PID ile Seviye Kontrolü Nasıl Yapılır?

Seviye kontrolü; tank, depo, reaktör, proses kabı, su havuzu ve benzeri sistemlerde sıvı veya malzeme seviyesinin belirli bir çalışma aralığında tutulması için kullanılır.

Temel kapalı çevrim yapı şöyledir:

Seviye set değeri → Seviye ölçümü → PI/PID → Pompa veya vana → Giriş/çıkış debisi → Yeni seviye

Burada PID kontrolörünün doğrudan seviyeyi değiştirmediğini unutmamak gerekir. Kontrolör, tanka giren veya tanktan çıkan akış miktarını değiştirir; seviye ise giriş ve çıkış debileri arasındaki farkın zaman içerisinde birikmesiyle değişir.

Seviye PID'sini diğer birçok proses döngüsünden ayıran temel özellik şudur: tank seviyesi çoğu uygulamada integrating process davranışı gösterir.

Seviye neden integrating process davranışı gösterir?

Sabit kesitli basit bir tank için seviye değişimi yaklaşık olarak:

dh/dt = (Qin - Qout) / A

şeklinde düşünülebilir.

Burada:

h tank seviyesini,

Qin giriş debisini,

Qout çıkış debisini,

A tank kesit alanını ifade eder.

Giriş debisi çıkıştan biraz büyük kaldığı sürece seviye yükselmeye devam eder.

Debiler arasındaki fark sıfıra gelmediği sürece seviye kendiliğinden belirli bir noktada durmaz.

Bu nedenle birçok seviye prosesi integrating davranış gösterir.

Bu yapı integrating prosesler ve farklı proses tipleri açısından önemli bir örnektir.

Her tank seviyesi integrating midir?

Hayır.

Örneğin tankın çıkışı yalnızca yerçekimiyle gerçekleşiyorsa çıkış debisi sıvı yüksekliği arttıkça artabilir.

Seviye yükseldiğinde hidrostatik basınç artar ve çıkış debisi de büyür. Belirli şartlarda sistem yeni bir denge seviyesine kendiliğinden yaklaşabilir.

Bu durumda proses tamamen ideal bir integratör gibi değil, daha self-regulating bir davranış gösterebilir.

Dolayısıyla “seviye kontrolü = her zaman aynı PID ayarı” yaklaşımı doğru değildir.

Giriş mi kontrol ediliyor, çıkış mı?

Seviye kontrol yönünü belirleyen en temel sorulardan biridir.

PID tankın giriş vanasını kontrol ediyorsa kontrol çıkışı arttığında tanka daha fazla ürün girer ve seviye yükselir.

PID tankın çıkış vanasını kontrol ediyorsa kontrol çıkışı arttığında tank daha hızlı boşalır ve seviye düşer.

Aynı PID blokunda kontrol yönü bu iki uygulamada ters olabilir.

Örneğin seviye set değerinin üzerine çıktığında:

giriş vanası kontrolünde çıkışın azaltılması,

çıkış vanası kontrolünde ise çıkışın artırılması

gerekebilir.

Auto moda geçmeden önce Manual modda küçük bir vana veya pompa değişikliği yapılarak gerçek proses yönü mutlaka doğrulanmalıdır.

Seviye nasıl ölçülür?

Tank seviyesi farklı fiziksel yöntemlerle ölçülebilir.

Yaygın yöntemler arasında:

radar,

ultrasonik,

hidrostatik basınç,

diferansiyel basınç,

kapasitif ölçüm,

şamandıra veya başka temaslı yöntemler bulunur.

Hangi yöntemin daha doğru olduğu ürün özelliklerine, köpük, buhar, basınç, sıcaklık, tank geometrisi ve proses şartlarına bağlıdır.

Hidrostatik basınçla seviye ölçümü

Açık bir tankta sıvı kolonunun tabanda oluşturduğu hidrostatik basınç yaklaşık olarak:

P = ρ × g × h

ilişkisiyle ifade edilir.

Bu nedenle uygun bir basınç sensörü veya basınç transmitteri kullanılarak sıvı seviyesi hesaplanabilir.

Ancak burada yoğunluk önemlidir.

Aynı yükseklikteki iki sıvının yoğunlukları farklıysa tabandaki basınçları da farklı olacaktır.

Ürün yoğunluğu sıcaklık, reçete veya bileşimle önemli ölçüde değişiyorsa hidrostatik seviyede buna dikkat edilmelidir.

Bu ilişki PID ile yoğunluk kontrolü konusuyla da doğrudan bağlantılıdır.

Radar ve ultrasonik ölçümde mesafe ölçülür

Tankın üstünden çalışan radar veya ultrasonik sistemler ürün yüzeyine olan mesafeyi ölçerek seviyeyi hesaplayabilir.

Temel olarak:

Tank referans yüksekliği - Ölçülen yüzey mesafesi = Seviye

ilişkisi kullanılır.

Radar elektromanyetik dalgalarla, ultrasonik sistem ise ses dalgalarıyla çalışır.

Proses şartları iki yöntemi farklı biçimde etkileyebileceği için sensör seçimi yalnızca ölçüm aralığına göre yapılmamalıdır.

Seviye transmitteri PLC'ye nasıl bağlanır?

Seviye transmitteri çoğu klasik endüstriyel uygulamada 4-20 mA veya 0-10 V analog sinyal üzerinden PLC'ye bağlanabilir.

Örneğin:

4 mA = 0 metre

20 mA = 5 metre

olarak ölçeklenebilir.

PLC analog değeri mühendislik birimine dönüştürür ve PID bloğuna PV olarak gönderir.

Yanlış scaling yapılırsa PID doğru tune edilmiş olsa bile kontrol yanlış çalışır.

Ham analog değerin doğru mühendislik birimine çevrilmesi PID tuning'den önce doğrulanmalıdır.

Seviye kontrolünde PI neden çoğu zaman yeterlidir?

Seviye döngülerinde full PID kullanmak her zaman gerekli değildir.

P etkisi mevcut seviye hatasına tepki verir.

I etkisi giriş ve çıkış debileri arasında sürekli bir dengesizlik kaldığında oluşabilecek kalıcı seviye sapmasını gidermeye yardımcı olur.

D etkisi ise hızlı değişime tepki verir; ancak seviye ölçümleri tank çalkalanması, yüzey hareketi ve sensör gürültüsü nedeniyle dalgalı olabilir.

Bu nedenle birçok endüstriyel seviye uygulamasında PI kontrol yeterli ve daha pratik olabilir.

P, I ve D bileşenlerinin genel davranışı ayrı sayfamızda açıklanmaktadır.

Seviye prosesinde integral neden dikkatli kullanılmalıdır?

Tank seviyesi zaten giriş ve çıkış debisi farkını zaman içerisinde biriktirir.

Başka bir ifadeyle prosesin kendisinde integrasyon davranışı vardır.

Bunun üzerine PID kontrolörünün integral etkisi çok agresif ayarlanırsa döngüde iki farklı integrasyon etkisi belirgin hale gelir.

Sonuç:

yavaş fakat büyük genlikli salınım,

set değeri etrafında sürekli yükselip alçalma,

vananın gereksiz yere sürekli ileri-geri çalışması

olabilir.

Seviye PID'sinde “daha fazla integral = daha hassas kontrol” düşüncesi tehlikelidir. Integrating proseslerde fazla hızlı integral kolayca salınım üretir.

PID kazanç ayarı yapılırken proses tipinin mutlaka dikkate alınması gerekir.

Tank geometrisi tuning'i değiştirir

Sabit çaplı dik silindirik tankta bir litre sıvının oluşturduğu seviye değişimi yaklaşık olarak tank boyunca aynıdır.

Konik veya küresel tankta ise kesit alanı seviyeye göre değişir.

Kesit alanı küçükken belirli bir debi farkı seviyeyi daha hızlı değiştirir.

Kesit alanı büyüdükçe aynı debi farkının seviye üzerindeki etkisi azalır.

Bu nedenle tek sabit PI/PID ayarı tankın alt bölgesinde agresif, üst bölgesinde ise yavaş kalabilir.

Gerekirse çalışma bölgesine göre farklı tuning veya gain scheduling kullanılabilir.

Tank yüzeyindeki dalgalanmayı PID takip etmeli mi?

Her zaman değil.

Karıştırıcı çalışan bir tankta yüzey sürekli dalgalanabilir.

Giriş hattı sıvıyı sensörün bulunduğu bölgeye vurabilir.

Tank içerisinde sloshing oluşabilir.

Seviye sensörü gerçek ortalama hacim değişimi yerine bu kısa süreli yüzey hareketlerini görüyorsa PID vanayı sürekli hareket ettirebilir.

Bu durumda;

sensör konumu,

uygun damping/filtering,

PID örnekleme zamanı

birlikte değerlendirilmelidir.

Ancak aşırı filtreleme de ölçüm gecikmesini büyütür.

Seviye kontrolünde vanayı mı pompayı mı kullanmalı?

Proses tasarımına bağlıdır.

Çıkış debisi kontrol vanasıyla düzenlenebilir.

Pompa kullanılıyorsa pompa hızı bir VFD üzerinden değiştirilebilir.

Örneğin:

Seviye PI → VFD hız referansı → Çıkış pompası → Debi → Tank seviyesi

şeklinde bir döngü kurulabilir.

Bu durumda seviye kontrolü ile VFD ile PID kontrolü ve akış kontrolü aynı sistem içerisinde birbirine bağlanabilir.

Kaskad seviye-debi kontrolü

Seviye kontrolörü doğrudan vanayı sürmek yerine daha hızlı çalışan bir debi PID döngüsüne set değeri verebilir.

Örneğin:

Dış döngü: Seviye PI → Çıkış debisi set değeri

İç döngü: Debi PID → Vana veya pompa

İç debi döngüsü vana basıncı, pompa davranışı ve kısa süreli akış değişikliklerini hızlı biçimde düzeltir.

Dıştaki daha yavaş seviye döngüsü ise tank envanterini yönetir.

Bu cascade control yapısında iç döngünün dış seviye döngüsünden belirgin biçimde daha hızlı olması gerekir.

Feedforward seviye kontrolünde işe yarar mı?

Evet.

Tankın giriş debisi ölçülebiliyorsa çıkış pompasının yaklaşık gerekli debisi daha seviye değişmeden hesaplanabilir.

Örneğin giriş 20 m³/h'den 30 m³/h'ye çıktıysa yalnızca seviyenin yükselmesini beklemek yerine çıkış debisi başlangıçta artırılabilir.

Seviye PI'si daha sonra kalan hatayı düzeltir.

Bu yapı:

Ölçülen giriş debisi → Feedforward çıkış debisi

ve

Seviye PI → İnce düzeltme

şeklinde kullanılabilir.

feedforward ve diğer kontrol stratejileri ayrı konumuzda ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Surge tankta seviyeyi çok sıkı kontrol etmek yanlış olabilir

Her tankın görevi seviyeyi milimetre hassasiyetinde sabit tutmak değildir.

Bir surge tank veya buffer tank, giriş ve çıkış debisi arasındaki kısa süreli farkları absorbe etmek için kullanılabilir.

Eğer seviye PID'si tankı çok sıkı tutmaya çalışırsa girişteki her küçük debi bozukluğunu doğrudan çıkışa aktarabilir.

Oysa tankın fiziksel hacmi bu bozuklukları yumuşatmak için kullanılabilir.

Bu tür uygulamalarda daha yavaş, daha sakin bir averaging level control yaklaşımı prosesin tamamı için daha iyi olabilir.

En iyi seviye kontrolü her zaman “PV set değerinden hiç ayrılmasın” anlamına gelmez.

Pompa ve vana doygunluğu

Tank seviyesi yükseliyor ve çıkış pompası zaten %100 hızda çalışıyorsa PID'nin yapabileceği ek bir fiziksel düzeltme kalmamıştır.

Aynı şekilde vana tamamen açıkken çıkış kapasitesi yetersiz kalabilir.

Bu durumda sorun tuning değil:

pompa kapasitesi,

boru çapı,

vana Cv değeri,

proses debisi

olabilir.

PID integrali doygunluk sırasında büyümeye devam ederse integral windup oluşabilir.

PID sorun giderme sırasında output saturation mutlaka kontrol edilmelidir.

Taşma ve kuru çalışma PID'ye bırakılmamalıdır

PID normal proses kontrolü içindir.

High-High Level veya Low-Low Level gibi kritik sınırlar normal PID hesabından bağımsız koruma mantığına sahip olmalıdır.

Örneğin:

HH level geldiğinde giriş pompasının durdurulması,

LL level geldiğinde çıkış pompasının kuru çalışmaya karşı durdurulması

gibi interlocklar gerekebilir.

Uygulamanın risk seviyesine göre ayrı seviye switchleri veya bağımsız güvenlik katmanları kullanılabilir.

PID'nin tankı normalde iyi kontrol etmesi taşma korumasının veya kuru çalışma korumasının yerine geçmez.

Seviye ölçümünde sensör arızası ne yapar?

Örneğin 4-20 mA transmitter kablosu kopar ve PLC bunu gerçek “0 metre” değeri gibi yorumlarsa kontrolör tankı doldurmak için vanayı tamamen açabilir.

Bu nedenle analog sinyal teşhisi, bad-quality kontrolü ve engineering-range denetimi yapılmalıdır.

Sensör arızasında PID'nin;

Manual moda geçmesi,

çıkışı güvenli değerde tutması,

veya proses tasarımına uygun güvenli reaksiyon vermesi

önceden tanımlanmalıdır.

Seviye PID tuning'i nasıl başlanmalı?

Önce Manual modda küçük bir vana veya pompa değişikliği yapılır.

Ardından şu davranışlar gözlenir:

Seviye hangi yönde değişti?

Seviye değişim hızı ne kadar?

Çıkış sabitken seviye sabitlendi mi, yoksa sürekli rampaya mı devam etti?

Tank hangi çalışma noktasında?

Yüzey dalgalanması ölçümü ne kadar etkiliyor?

Aktüatörde ölü bant veya gecikme var mı?

Bu deney prosesin self-regulating mi integrating mi olduğuna dair önemli bilgi verir.

Bundan sonra Kp ve integral zamanı proses dinamiğine göre ayarlanabilir.

Seviye PID'sinde türev gerekli mi?

Çoğu klasik tank uygulamasında şart değildir.

Seviye prosesi genellikle yavaş olduğundan PI yeterli olabilir.

Ayrıca tank içerisindeki dalga ve karıştırıcı etkileri derivative teriminde gereksiz hareket oluşturabilir.

D kullanılıyorsa yalnızca “PID'de D harfi var” diye değil, gerçek proses cevabını iyileştirdiği görülerek kullanılmalıdır.

Tank kesiti değişiyorsa gain scheduling düşünülebilir

Konik bir tankın alt kısmında kesit küçüktür.

Aynı 1 m³/h debi farkı burada seviyeyi hızlı değiştirebilir.

Tank genişledikçe aynı debi farkının seviye değişim hızı azalır.

Dolayısıyla düşük seviyede iyi çalışan Kp, yüksek seviyede yetersiz kalabilir veya tersi görülebilir.

Çalışma bölgesine göre belirgin proses kazancı değişiyorsa gain scheduling uygulanabilir.

Bu, sabit PID kazançlarının sınırlamalarına güzel bir örnektir.

SCADA'da hangi değerler izlenmeli?

SCADA trendinde mümkünse şu değerler aynı zaman ekseninde görülmelidir:

Seviye SP

Seviye PV

PID çıkışı

Giriş debisi

Çıkış debisi

Pompa hızı veya vana pozisyonu

Auto / Manual modu

HH / H / L / LL durumları

Seviye yükselirken çıkış vanası komutu da artıyor fakat gerçek çıkış debisi değişmiyorsa problem PID hesabından sonra olabilir.

Bu nedenle yalnız PV grafiğine bakarak PID tuning yapılmamalıdır.

Seviye kontrolünde yaygın problemler

Seviye sürekli yavaşça yukarı-aşağı salınıyor: Integral etkisi integrating prosese göre fazla hızlı olabilir.

Vana sürekli küçük hareketler yapıyor: Tank yüzey dalgası, gereksiz yüksek Kp veya yetersiz PV filtering araştırılmalıdır.

PID %100 ama seviye hâlâ yükseliyor: Çıkış kapasitesi giriş debisinden düşük olabilir.

PID çıkışı artınca seviye yanlış yönde gidiyor: Control action yönü hatalı olabilir.

Tankın alt seviyesinde salınıyor, üst seviyesinde yavaşlıyor: Değişken tank kesit alanı proses kazancını değiştiriyor olabilir.

Seviye sensörü pompa çalışırken dalgalanıyor: Köpük, türbülans, yüzey hareketi veya yanlış sensör noktası araştırılmalıdır.

Bir debide iyi, yüksek üretimde kötü: Vana/pompa kapasitesi veya proses dinamikleri değişiyor olabilir.

PV bir anda minimuma düşüyor: Gerçek tank boşalmasının yanında transmitter ve sinyal arızası da kontrol edilmelidir.

Seviye kontrolü nerelerde kullanılır?

Depolama tankları: Envanterin güvenli çalışma aralığında tutulması.

Reaktör ve proses kapları: Reaksiyon hacminin veya residence time'ın korunması.

Su ve atık su: Havuz, depo ve pompa istasyonlarının kontrolü.

Surge ve buffer tanklar: Giriş-çıkış debisi dalgalanmalarının absorbe edilmesi.

Karıştırma sistemleri: Belirli hacimde ürün bulundurulması.

Pompa istasyonları: Tank veya havuz seviyesine göre pompa hızının yönetilmesi.

Seviye PID devreye alma kontrolü

1. Seviye transmitteri gerçek tank seviyesiyle uyuşuyor mu?

2. Analog scaling doğru mu?

3. Proses integrating mi, self-regulating mi?

4. Giriş mi yoksa çıkış mı kontrol ediliyor?

5. Control direction Manual modda doğrulandı mı?

6. Pompa veya vana yeterli kapasiteye sahip mi?

7. Tank kesit alanı seviyeye göre değişiyor mu?

8. Sensör yüzey dalgalanmasından etkileniyor mu?

9. Filtreleme kontrolü gereksiz geciktiriyor mu?

10. Integral çok agresif mi?

11. Output saturation ve anti-windup yönetiliyor mu?

12. Giriş ve çıkış debileri trendlenebiliyor mu?

13. HH ve LL korumaları PID'den bağımsız mı?

14. Sensör arızasında sistemin güvenli reaksiyonu tanımlı mı?

15. Tuning gerçek minimum ve maksimum üretim debilerinde kontrol edildi mi?

İlgili PID ve Seviye Kontrol Konuları

PID temelleri ve proses davranışı: PID Nedir? - P, I ve D Bileşenleri - Farklı Proses Tipleri - Zaman Gecikmesi ve Sistem Dinamikleri

Ölçüm ve akış: Basınç Sensörleri - Analog Sinyaller - PID ile Akış Kontrolü - Hız Kontrol Cihazları

Kontrol altyapısı: PLC ile PID - SCADA ile PID - VFD ile PID

Tuning ve ileri kontrol: PID Kazanç Ayarı - PID Sorun Giderme - PID Sınırlamaları - PID ve Diğer Kontrol Stratejileri

Seviye kontrolünde uygun tuning yalnızca Kp, Ki ve Kd değerlerine bağlı değildir. Tank geometrisi, giriş ve çıkış hidrolikleri, sensör teknolojisi, yüzey hareketi, vana veya pompa kapasitesi ve prosesin integrating ya da self-regulating davranışı birlikte değerlendirilmelidir.