Testek, terek fizikai állapotjelzőit megmérve észrevesszük, hogy hétköznapi tapasztalatainktól eltérő eredményeket kapunk. A tűzhelyen álló edény egyik oldala 40 °C, a másik 65 °C lehet, mert ez az oldala közel van egy másik edényhez, amely melegebb. A szoba négy sarkában sem egyforma a hőmérséklet, mert azok az ablakoktól más távolságra vannak és kívül a szél egy meghatározott irányban fúj.
Az élet minden területén hasonló jelenségekkel találkozunk. A világban sehol sincs egyensúly, az energia a magasabb szintekről az alacsonyabb felé áramlik. A folyadékok, gázok a nagyobb nyomású helyről az alacsonyabb felé áramlanak. A hegyről a kövek lefelé gurulnak, stb.
A természet egy körülhatárolt részében viszont lehet egyensúlyi állapotot létesíteni. Egyensúlyi állapotúnak tekinthetjük például azt a teret, amelyben a hőmérséklet állandóan egyforma. Természetesen tökéletes egyensúly nincs, azt csak megközelíteni lehet. Másrészről mesterségesen előállíthatunk olyan teret amely nagyon egyenlőtlen, de időben állandó. Az ilyen állapotot dinamikus egyensúlynak nevezhetjük.
Bármilyen egyensúlyi állapotot akarunk létrehozni egy térben, azt szabályozni kell. Ugyanis, ha egy külső hatás megváltoztatja a rendszer állapotát, azt mesterségesen helyre kell állítani.
A rendszer állapotát csak méréssel lehet ellenőrizni. Az elméleti megfontolások alapján a nagy rendszert elemi részekre kellene bontani és minden elemi részt külön kellene kezelni. Minden részhez tartozna egy mérőérzékelő, egy szabályozó, egy beavatkozó és egy energiaforrás, vagy energiaelnyelő. Ugye látható az elméleti eszmefuttatás megvalósíthatatlansága. Mégis az élet sok területén hasonló feladatot kell megoldani.
A szabályozással foglalkozó szakemberek és a gépész konstruktőrök kitalálták, hogy miként lehet az ilyen állapotokat a technológiai követelményeknek megfelelő pontossággal megközelíteni. Ilyen technológiai előírás lehet egy kemence hőmérséklet-szabályozása 0,01 °C pontossággal félvezetők gyártásához. A nagypontosságú kemencék építése és szabályozása nagy feladat. Különleges anyagokból épülnek és különleges szabályozásuk van.
Más technológia megenged 10 °C pontatlanságot. Ebben a térben technológiai egyensúlyi állapot van, hiszen megfelel a követelmények. Valószínű, hogy ennek a kemencének elegendő 1 pontján mérni és a fűtést egy jól elrendezett fűtőtesttel egy alapjel szerint szabályozni.
Könnyű belátni hogy guminyuszit nem érdemes gépkocsi gyártó-soron termelni, de ennek fordítottja is igaz. A jó minőségű gyártmányt csak korrekt berendezésekkel lehet előállítani.
A korszerű szabályozók kommunikálnak környezetükkel. Ebben a környezetben sok készülék található: adatgyűjtő, nyomtató, INTERNET, számítógép és más digitális eszköz. A jó megtervezett szabályozó más szabályozóval is tud kommunikálni. Ebből adódik hogy egy tér valamilyen tulajdonságát akárhány szabályozóval lehet szabályozni. Természetesen minden szabályozó egy szabályozási hurkot szabályoz. Ezt a szabályozást többcsatornásnak nevezzük.
A többcsatornás szabályozást a 29. ábrán szemléltetjük.
A mindennapi életünkben legtöbbször a hővel találkozunk, mint állapotjelzővel. Alig van olyan otthon, amelyben legalább egy hőmérsékletszabályozó ne működne. Hogy csak néhányat említsünk: mosógép, , hűtőgép, fűtés termosztát, grillsütő, tűzhely sütője, stb. Ezért választottunk egy hőtechnikai eszközt, egy kemencét, a többcsatornás szabályozás bemutatására. A kemencét három részre osztottuk. A három részből a középsőnek csak palástvesztesége a szélsőknek véglap-vesztesége is van. A hő áramlásának hétköznapi ismeretében is megállapíthatjuk, hogy ennek a kemencének a két vége hidegebb még akkor is, ha a fűtése egyformán van elrendezve. Gondolatban végezzünk el egy kísérletet. Építsünk be egy érzékelőt a kemence közepébe, a fűtési kört kapcsoljuk be egy szabályozási hurokba, állítsuk be a szabályozót 800 °C-ra és indítsuk el a folyamatot. Méréssel meggyőződhetnénk, hogy a hőmérséklet kezdetben eléggé egyenletes, de a magasabb hőmérséklet felé a végek egyre jobban lemaradnak. Ez a hővezetés változása miatt következik be, mert a hővezetés a szigetelés két oldalán mérhető hőmérséklet különbségtől is függ. A felületes szemlélő várhatja, hogy a hosszú idejű hőntartás után a hőmérséklet kiegyenlítődik. Tény, hogy egy idő után, a szabályozás hatására egy dinamikus egyensúly áll be, de akármennyire is kívánjuk a kemence 100 év múlva sem lesz egyenletes.
Egyes kemencegyártók, a költségek alacsonyan tartása érdekében számos trükköt alkalmaznak. Ezek közül leggyakoribb a fűtőtestek különböző elhelyezése és teljesítményük változtatása. A nagyobb veszteségű helyeken nagyobb teljesítményt építenek be. Az ilyen kemence állandó betéttel, állandó hőkezelésnél még tűrhetően működhet, de bármilyen változtatás esetén már nem tekinthető korrekt gépnek.
Másik nagy trükk az átlagra való szabályozás. Több érzékelő átlagát véve a szabályozó egy akármilyen, fizikailag nem értelmezhető hibajelre szabályoz. A kemencében azonban nem a szabályozó állítja be az egyenlőtlenséget, hanem a kemence szerkezete. Tehát, ha egy kemence alja és teteje között 800 °C-nál 80 °C különbség van (ez egy kemencén mért érték!) használhatnak akármilyen trükkel működő szabályozót, az bizony így marad és sohasem egyenlítődik ki. Mint ahogyan a patak folyása sem áll meg a lejtőn, akárhogyan is hipnotizáljuk. A hő is így terjed a melegebb helyről a hidegebb felé. A hidegebb hely a hőszigetelés külső oldalán van, a hőnek ez a "lejtő alja".
A 29. ábrán látható kemence 3 zónás (természetesen lehet akárhány is, a Miskolci Egyetemen épített űrkemence 24 zónás). Minden zóna külön szabályozási hurkot képez. Az érzékelők elrendezésétől függően a kemencében kialakul egy hőmérséklet-tér (matematikusan egy skalár-tér), amelyben egy idő után dinamikus egyensúly van. Bármilyen zavart, mint a fűtés megváltozása, a környezet hűtőhatásának megváltozása, a fűtőtestek öregedése, a szabályozó helyreállít. Tehát az így felépített rendszerben a hőmérséklet egy adott pontban álladó. A tér egyenlőtlensége megmérhető és a technológia szempontjából kiértékelhető. Hitelesítő kemence akár 0,1 °C pontosságú is lehet a kemence közepén. Összefoglalva: egy kemencében nem lehet elérni elméleti egyformaságot (homogenitást) sem térben, sem időben, de azt a rendelkezésre álló technikai eszközökkel meg lehet közelíteni. A tulajdonságok ismeretében ezek a megfelelően szabályozott rendszerek nagyon jól használhatók.
A mindennapi gyakorlatban előfordul, hogy a kemence hőmérsékletét program szerint kell változtatni. A feladat így már bonyolultabb, mert a kemence dinamikus egyensúlyát az időben is fenn kell tartani. Az ábra egy ilyen rendszer vázlatát mutatja be.
A programot a MASTER szabályozó tartalmazza, amelynek programadója az idő-hőmérséklet függvényből kiszámítja az alapjelet. A MASTER a BUSZ-on kiküldi az aktuális alapjelet, amelyet a SLAVE-ek vesznek. Minden időpillanatban a kemence minden szabályozója a megfelelő alapjelre szabályoz. Technológia finomítás az, hogy a SLAVE-ek a központi alapjelet zónánként megadott értékkel el tudják tolni. Így lehet időben és térben inhomogén szabályozott teret létrehozni. Ez a készülék használható Tejfalussy András inhomogén anyagvizsgálati módszeréhez.
Mire kell ügyelni a szabályozók kiválasztásánál:
- A kemence tere nincs megosztva. A zónák hatnak egymásra. A hatást a szabályozó zavarójelként érzékeli és válaszol rá. Minden PID szabályozó lengésekkel szabályoz. A nem eléggé robusztus szabályozóban a lengések nem csillapodnak eléggé. Ezek a lengések összeadódnak és egy hosszú távú nem harmonikus lengés keletkezik. A jelenség miatt a hőmérséklet eltér az alapjeltől és sztohasztikusan változik. A kiértékeléshez adatgyűjtő szükséges. Csak robusztus szabályozóval lehet többcsatornás rendszet jól szabályozni.
- A szabályozót természetesen hangolni kell. Az 1. pontban említett lengés miatt nem minden szabályozó képes önhangolásra. A kézi hangolás nagyon időigényes és ehhez is adatgyűjtő szükséges. Használjon megbízható önhangolós PID szabályozót.
- Programszabályozásnál minden szabályozónak egyszerre kell indulnia. A regisztrátum, vagy az adattáblázat kiértékelhetetlen szabálytalan indítás estén. A programszabályozó és a SLAVE szabályozók legyenek alkalmasak a szinkronizált indításra. A HAGA szabályozók előkésleltetés esetén jól START-olnak.
A többcsatornás szabályozás megfelelő eszközök használata estés nem olyan komplikált, mint amilyennek az első olvasás után látszik. Egy HAGA szabályozókból összeállított háromcsatornás szabályozás bekötési vázlata a 30. ábrán látható.
Az ábrán, az áttekinthetőség érdekében, nem tüntettük fel az egyszerre történő bekapcsolás bekötését. A digitális bemenet a 8-9 kapcsokon van. A SLAVE-eket a kapcsokra adott rövidzár kapcsolja be. A rövidzárat a MASTER egyik reléje adja a program indításakor.
Kapcsolódó anyagok: