kunnen worden, bf door hem te vervangen zoals bij smeltveiligheden het geval is, bf door een hersteldrukknop. Zelfherstellende beveiligingen zijn zeker in een geautomatiseerd bedrijf gevaarlijk, daar dan zonder meer opnieuw ingeschakeld kan worden.
van de te nemen maatregelen een kwestie van praktijkervaring, deskundigheid en afweging van de kosten.
5. Signalering en registratie
Signaleringen geven het bedieningspersoneel een inzicht in de aktuele bedrijfstoestand en brengt hen op de hoogte van optredende ongewenste situaties. Bij het onderwerp beveiligingen is a1 gewezen op de noodzaak van signalering van storingen. 4.5. Mechanische beveiligingen en werkMeestal zullen deze zowel in de direkte schakelaar omgeving (lokaal), als centraal gesignaleerd Tot nu toe is uitgegaan van in hoofdzaak worden. elektrische beveiligingsapparatuur, maar Vooral voor centrale signaleringen zijn in ook mechanische beveiligingen, zoals slipde afgelopen jaren een aantal ingenieuze koppelingen, breekpennen en torsiekontakschakelingen en apparaten ontwikkeld, die ten behoren tot dit terrein. Men dient we1 a1 naar gelang de grootte van de installatie te beseffen, dat dit soms zelmerstellende en de mate van automatisering hun toepasbeveiligingen zijn. singen hebben gevonden. Een mechanische beveiliging, die bewust Voor een klein aantal signaleringen kan nog handbediend is gemaakt, is de werkmet een eenvoudig lampje, meestal rood, schakelaar, die in elektrische voedingen of worden volstaan, maar bij enige omvang stuurstroomcircuits is aangebracht. Maar wordt dit a1 aangevuld met een klaxon deze dient dan ook uitsluitend voor beveiliging tegen lichamelijk letsel en moet voor die storingsmeldingen die voor het proces van v i t a l belang zijn. altijd bewust worden gebruikt. Afhankelijk van de behoefte vindt nog een aanvulling plaats met bijv. zwaailichten om 4.6. Uitvallen energievoorzieningen een gevaarsituatie aan te duiden. Zoals a1 bij het ontwerp besproken, zal ook Om het opzettelijk irriterende getoeter en aan de gevolgen van het uitvallen van de lichtgeflits te stoppen is dan een centrale energievoorziening veel aandacht moeten afstelknop noodzakelijk. worden besteed. Bij een uitgebreide installatie moet tevens De beveiligingssystemen moeten ook dan een nieuw optredende storing duidelijk intakt blijven en zullen daarom meestal onderscheiden kunnen worden, daar meestal volgens het 'ruststroom principe' worden we1 meer dan CCn lampje zal branden. uitgevoerd. Dit onderscheid is bijv. mogelijk door een De voorzieningen moeten bovendien snel knipperen van het betreffende lampje, zodanig zijn, dat het uitgevallen proceswat door een druktoets tot rust kan worden deel nog tijdig automatisch naar een gebracht. veilige toestand wordt geschakeld. Ook andere vormen zijn mogelijk, bijv. de Welke toestand dit is, hangt af van de zogenaamde quiteerschakelaar en gecombisituatie. In de leidingen zullen sornmige neerd met een bedieningshandeling de stuurkleppen of schuiven dichtgestuurd en quiteerschakelaar, zoals gebruikelijk voor andere juist geopend moeten worden. hoogspanningsnetten. Het gehele procesverloop dient op deze In de meest gebruikelijke vorm worden de aspekten te worden nagegaan. besproken storingssignaleringen compact samengebouwd in een verzameltableau, 4.7. Algemene aspekten zodat een overzichtelijk geheel ontstaat. In het geheel van de proces-instrumentatie De laatste jaren is qua techniek een duidemoet de beveiliging een aparte plaats lijke voorkeur voor elektronische systemen imemen, naast de normale bedrijfsinstrumerkbaar, die de relais vrijwel verdrongen mentatie. Het op C6n of andere wijze hebben. Het is overigens lang niet aItijd nodig of koppelen van de beveiligingen aan de normale bedrijfsinstrumentatie kan tot gewenst klle storingsmeldingen separaat gevolg hebben, dat bij storingen aan de centraal over te brengen. Voor een groot laatste ook de beveiliging niet meer werkt, aantal sekundaire storingsmeldingen kan worden volstaan met een bundeling. terwijl dan juist aktie verwacht wordt. Ter plaatse, met de lokale signalering kan Een toenemende mate van automatisering dan worden nagegaan wat er precies aan de zal in het algemeen gepaard gaan met een hand is. sterke groei van beveiligingssystemen. Gloeilampjes hebben, helaas, een zeer beAlhoewel de algemene regels zoals omschreven, nuttig zijn, blijft de beoordeling perkte levensduur. Bij kontinu branden op
nominale spanning zal een lampje met 1000 branduren het niet langer dan 6 weken uithouden, tenrninste als geen trillingen aanwezig zijn en de warmteafvoer goed is. Door spanningsverlaging kan de levensduur verlengd worden, maar de lichtopbrengst vennindert dan sterk. Het is overigens niet nodig storingslampjes permanent te laten branden, als het betreffende apparaat voor lange tijd buiten bedrijf of in onderhoud is. Uitschakelen verlengt de levensduur van het lampje en verhoogt de waakzaamheid, want bij te veel brandende rode lampjes verslapt de aandacht. In ieder geval is een centrale testknop voor alle lampjes nodig om te kontroleren of de lampjes nog heel zijn. Sornmige procesdelen hebben de eigenschap dat bij storing van CCn onderdeel het geheel uitvalt, bijv. een diesel. Een aantal lampjes gaan dan vrijwel tegelijk branden, zodat de storing niet meer exakt te lokaliseren valt. Om dit te verhelpen zijn schakelingen met een 'geheugen' ontworpen, die de juiste volgorde van de optredende storingen aangeven. In een geperfektioneerde vorm worden de storingen in de juiste volgorde uitgetypt op een zogenaamde 'event-recorder' (gebeurtenissen-schrijver). Dit kan zowel in ko'de, als in een vooraf geprogrammeerde tekst, gekombineerd met een opgave van het tijdstip. Dit automatisch vastleggen van de storingen helpt tevens de bedrijfsleiding indien de 'operator' vergeet het logboek in te wllen. Een verdere vervolmaking is mogelijk door geen centraal storingstableau meer te gebruiken, maar de melding in tekstvorm, met vermelding van de tijd, op een beeldbuis te laten verschiinen. Tegelijkertijd kan men dan op een ander beeldscherm het gewenste deel blindschema oproepen, eventueel met vermelding van de tekeningnumrners of instrukties, die geraadpleegd moeten worden. Door middel van een toetsenbord kunnen vervolgens andere gegevens, bijv. meetwaarden, worden opgevraagd, eventueel zelfs het grafisch verloop met de tijd en de nodig geachte instrukties worden gegeven. Vanzelfsprekend worden intussen, niet alleen de storingen, maar ook de handelingen automatisch uitgetypt; naar keuze tesamen met een aantal meetwaarden, voorafgaande aan de storing. We zijn dan natuurlijk inmiddels de eenvoudige storingssignaleringen a1 vergeten en denken in komputer-gestuurde systemen. Behalve voor storingen, kunnen de besproken signaleringen en registraties zeer goed worden gebruikt om deze te voorkomen. Dit in de vorm van v66rsignaleringen bij de nadering van een gevarenzone. De signalering werkt dan preventief en geeft een
gevaarlijke trend aan, die kan worden aangewld met registratie van meetwaarden. Ook voor dit onderwerp geldt dat vooraf een keuze moet worden gemaakt van het toe te passen systeem, waarin een aanvaardbaar komprornis moet worden gevonden tussen de wensen en de beschikbare financiele middelen.
6. Vergrendelingen De grens tussen vergrendelingen en beveiligingen is niet altijd even scherp te trekken. Irnmers vergrendelingen zijn er op gericht onjuiste handelingen te blokkeren, wat nogal eens gekombineerd wordt met beveiligingsfunkties. De opdracht voor een onjuiste handeling kan zowel van menselijke zijde of door een automatisch werkend apparaat gegeven worden. Vooral in zogenaamde volgordeschakelingen wordt de techniek van vergrendelen veelwldig toegepast; hierbij wordt een volgende handeling geblokkeerd als de voorgaande niet korrekt is uitgevoerd. Volgordeschakelingen komen bij waterleidingbedrijven in grote aantallen voor, zoals start- en stopprocedures van diesels en pompen, spoelen van filters, etc. Ze lenen zich bij uitstek voor automatisering, wat vooral de laatste jaren in veel gevallen elektronisch gebeurd. De schakeling kan dan bf vast geprogrammeerd bf vrij programmeerbaar worden uitgevoerd. Op de merites hiervan ingaan voert te ver in de ontwerptechniek, zodat we ons zullen beperken tot enkele bedrijfszekerheidsaspekten. Bij handbediende installaties kunnen met vergrendelingen zogenaamde 'fool-proof' schakelingen worden opgebouwd, die bescherming bieden tegen bedieningsfouten. Na het indrukken van een foutieve knop gebeurt er niets, zodat storingen worden voorkomen. Als de volgordeschakeling automatisch wordt doorlopen is een looptijdbewaking nodig. Bij het overschrijden van de bekende looptijd van de te doorlopen cyclus wordt een signaal gegeven, waaruit af te leiden is, dat de voortgang waarschijnlijk door een vergrendeling is geblokkeerd, of dat de volgordeschakeling defekt is. Een eenvoudig te bedienen handbesturing, naast de automatische, is dan ook wenselijk. Hiernaast is het aan te bevelen om de apparatuur zelf te voorzien van een noodhandbesturing, buiten de programmering en vergrendelingen om. Dit om blokkeringen op te kunnen heffen en het apparaat, bijv. een klep of schuif separaat te kunnen testen. Dit mag natuurlijk alleen door deskundig personeel plaatsvinden en na overleg met de operator.
Bij het toepassen van getransistoriseerde schakelingen moet opgepast worden voor enkele typische eigenaardigheden, die deze in veel gevallen bezitten. In de eerste plaats is de ingang veel gevoeliger voor toevallige signalen dan relais. Tegen deze stoorsignalen moet dus bescherming aanwezig zijn, bijv. door de transistoringang galvanisch te scheiden van de signaalingang door Reed-relais. Veel komputerschakelingen zijn er vervolgens op gebaseerd dat de voorwaarden na elkaar worden afgetast. Als dus CBn van de voorwaarden na het aftasten, maar binnen de cyclus van waarde verandert, wordt dit niet bemerkt en toch het uitvoeringskommando gegeven. Ook zijn transistoren niet 'fail-safe', als ze defekt raken worden ze meestal volledig geleidend en indien dit de eindtransistor treft die het uitgangsrelais bedient, kan een gevaarlijke situatie ontstaan. Een separate beveiliging, buiten de volgordeschakeling om is nodig, elektrisch en ook liefst mechanisch. Bij getransistoriseerde schakelingen moet de veilige werking dus extra aandacht hebben en mede gewaarborgd zijn door mechanisch werkende beveiligingen, die niet in de getransistoriseerde schakelingen zijn opgenomen. Tenslotte nog enkele opmerkingen over het ontwerp. Als in het bedrijf een aantal identieke of nagenoeg identieke systemen voorkomen, zoals filters en pompen, is het uit kostenoogpunt verleidelijk om met CCn centrale prograrnrna-eenheid te volstaan, die voor alle parallelle systemen wordt gebruikt. Uit bedrijfszekerheidsoogpunt is dit echter af te raden. Beter is het elke eenheid zoveel mogelijk afzonderlijk op te bouwen, tot het punt bereikt is waarop kombinatie niet langer te verrnijden is. Imrners alleen zo wordt de opbouw van het bedrijf optimaal gehonoreerd, waar ook niet voor niets op parallel werkende systemen is overgegaan. Het centrale gedeelte zal veelal dubbel worden uitgevoerd en worden voorzien van een eenvoudig te bedienen handbesturing.
7. Meervoudige uitvoering van procesinstrumentatie Meervoudige uitvoering van regel- en stuurapparatuur, waardoor bij storing de taak door een identiek systeem kan worden overgenomen, is ongetwijfeld de meest effektieve maar ook de kostbaarste oplossing, die daarom pas in laatste instantie zal worden gekozen. Voor een beoordeling van het geval waarin meervoudige uitvoeringen gerechtvaardigd zijn, moet vluchtig worden ingegaan op het proces. Een drinkwaterproduktiebedrijf voor de
- kalkafzetting op kleppen, meetmembranen en elektroden; - chernische verontreinigingen van doorstroombuisjes en slangetjes van kwaliteitsmetingen. Afhankelijk van de mate van vervuiling, die alleen in de praktijk kan worden vastgesteld, moet voor de reiniging en kontrole periodiek onderhoud worden gepleegd. Dit kan varieren tussen CCnmaal per dag reinigen van de pH-elektroden tot 4 maal per jaar kontroleren en reinigen van andere meetapparatuur. Een voor het drinkwaterbedrijf typische vorm van verontreiniging welke men zelden elders zal aantreffen, is de in de praktijk voorgekomen verstopping van een monsterleiding door een paling. 8.3. C o r r o s i e Ook een agressieve atmosfeer bedreigt de bedrijfszekerheid. Met name bij een chemische zuivering - waar met chloor en ijzersulfaat gewerkt wordt - kan niet altijd voorkomen worden, dat resten chemikalien ontsnappen en verwoestend te werk gaan. Zo zijn de meetopnemers en instrumenten in de omgeving van chloortanks en -apparatuur door de inwerking van zoutzuur soms geen lang leven beschoren. Ook restanten chloorgas in het water van de filters kunnen nog vernielend werken op de instrumenten in de bedieningspanelen en bijv. aluminium wijzers van manometers volledig wegcorroderen. In de reinwaterreservoirs blijkt zelfs de asdoorvoer van de vlottermeters zo nu en dan vast te kunnen zitten door inwerking van chloor. Een ander bekend corrosie-verschijnselis het dichtroesten van meetleidingen in stalen buizen, waardoor foutieve druk- en hoeveelheidsmetingen ontstaan. Regelmatige kontrole en reiniging is dan ook beslist geen overbodige luxe. Inspektie eens per 3 maanden zal echter meestal we1 voldoende zijn. 8.4. O n d e r h o u d s s c h e m a Uit deze korte uiteenzetting blijkt, dat, vanuit het oogpunt van bedrijfszekerheid, de nadruk ligt op preventief onderhoud. Regelmatig moet de apparatuur worden ge~nspekteerd,gereinigd, eventueel gesmeerd en van tijd tot tijd gekalibreerd. Voor een goed overzicht van de bevindingen en de verrichte werkzaamheden is het aan te bevelen onderhoudslogkaarten aan te leggen. Aan de hand van de bevindingen kan dan een onderhoudsschema worden vastgesteld c.q. bijgesteld.
9. Slot Met het onderhoud zijn wij aan het eind gekomen van deze beschouwing over bedrijfszekerheid. Na in de inleiding vele vraagtekens te hebben gezet bij de haalbaarheid, is gepoogd uiteen te zetten hoe bedrijfszekerheid binnen bepaalde grenzen en onder bepaalde voorwaarden toch bereikt worden, door de juiste maatregelen te nemen. Welke maatregelen genomen moeten worden is afhankelijk van de mate van automatisering en opbouw van het bedrijf. Kosten-aspekten zullen meestal van doorslaggevende invloed zijn.
1. Smit, ir. K. 'Kennlerken en relaties tussen Onderlzoudspolitieken' in Bedrijfsvoering nr. 1, jan. 1975. 2. Escher, G. und Thies, K. H. 'Untersuchunge~i der Reparaturhaufigkeit von Mess- und Regelgerate~z'in Regeltechnische Praxis, heft 9, 1974. 3. Dirken, prof. dr. J. M. 'Ergonomic aspects o f infortnation display in co~?lputerizedprocesses', hfst. 9 in Transfer of Information in the practice of process computer control, Afd. Regeltechniek, KJVJ, 1971. 4. Weiden, ir. H. van der, 'K~valiteiten Bedrijfszekerheid van elekfronische Onderdelen', in De Ingenieur, no. 28 juli 1968. 5. Heer, ir. H. J. de en Benjaminsen, ir. J. M., 'Autoalatische Signalering, Beveiliging en Vergrendeling'; Hart, ir. W. J. ter en Jongkind, M. S., Onderhoud van Instrumenten, en de Onderhoudsorganisatie', in Documentatie van de Leergang 1961: Instmmentatie in de Procesindustrie van het KJVJ.
e..
pieken hier ten volle tot hun recht komt. In de praktijk komt het verder dikwijls hierop neer dat de grootverbruikers zelf, en niet tde waterleiding, Mnnen hun instellingen reservoirs bouwen om waterreserves aan te leggen. De contracten met de grootverbruikers bevatten nog we1 enkele andere voorwaarden, waarover hier niet verder wordt uitgeweid, omdat ze weinig te maken hebben met het onderwerp van deze spreekbeurt. 3. Het bouwen van opjaagstations kan nuttig zijn en zeker ewnomisch verantwoord wanneer de aanvoerleidingen te lang worden en de ladingsverliezen te hoog zouden oplopen. In het algemeen zien de waterleidingbedrijven er tegen op, en met rede, dergelijke stations in te schakelen. Toch kan het opjaagstation we1 eens noodzakelijk worden wanneer het aanleggen van nieuwe leidingen gepaard gaat met enorme moeilijkheden.
Afb. 1.
wordt om zijn eenvoud meestal de asynchroonmotor aangewend. Het rendement van deze motor ligt zeer gunstig. Daarenboven is deze motor ook zeer geschikt voor toepassing van snelheidsvariaties. Het tot voor enkele jaren klassieke systeem De opvatting van het pompstation bestond erin regelbare snelheidsvermindeVoor de opvatting van het pompstation en ring toe te passen door een regelbare in verband met optimisering zijn in het weerstand in de rotorkring in te schakelen. algemeen volgende elementen maatgevend. In casu was deze weerstand een gelijka. Het debiet. stroommotor. b. De persdruk. Het schema was als volgt samengesteld. c. Het rendement van de pompen. Van de rotor wordt stroom afgetapt. d. Het type en het rendement van de Deze afgetapte stroom wordt eerst gelijkaandrijfmotoren. gericht en dan als gelijkstroom gevoerd op een gelijkstroommotor,derwijze gewikkeld Het debiet is uiteraard afhankelijk van het dat een praktisch constant toerental bekomen verbruik maar ook van de conceptie van wordt. Deze motor drijft op zijn beurt een het aanvoernet. asynchroonmotor aan (afb. 2). a. Bij afwezigheid van watertorens en Het toerental van de gelijkstroommotor reservoirs moet het debiet van het station wordt zo bepaald dat het gelegen is boven gelijk zijn aan het ogenblikkelijk waterde synchrone snelheid van de asynchroonverbruik. Belangrijke variaties over 24 uren motor. Het gevolg is dat deze laatste motor kunnen voorkomen. als generator gaat werken. De geproduAnders is het natuurlijk gesteld wanneer ceerde stroom wordt terug op de rails waterreserves kunnen worden aangelegd. gevoerd. Dan kan het debiet veel gelijkmatiger Naarmate meer stroom van de rotor van worden verdeeld. b. Voor de persdruk gelden dezelfde Afb. 2. overwegingen. c. Het rendement van de in de waterleidingswereld klassieke centrifugaalpomp varieert aanzienlijk in functie van het debiet. Men bemerkt nochtans dat binnen een niet {kc~tst-m' onbelangrijke debietszone het rendement motor uitstekend blijft zelfs bij sterke drukvariaties, indien de draaisnelheid van de Aryr,chmongenercreor pomp op geschikte wijze wordt ingesteld motoc (afb. 1). d. Behandelen wij nu wat meer uitgebreid het type en rendement van de aandrijfmotoren. Voor het elektrisch aandrijven van pompen
I
I
de hoofdrnotor wordt afgetapt zal ook zijn snelheid dalen. De regeling van de aftapping geschiedt door te ageren op de bekrachtiging van de gelijkstroommotor. Dit systeem is vooral bekend onder de Duitse naam Drehstrom-GleichstromKaskaden. Tegenwoordig worden de hulpmachines vervangen door thyristoren, waardoor hetzelfde resultaat bekomen wordt. Het groot voordeel van deze oplossing ligt vooral in het feit dat de apparatuur minder plaats inneemt en minder onderhevig is aan sleet, vermits er geen draaiende delen in voorkomen. Het rendement van het geheel van deze elektrische machines is zeer gunstig, vooral bij toepassing in pompstations wanneer optirnalisering wordt nagestreefd. Om dit even toe te lichten komen wij terug op hetgeen straks werd verhaald in verband met het rendement van centrifugaalpompen. Veronderstellenwij enerzijds dat de persdruk varieert van ongeveer 35 m WK tot 65 m WK maar dat wij anderzijds door snelheidsvariatie van de pomp het debiet constant houden op 3200 m3/uur. Wij werken in dit geval in ideale rendementsvoorwaarden voor de pomp. In deze omstandigheden is het opgeslorpt vermogen van de pomp praktisch evenredig met de persdruk en tevens ook met de snelheid. Dit betekent dat bij minimale snelheid ook minimale energie aan de pomp wordt geleverd en dat tevens de aandrijfmotor minimale energie zal verbruiken. In dit geval is de afgetapte rotorenergie maximaal, maar anderzijds toch ongeveer evenredig met het opgeslorpt vermogen van de aandrijfmotor dat minimaal is. De verliezen van de hulpmachines blijven dus relatief beperkt. Het gevolg hiervan is dat het rendement van het geheel der elektrische toestellen zeer groot blijft. Als voorbeeld kunnen wij hier stellen de
pompen van het pomp- en zuiveringsstation te Oelegem van de Antwerpse Waterwerken. Deze pompen werken op de hierboven beschreven wijze. Het gemiddeld rendement van deze pompen bedraagt ongeveer 87 %, terwijl het rendement van het geheel der elektrische machines varieert tussen 87 % bij minimum toerental nl. 1130 t/min. en 91 % bij max. toerental nl. 1470 tlmin. Het is we1 duidelijk dat de werkvoorwaarden van deze pompen optimaal zijn. De snelheidsvariatie zelf wordt zoals reeds vermeld geregeld door wijziging van de bekrachtiging van de gelijkstroommotor bij middel van regelingsapparatuur gekoppeld aan een debietmeter op de persleiding van de pompen. In het beschouwde geval wordt immers het debiet van de pomp constant gehouden. Aandrijven van pompen met behulp van Dieselmotoren biedt ook interessante optimaliseringsmogelijkheden. Het is immers algemeen bekend dat deze motor tussen halve belasting en vollast een praktisch constant en optimaal rendement heeft. Automatische snelheidsvariatie is daarenboven zeer gemakkelijk toe te passen met apparatuur dat zijn proeven heeft afgelegd. Stippen wij hierbij aan dat de Dieselmotoren ook toelaten de warmte van het koelwater en de uitlaatgassen te recupereren voor de venvarming van gebouwen. Zeer belangrijke besparingen kunnen op deze wijze worden verwezenlijkt en dit is ocvk een vorm van optimalisering. Als voorbeeld vermelden wij het pompstation van de Berenplaat. Verder ook a1 de pompstations van de Antwerpse Watenverken. De grootste verwarmingsinstallatie van dit laatste bedrijf is deze van het pomp- en zuiveringsstation te Oelegem met 1 miljoen kcal /uur. De verwezenlijkte besparingen in a1 de pompstations belopen ongeveer 250.000 gulden/jaar. Signaleren wij hierbij dat een installatie voor warmterecuperatie, uitsluitend op het koelwater, praktisch zonder kosten kan worden gerealiseerd. Verder kan ook het aandrijven van pompen geschieden met gasmotoren. Vermits thans de kostprijs van fuel-oil betrekkelijk duur is geworden, kan het gebruik van gas als brandstof interessant worden. De gasmotoren hebben echter een minder gunstig rendement dan de diesels. Wanneer het rendement van deze laatste motoren ongeveer 37 k 38 % bedraagt, bereiken de 30 %. Daarbij daalt gasmotoren amper het rendement betrekkelijk snel met de belasting van de motor. Toepassing van snelheidsvariaties lijkt dan ook minder gewenst. Warmterecuperatie is hier uiteraard ook toepasbaar.
+
Tot nu toe hebben wij overlopen hoe bij de opvatting van de watertransportinstellingen en van de pompstations afzonderlijk, bewust naar optimalisering kan worden gezocht. Bij het transport kan dit best geschieden door het afvlakken van pieken. In de pompstations door rationeel uitbuiten van de mogelijkheden om de rendementen van de pompen en de aandrijfmotoren optimaal te houden. Het gellee1 van het transportsysteem en de pompstations Gaan wij een stap verder en beschouwen wij nu het geheel van het transportsysteem en de pompstations. In een eerste geval veronderstellen wij dat een verzorgingsgebied zonder watertorens gevoed wordt vanuit BCn pompstation. Het ogenblikkelijk verbruik is gelijk aan het debiet van het pompstation. Twee gevallen zijn te onderscheiden: korte of lange aanvoerleidingen. In het geval van korte aanvoerleidingen zijn de ladingsverliezen klein. De persdrukvariaties zijn dus ook gering. Daarentegen zijn de debietvariaties groot. Gewone pompen zonder snelheidsvariatie kunnen aangewend. Best kunnen pompen met verschillende opbrengsten worden opgesteld, zodat steeds voor de zeer uiteenlopende debieten een combinatie van in werking te stellen pompen kan gevonden worden, waarbij de rendementen van de pompen optimaal liggen. In het geval van lange aanvoerleidingen, zijn zowel de persdruk- als de debietsvariaties aanzienlijk. De keuze van de op te stellen pompen is analoog aan deze van het vorig geval. In verband met de grote persdrukschomrnelingen is nu snelheidsvariatie van de pompen aangewezen tot het bekomen van optimale rendementen, zoals straks werd uiteengezet. Onderzoeken wij verder een tweede geval
Afb. 3. d N TWERPEN
ST N ~ K L A A S
el?
waarbij een verzorgingsgebied wordt bevoorraad door meer dan CCn pompstation. Hier gelden voor wat de keuze en de werkwijze van de pompen betreft in feite dezelfde regels. Alleen kan ook rekening gehouden met de verdeling van de debieten tussen de verschillende pompstations. In functie van de persdrukken ter plaatse van ieder pompstation kan de debietverdeling worden 'uitgecrost' zodat het globaal energieverbruik minirnaal wordt. Dit kan uiteraard geautomatiseerd worden. Ook het aanwenden van een computer kan hier een geschikte oplossing brengen. Onderzoeken wij nu het geval dat het net voorzien is van watertorens of reservoirs met voldoende volume opdat steeds een gelijkrnatig over 24 uur verdeeld debiet door BCn of meerdere pompstations zou kunnen gepompt worden. De optimalisering steekt hier in de mogelijkheden geboden door het net zelf. De keuze van de pompen en het optimaliseren van het rendement geschieden zoals in de vorige behandelde gevallen. Tussen deze twee uiterste gevallen kan men zich natuurlijk een oneindig aantal combinaties van mogelijkheden voorstellen, waarbij het net voorzien is van watertorens of reservoirs met kleinere of grotere volumes en gelegen op verschillende niveaus. Uiteraard zijn hier ook een hele reeks van optimaliseringsmogelijkheden aanwezig, waarvan de twee voornaamste zijn: het afvlakken van de pieken, door handig gebruik van de stockeringsmogelijkheden van de watertorens en reservoirs, a1 zijn die eventueel ook te klein, en het stootsgewijze pompen naar de watertorens indien hun niveaus belangrijk verschillen.
Een toepassing van optimalisering in Belgii Om hetgeen voorafgaat te verduidelijken gaan wij thans over tot de beschrijving van een tamelijk complexe realisatie in Belgie waar bewust optimalisering van aanvoer werd nagestreefd. De streek van Oost-Vlaanderen gelegen tussen de steden Aalst en St. Niklaas behoort tot het verzorgingsgebied van de Tussengemeentelijke Maatschappij voor Waterbedeling aan de beide Vlaanderen. Deze streek wordt met water bevoorraad vanuit het pompstation gelegen te Buggenhout. Het pompstation neemt het water uit een reservoir, dat gespijsd wordt vanuit het station van de AWW te Walem. In dit gebied beschikken zes grotere centra over een watertoren, gekoppeld aan een stel aanvoerleidingen. Twee gemeenten zijn verder rechtstreeks op deze leidingen aangesloten. In de nabije toekomst zal ook een gedeelte
van de bevoorrading van de Stad Gent
dergelijk geval de regelkraan volledig. Voor de watertoren te St. Niklaas worden speciale voorzieningen getroffen voor het schieden. Op dit ogenblik is het totaal verbruik geval het hoger vermeld reservoir zal gebouwd zijn. van de streek ongeveer 30.000 m3/d. Men voorziet echter dat dit verbruik In princiep wordt daar de wateraanvoer geleidelijk zal aangroeien tot 40.000 m3/d, ingesteld op het gemiddeld waterverbruik. zodat het pompstation gepland werd voor De aanvoerleiding mondt uit in de toren. een totale uiteindelijke capaciteit van Daar het volume van de bestaande toren 60.000 m3 /d. te klein is zal de wateraanvoer gedurende Het pompprobleem was tamelijk complex. de stille uren te groot zijn en de watertoren Er moest rekening gehouden worden met zal overlopen. De overloop is echter bestaande aanvoerleidingen tussen Lebbeke verbonden met het reservoir, dat dus geduen St. Niklaas, met de inhoud van de rende de nacht zal worden opgevuld. bestaande watertorens, met de bouw van Gedurende de dag, wanneer de aanvoer nieuwe watertorens, met de verschillende t.0.v. het verbruik te klein is, zal de waterniveaus van deze torens, met zeer uiteentoren supplementair worden bijgevuld door lopende verbruiken, enz. pompen opgesteld op het reservoir. Op te merken valt verder: Rekening houdend met de lokale omstan1. Dat de plaatsen met het grootste waterdigheden wordt op deze wijze de energie verbruik het verst afgelegen zijn van het optimaal benut. pompstation. A1 de gegevens van iedere watertoren, zoals verbruik, aanvoer, stand van de regelkraan, 2. Dat de hoogste watertorens insgelijks peilen, enz, worden per telefoonkabel naar het verst afgelegen zijn. het station te Buggenhout overgeseind. 3. Dat de inhoud van de meeste waterRekening houdend met de hierboven betorens te klein is om ze te kunnen bevoorschreven werkwijze is het duidelijk dat er raden met een debiet gelijk aan het gemideen zeer groot aantal com'binaties van delde van het waterverbruik. pomppatronen te Buggenhout kunnen 4. Dat in de toekomst te St. Niklaas aan de voorkomen. Voor ongeveer tweehonderd voet van de watertoren een reservoir zal combinaties werden de berekeningen van aangelegd worden met een inhoud gelijk het aanvoernet uitgevoerd en dit niet alleen aan het dagverbruik. voor de uiteindelijke maximale verbruiken maar ook voor de minimale en tussentijdse verbruiken. Onnodig te zeggen dat a1 deze Alvorens tot het ontwerpen van het pompstation over te gaan werd in ieder afzonder- berekeningen met de computer werden uitgevoerd. lijk gebied, a1 dan niet bevoorraad door De werkpunten voor a1 deze pompcombieen watertoren, gedurende een korte naties werden op een drukdebiet diagramma periode het ogenblikkelijk waterverbruik overgebracht. Hierbij kan worden opgeopgetekend. Op deze wijze konden de vermerkt dat het min. debiet 320 m3/u kan bruikspatronen worden bepaald. 0.m. was bedragen bij een minimum opvoerhoogte hierdoor het minimum minimorurn alsook van 37 m WK. Daartegenover staat het het max. max. waterverbruik gekend. maximum debiet in de toekomst van 3.700 Vervolgens werd op de aanvoerlijn van m3/u voor een maximale opvoerhoogte van iedere watertoren ter plaatse een debiet93 m WK. meter en een regelkraan opgesteld. Aan de hand van deze gegevens werd het Met behulp van regelapparatuur wordt, mogelijk een keuze te maken voor de op te wanneer de watertoren een max. peil bereikt, de regelkraan gesmoord, zodat het stellen pompen. Uit het pomppatroon aanvoerdebiet overeenstemt met het volgde onmiddellijk dat een rationele oplosminimum rninimorum verbruik, dit om sing erin bestond twee pompen van een kleiner type en zes pompen van een groter stagnatie van water in de leiding te verrnijden. Wanneer integendeel het dalend type op te stellen. waterpeil een instelbare grens bereikt, Deze keuze liet toe, rekening houdend met wordt de regelkraan in een stand gebracht de minimale nachtdebieten steeds bimen denvijze dat het aanvoerdebiet overeenstemt zones te werken, waarbij het rendement van met het maximum maximorum verbruik. de pompen altijd weinig afwijkt van het Daarenboven zorgen speciale mechanische max. rendement. voorzieningen ervoor dat bij defect van de Uiteraard is, gezien de zeer uiteenlopende regelkraan de toren niet zou overlopen of opvoerhoogte vastgesteld bij de verschilook niet zou leeg komen. lende combinaties, snelheidsvariatie van de In geval van abnormale afname bijv. bij pompen noodzakelijk. buisbreuk of branid, zou het maximum Daarom werden de pompen uitgerust met maximorum debiet kunnen overschreden asynchroom motoren voorzien van sleepringen, zodat voor het regelen van de snelworden. Een alanninrichting opent in
d.20.000 m3/d vanuit Buggenhout ge-
heid rotorstroom kan worden afgetapt. De afgetapte stroom wordt gelijkgericht en gevoerd op thyristoren. Deze laatste werken als convertor, zodat de hier geleverde wisselstroom terug in het net wordt gebracht en de aan de rotor afgetapte energie op deze wijze voor een zeer groot deel wordt gerecupereerd. Een regelingsapparatuur regelt continu en automatisch de snelheid van de motor-pompgroepen. Nu enkele woorden over de regeling zelf. Tot op heden bepalen de watertorens zoals hoger beschreven in feite zelf hun wateraanvoer, zodat de totale ogenblikkelijke aanvoer voor de ganse streek is samengesteld uit de som van de door iedere toren gevraagde aanvoer en de aanvoer naar de twee gemeenten, rechtstreeks op het net gekoppeld. De controle van deze installaties geschiedt bij middel van een computer opgesteld in het station te Buggenhout, die de verschillende overgeseinde gegevens opneemt en interpreteert. Het debiet van het pompstation moet uiteraard gelijk zijn aan de som van de verschillende opgedrongen aanvoeren naar de verschillende gebieden. Om dit te controleren is een debietmeter op de persleiding van het pompstation opgesteld. Verder wordt daar natuurlijk ook bestendig de druk bepaald. De computer vergelijkt deze gegevens, start en stopt de pompen, bepaalt de snelheid van de pompen, controleert de beveiligingen, kortom stuurt en regelt de ganse werking van het pompstation. De huidige realisatie is, zoals men zich we1 kan voorstellen, zeker nog voor verbetering vatbaar. Inderdaad, bij gebrek aan voldoende kennis van meerdere parameters, tevens ook omdat de verbinding met Gent nog niet verwezenlijkt is, alle watertorens nog niet gebouwd zijn en thans de verbruiken nog relatief klein, werd tot op heden hoofdzakelijk aan optimalisering gedaan voor wat de rendementen van de pompen betreft. Wanneer echter gedurende geruime tijd de verbruikspatronen van de verschillende gebieden zullen waargenomen zijn en dus de mogelijkheden geboden door het bestaan van waterreserves in de watertorens beter zullen bestudeerd zijn, ligt het voor de hand dat nog meer efficignt pompen belangrijke energiebesparingen zal opleveren. Zo zal het mogelijk worden althans gedurende zeltere gedeelten van de dag en afhankelijk van het ogenblikkelijk verbruik, afzonderlijk de verst afgelegen torens, die ook op de hoogste niveaus gelegen zijn, te vullen. Terwijl de aldus opgeslagen waterreserve daarna zal opgebruikt worden, kunnen intussen andere lagere torens gespijsd worden in gunstiger voorwaarden.
et programmeren van een dergelijke erkwijze kan toevertrouwd worden aan de ~mputer. ikwijls is het mogelijk het waterverbruiksdroon van een beschouwde dag met grote enadering te voorspellen wanneer de verruiken van de eerste morgenuren gekend hjn. bit kan de mogelijkheden van het zo juist ieschreven stootsgewijze pompen nog uitIreiden. Ook deze werkwijze kan met koordeel door de computer gestuurd worden. en ander element dat ook via de computer worden uitgebuit, is het nachtelijk ompen, vermits in Belgie zeer gunstige achttarieven voor de elektriciteit worden egepast. an de hand van de intussen verzamelde egevens, ligt het dan ook in de bedoeling, innen afzienbare tijd de programmatie an de geinstalleerde computer verder uit e werken, om de optimalisering van de (lateraanvoerin het beschouwde gebied bver mogelijk door te drijven en het /nergieverbruik en de energiekosten tot een te beperken.
I
'
I
ogelijkheden bestaan om de rendementen ,?evens ook dat het aanwenden van de :omputer zeer grote perspectieven opent 3m he$ pompen te rationaliseren, door mede zebruik te maken van de mogelijkheden zeboden door het stockeren van water:eserves in watertorens of reservoirs.
Enkele ontwikkelingen uit de geschiedenis van de regeltechniek -prof. ir. R. G. Boiten 5
I. Enige basisbeschouwingen uit de regeltechnidc - ir. F. J. Vergouwen 8 11. Enige systeemtechnische beschouwingen in de regeltechniek - ir. 0. H. Bosgra 12 Automatisering en werkklimaat - prof. dr. J. M. Dirken 16 Te meten kwaliteitsgrootheden- dr. P. Bos 21 Het meten van hoeveelheid, druk en niveau - ing. J. J. G. Werkhoven 26 Elektronische Regler: Prinzipien und Verhalten - dip1.-ing. M. Klinok 38 Technische uitvoeringen van regelsystemen - ir. A. J. J. Timmermans 45 Toepassingen en wensen in de waterwinning en -mivering -ing. N. H. Giltay 54 Bedrijfszekerhdid - ir. A. van Tussenbroek 61 Optimalisering bij transport en distributie -ir. C. Adam 67
