Praktisk reglerteknik del 3. För er som läst denna artikelserie förut så kommer den nya texten Reglerexempel på sidan 5. Det är dock inte så dumt att repetera genom att läsa hela texten fram till den nya. Repetion är grunden för all inlärning. Det händer ganska ofta att jag stöter på mindre väl fungerande styrsystem. Ofta är de inte injusterade men ibland så anar man att personen som konstruerade och monterade systemet hade kanske inte tänkt färdigt riktigt. Det gäller även om personerna ifråga är professionella styr & regler tekniker. Det efterfrågas i första hand datakunskap i dag till dessa tjänster och det räcker inte för att göra ett bra styrsystem. Jag fick ett råd för många år sedan av en gammal konstruktör på dåvarande Billman Regulator (numera Siemens) Det var ett bra råd! Om du inte vet hur man skall styra en process manuellt så försök inte att automatisera den Det säger att man måste kunna processen och hur den fungerar i minsta detalj innan man kan börja konstruera och injustera styrsystemet. Nedanstående är första delen i en handbok om hur man styr och reglerar då främst kylanläggningar. Jag tar tacksamt emot frågor. Det kan vara sådant som jag beskrivet oklart eller missat helt. Nästa del skall ta upp kaskadreglering. Men jag skall börja med lite grundläggande tips. Temperaturgivare Nedan diskuteras givare i en vätskeström. En givare skall kunna känna förändringar i systemet så snabbt som möjligt. Temperaturgivare skall monteras så att de verkligen mäter rätt temperatur. Tänk på att temperaturen i ett rör efter en värmeväxlare kan vara skiktad dvs. det är olika temperaturer på olika ställen på röret. Särskilt om det är stora rör. Efter en värmeväxlare brukar man säga att det krävs 2 st 90 graders för att blanda om flödet ordentligt. böjar Snabbt alltid bättre än långsam. När man monterar en givare så skall man sträva efter att använda så snabba givare som möjligt. En snabb givare är aldrig fel men den kan vara onödigt dyr i vissa lägen. Givare med en tidskonstant under 15 sekunder är snabb. En givare monterad direkt i vattenströmmen utan dykrör blir snabb om den har en liten tidskonstant. T.ex. om man skall styra varmvattenberedning i en plattvärmeväxlare så behövs det en snabb givare. Reglering av kylmedeltemperaturen till en kylmaskin behöver också vara snabb då effekten från en kylmaskin som startar kommer mycket snabbt. 1
Man använder dykrör för att lätt kunna skifta en givare utan att tappa ner systemet. Givare som monteras direkt i vätskeströmmen har oftast utbytbara givarelement så de kan också bytas utan nedtappning. Rätt längd på insticket är viktigt. Givaren helst nå in till centrum av röret. skall En anliggningsgivare kan vara snabb om den monteras rätt men en rätt monterad dykgivare är snabbare. Om du använder anliggningsgivare så rengör röret den skall monteras på ordentligt med fin smärgelduk eller liknande. Det får inte finnas någon färg eller rost på röret. Du skall alltid använda kontaktpasta mellan röret och givaren. Givaren skall klämmas fast mot röret ordentligt med en slangklämma eller liknande. Plaststrips räcker inte! Sedan skall den överisoleras och isolera även röret ca 5 rördiametrar före och efter givaren. Även givare som sitter i ett dykrör skall ha kontaktpasta mellan givaren och dykröret. Placering av givare. Givaren skall alltid placeras nära det objekt den skall mäta. Detta sagt med reservation att den skall mäta rätt, dvs om flödet efter en värmeväxlare är skiktat så skall man placera givaren där flödet är omblandat. Man kan ibland behöva montera flera givare och räkna ut ett medelvärde men i vätskeflöden brukar det inte vara nödvändigt. När man skall mäta lufttemperatur efter en värmeväxlare i ett ventilationsaggregat så finns det trådgivare med en massa mätelement på som är kopplade så att de ger ett medelvärde. En sådan givare monteras diagonalt över den ytan där luften skall mätas. En frysskyddsgivare till en förångare är ett typexempel på där givaren skall sitta mycket nära och vara snabb. I en del lödda plattvärmeväxlare finns det möjlighet att sätta givaren direkt in i värmeväxlaren från baksidan. Kylmedelkylare En annan givare som måste sitta nära är givaren som styr fläktvarvtalet i en kylmedelkylare. Där har man ofta ett variabelt vätskeflöde och när flödet är lågt så kan det ta låg tid för flödet att gå några meter. Jag var på en ny anläggning där man placerat givaren i maskinrummet 60 meter från kylmedelkylaren. När kylmaskinen startade och fläktarna skulle börja styra varvade de upp fullt då givaren var varm. Den satt ju inomhus. Efter ett par minuter när vätskan som stått i kylmedelkylaren nådde givaren stannade fläktarna helt. Så höll det på, gasen i botten och sedan stopp. Det är helt omöjligt att få en sådan anläggning att styra stabilt. Man gör ibland det enkelt för sig och använder samma givare till 3-vägsventilen och fläktarna. Det går inte att få en sådan anläggning att styra stabilt och effektivt. 2
Fläktarna skall ha en regulator och givaren placerad så nära kylmedelkylaren som möjligt. 3-vägsventilen skall ha en regulator placerad direkt efter ventilen. Ställdonet skall kunna öppna ventilen på mindre än 15 sekunder. Man kan ibland klara sig med ett långsammare ställdon om man även använder en utetemperaturgivare som ställer 3-vägsventilen helt öppen vid högre utetemperaturer. Det är när det är varmt ute som 3-vägsventilen kan få svårt att hinna med och öppna men då behövs å andra sidan inte ventilen heller så då kan den stå öppen hela tiden. Ställdon Ställdonet är motorn som manövrerar ventilen (eller spjället). Det är lättare om den också är snabb. En snabb motor är följsammare för de ändringar som regulatorn vill göra. Skall man styra framledningen till radiatorer behöver den kanske inte vara så snabb men skall den styra kylmedeltemperaturen till en kondensor bör den vara mycket snabb. Det är samma sak där, som med givare, att det är aldrig fel med en snabb motor men den kan vara onödigt dyr. Snabba motorer behöver ha hög effekt och då blir de dyrare. Siemens Magnetic är en typ av ventil och motor som är mycket snabb och kan rekommenderas till alla krävande styruppgifter. Den drar mer energi än vanliga ställdon och är dyr i inköp. En snabb motor kan man alltid göra långsammare i regulatorn men en långsam motor kan aldrig göra snabbare. Siemens Magnetic. (Leveras alltid inkl ventil) ESBE Linjärt ställdon 3
Ventiler Att välja rätt storlek på styrventilen är mycket viktigt. Är styrventilen för stor kan det bli omöjligt att få en stabil styrning även om man har en aldrig så snabb givare och ställdon. Styrventilers storlek mäts i Kvs dvs vilket flöde i m 3 /h ventilen släpper igenom vid 1 bars tryckfall. Kvs 6,3 betyder alltså att ventilen släpper igenom 6,3 m 3 /h vid 1 bars (100kPa) tryckfall. Vanligtvis är en styrventil 1-3 dimensioner mindre än anslutande rör. T.ex. i ett DN65 rör är ofta styrventilen DN32, DN40 eller DN50. För att beräkna rätt storlek på ventiler så använd t.ex. den beräkningshjälp som finns på nätet. T.ex. (http://www.armatec.com/se/tekniskhjalp/tryckfallsberakning-och-kv-varde ) Tryckfallet över en styrventil skall vara ungefär lika stort som det objekt den skall styra. Har man en 2-vägsventil som skall styra flödet till en plattvärmeväxlare med ett tryckfall på 30 kpa vid max flöde så skall styrventilen ha samma tryckfall eller högre. Samma sak gäller en 3-vägsventil. Har man valt rätt givare, ställdon och styrventil så har man alla chanser till att få ihop en stabil reglering. Regulatorn och reglerstrategi. Lika viktigt som att välja rätt reglerprincip (P-regulator, PI-regulator eller PID regulator) är att välja rätt reglerstrategi. Jag skall försöka förklara vad jag menar. Säg att du vill styra köldbärartemperaturen ur en förångare. Kompressorn har kapacitetsreglering i steg t.ex 33%, 66% och 100%. Det händer då att man placerar givaren efter förångaren. Det är ju den temperaturen som skall styras. När det blir för varmt startar kompressorn på 33%. 33% är avsevärt mer än 0% så det blir snabbt kallt efter förångaren och kompressorn stoppas. Då lägger man till en tidsfördröjning som gör att när kompressorn startat så måste den gå ett visst antal minuter innan den får stanna. Samma sak händer när kompressorn är i drift på 33% och det ändå blir för varmt. Då hoppar kompressorn upp till 66% och då blir det snabbt kallt osv. Man försöker också då ibland motverka detta genom att lägga till en dödzon så att temperaturen skall kunna ändras utan att regulatorn reagerar. Den rätta lösningen är att placera givaren före förångaren. Då man har ett konstant flöde över förångaren och man vet vilken kyleffekt varje steg på kompressorn ger kan man räkna ut vilken temperaturändring detta ger efter förångaren. När man mäter en temperatur avvikelse från börvärdet som är större än vad ett kompressorsteg ger så startar eller stoppar man ett kompressorsteg. Man får visserligen inte en konstant temperatur ur förångaren men det är ju 4
omöjligt att få om man bara reglerar i 3 steg. Regleringen blir dock stabil utan att man behöver ta till tidsfördröjningar. Det är detta jag menar med att välja rätt styrstrategi. Ett annat praktikfall är när man vill hålla en konstant temperatur ur en förångare med en varvtalsstyrd kompressor. Även om en varvtalsstyrning är steglös så går den inte ner till 0% utan i bästa fall till ca 50% av maxeffekten. Man måste då ha en givare före förångaren som ger startsignal till kompressorn och en annan givare efter förångaren som styr kapaciteten (kompressorvarvtalet). Ett alternativ till att styra på utgående köldbärartemperaturen är att styra på förångningstrycket. Det är ett enklare reglerfall då svarstiden från det att kompressorn ändrar sitt varvtal till det att det mäts med tryckgivaren är mycket kort. Korta svarstider ger stabil och enkel styrning. En ändrad temperatur på ingående köldbäraren visar sig också tidigare på förångningstemperaturen än på utgående köldbärartemperaturen vilket gör att regulatorn kan kompensera för detta snabbare. Reglerexempel. Värme i ett hus med radiatorer. Det första man behöver fundera över är hur man ändrar effekten på det som skall styras och vad det är som påverkar vilken effekt som behövs. Det som påverkar hur mycket värme (effekt) som ett hus behöver är: Hur kallt det är ute dvs. hur mycket effekt som strömmar ut genom väggar och fönster det som brukar kallas klimatskalet. Det kallas transmissionsförluster. Transmissionsförlusterna är direkt proportionella mot temperaturskillnaden mellan inne och ute. Hur mycket luft som byts ut. Det beror dels på ventilationen och dels på hur tätt huset är dvs. hur mycket luft som läcker ut och in genom väggarna. Man brukar tala om ventilationsförluster som i sin tur indelas i styrd ventilation och ofrivillig ventilation. Hur mycket gratisenergi som tillförs. Gratisenergin eller inre last beror på om det finns andra värmekällor än radiatorerna. Det kan vara att man lagar mat, ser på TV, kör tvättmaskinen osv. Solinstrålning har stor påverkan. En klar dag ger solen ca 1 kw/m 2 vinkelrätt mot solen. Ett fönster på 2 m 2 ger inte en instrålning på 2 kw för det är inte en vinkelrät yta mot solen men den ger kanske 1kW. Det är i alla fall inte ett försumbart tillskott till rummet. Hur styr man effekten på radiatorerna (vattenburna)? Effekten regleras dels genom att ändra temperaturen på vattnet i radiatorerna och dels genom att ändra flödet. Temperaturen i ett radiatorsystem brukar styras med en 3-vägsventil som blandar det kallare returflödet med varmare flöde från en värmekälla av något slag. Har man en värmekälla som går att styra direkt, t.ex. en värmepump så behöver man kanske inte någon 3-vägsventil. Flödet till en radiator styr man med en radiatortermostat. Minskar man flödet till en radiator så minskar man medeltemperaturen på radiatorn yta och därmed effekten. 5
Hur skall man då veta hur mycket effekt som man skall tillföra ett hus för att hålla rätt temperatur inomhus? Man måste mäta hur varmt det är inne genom en innetemperaturgivare (rumsgivare) av något slag. Är det kallare än önskat (önskad temperatur brukar kallas börvärde och uppmätt temperatur ärvärde) så måste man tillföra mera värmeeffekt och är det för kallt så minskar man tillförd effekt. Teoretiskt så skulle det räcka med en inomhusgivare för att styra temperaturen i ett hus. I ett välisolerat hus med låga transmissionsförluster så går det också att styra med bara en rumsgivare. Vanligtvis brukar man dock ha även en utetemperaturgivare och en givare på vattnet till radiatorerna (framledningsgivare) Genom att mäta utetemperaturen så får man en tidig indikering på att man skall ändra tillförd effekt när utetemperaturen ändras. Då kan man sänka temperaturen på vattnet till radiatorerna innan den förändrade utetemperauren slagit igenom och ändrat innetemperaturen. Att styra framledningstemperaturen beroende av utetemperaturen brukar kallas utekompenserad framledningstemperatur Man får ställa in vilken framledningstemperatur man vill ha när det är kallt ute (t.ex. vid -10 C) och man får ställa in vilken framledningstemperatur man vill ha när det är varmt ute (t.ex.+10 C) Styrutrustningen räknar därefter själv ut vilken framledningstemperatur man behöver vid utetemperaturerna däremellan och när det är kallare eller varmare. Man brukar kalla det en radiatorkurva ibland. Har man både en rumsgivare och utegivare så brukar man låta rumsgivaren påverka resultatet av vad utegivaren har kommit fram till. Man får då ställa in vilken påverkan rumsgivaren skall ha. För radiatorsystem så brukar det vara ca 7K/ C och för golvvärme 4K/ C. Det betyder att om rumstemperaturen t.ex. är 1 C varmare än börvärdet så sänker man framledningstemperaturen med 7 C (jag skrev 7K dvs 7 Kelvin då man skall ange temperaturdifferenser i Kelvin men i praktiken är det samma sak som 7 C). Är den kallare så höjer man med 7 C. Man skall alltid ha en inomhusgivare. Jag vet att många entreprenörer säger att det inte behövs men de visar bara sin okunnighet. En inomhusgivare är billig och betalar sig första året. Har du värmepump men ingen inomhusgivare så köp en! Dagens välisolerade hus kan man inte styra bra med endast en utegivare + framledningsgivare. Den värme som tillförs från apparater och personer är så stor att man påverkar temperaturen inne för mycket. Man skall heller inte låta radiatortermostaterna stänga. Radiatortermostaterna skall bara stänga när solen lyser in i något rum eller om man har någon annan tillfällig värmekälla. Man skall sänka framledningstemperaturen istället. När du sänker framledningstemperauren och har en värmepump så ökar effektiviteten på värmepumpen och den producerar energi med lägre elförbrukning. Påverkan är stor. 5 C lägre framledningstemperatur sänker energiförbrukningen med mellan 10-15%. 6
Radiatortermostater. Radiatortermostater stryper flödet till radiatorn om det blir för varmt. Är det för kallt inne så kan inte radiatortermostaten göra något. Det är delvis därför man behöver en rumsgivare som kan påverka framledningstemperaturen. Annars måste man alltid ha lite för varm framledning. En annan nackdel med radiatortermostater är att det krävs en relativt stor temperaturhöjning för att få den att stänga. Danfoss anger 0,5-2K vilket i praktiken blir 2K. (P-bandet är 2K) Radiatortermostaten känner också temperaturen på fel ställe. Skall man mäta temperaturen i ett rum så skall givaren inte sitta på en yttervägg och ca 1,6 m från golv. Nu finns det moderna radiatortermostater med en lös givare som man kan placera var som helst och som kommunicerar med själva radiatorventilen med en radiosignal. De är bättre och har ett mindre P-band, är alltså känsligare. Det finns också system som sänder en signal till framledningsregulatorn och ser till att man har så låg framledningstemperatur som möjligt. Minst en radiator är alltid helt öppen. Det är en bra reglering. Motsvarande reglering finns också för golvvärme. Jag skulle skriva om reglerparameterar (P-band, förstärkning, I-tid, D-funktion och kaskadstyrning.) denna gång men jag kom inte så långt så ni får vänta till nästa brev. Hör gärna av er med frågor och titta också på internet. Där finns mycket förklaringar och tips. Allt är dock inte sant så var kritiska. Tollered den 19 september 2017 Lennart Asteberg. 7