ELM.04-01-23.01-SGStyczeń 2023 · 22 kroki · ok. 49 min · 36 kryteriów z klucza
Rozwiązanie krok po kroku: Układ regulacji temperatury
Arkusz z przeglądem czujników Pt100 i modernizacją układu regulacji temperatury. Najpierw liczymy, jakie rezystancje dopuszcza norma PN-EN 60751 dla klas A i B, i na tej podstawie klasyfikujemy trzy zbadane czujniki. Potem uzupełniamy schemat połączeń nowego układu (wyłączniki RCD, przekaźnik SSR, moduł z trzema grzałkami w gwiazdę, regulator RE z czujnikiem RTD), dobieramy nastawy regulatora PID metodą Zieglera-Nicholsa i wypisujemy czynności przeglądu regulatora.
Ten sam układ wrócił w sesji styczniowej 2024, ale z innymi pomiarami, połączeniem grzałek w trójkąt i przeglądem modułu grzewczego - tu wszystkie te elementy są inne.
Kroki idą w kolejności arkusza. Każdy zaczyna się poleceniem z arkusza, wyjaśnia, skąd bierze się wpis, i mówi, które kryteria klucza spełnia. Wszystkie wartości graniczne, klasy czujników i nastawy policzyłem w skrypcie i porównałem z kluczem oceniania CKE (tolerancja klucza ±0,02 Ω).
Co widać w podglądzie. Tabele i rysunek 7 z arkusza odtworzone na stronie. Wpisy i połączenia dorysowane przez zdającego są granatowe i pisane ręcznie (model „d”), a elementy z bieżącego kroku są podświetlone na żółto.
Najważniejsze dane, do których wracamy w wielu krokach:
R_Tmin = R_T · (1 - δ/100), R_Tmax = R_T · (1 + δ/100), δ dla klas A i B z tabeli 1,
regulator RE: zasilanie 1 (L), 2 (N); czujnik RTD na 6, 7, 8; wyjście do SSR na 11 (+) i 12 (-),
SSR: R, S, T - zasilanie 3 x 400 V, U, V, W - odbiornik, + / - sterowanie 3 ÷ 32 V DC,
moduł grzewczy: trzy grzałki (1-2, 3-4, 5-6), łączone w gwiazdę.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 36 kryteriów w 5 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 27 punktów - można stracić 9 kryteriów i nadal zdać.
Etap 1: Tabela 2. Wartości graniczne rezystancji Pt100
Kroki 1-4 · po tym etapie masz 8 z 36 kryteriów (pkt)
Krok 1: Klasa A, 0 ÷ 80 °C
Kryteria: ,
R.1.1 1 ÷ 5 wartości RTmin dla czujników Pt100 klasy A są wyliczone: 1 - 99,85 Ω; 2 - 107,59 Ω; 3 - 115,27 Ω; 4 - 122,91 Ω; 5 - 130,49 Ω
R.1.3 1 ÷ 5 wartości RTmax dla czujników Pt100 klasy A są wyliczone: 1 - 100,15 Ω; 2 - 107,99 Ω; 3 - 115,81 Ω; 4 - 123,57 Ω; 5 - 131,31 Ω
ok. 4 min
Polecenie z arkusza
Oblicz graniczne wartości rezystancji wynikające z błędu nieliniowości dla czujników Pt100 - tabela 2.
Graniczny błąd δ z tabeli 1 to procent rezystancji nominalnej R_T (dla klasy A od ±0,15 % przy 0 °C do ±0,55 % przy 200 °C). Granice liczymy z zależności podanych pod tabelą 1:
Zaokrąglenie do jednego miejsca albo obcięcie zamiast zaokrąglenia (np. 166,45 zamiast 166,46) - klucz dopuszcza tylko ±0,02 Ω.
Dokument po tym kroku
Etap 2: Tabela 3. Klasa i przydatność czujników
Kroki 5-7 · po tym etapie masz 14 z 36 kryteriów (pkt)
Krok 5: Czujnik nr 1
Kryteria: ,
R.2.1 1 zaznaczono tylko Poza klasami A i B
R.2.2 1 określona sprawność czujnika - Do wymiany
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Określ klasę badanych trzech czujników Pt100, oznaczonych numerami 1, 2, 3 i oceń ich przydatność do dalszej eksploatacji - tabela 3.
Czujnik spełnia klasę, gdy każdy z 11 pomiarów z tabeli 1 mieści się między R_Tmin a R_Tmax tej klasy.
Czujnik 1 przekracza nawet granice klasy B: 180 °C (170,63 Ω > 170,50 Ω), 200 °C (178,35 Ω > 178,15 Ω). Zaznaczam tylko „Poza klasami A i B” i do wymiany.
Typowe błędy
Ocena czujnika 1 jako klasy B, bo do 160 °C mieści się w granicach klasy B - rozstrzyga najgorszy punkt (R.2.1).
Dokument po tym kroku
Krok 6: Czujnik nr 2
Kryteria: ,
R.2.3 2 zaznaczono tylko Spełnia klasę B
R.2.4 2 określona sprawność czujnika - Sprawny
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Określ klasę badanych trzech czujników Pt100, oznaczonych numerami 1, 2, 3 i oceń ich przydatność do dalszej eksploatacji - tabela 3.
Czujnik 2 wychodzi poza klasę A w temperaturach: 140 °C (154,29 Ω > 154,24 Ω), 160 °C (161,88 Ω > 161,81 Ω), 180 °C (169,52 Ω > 169,34 Ω), 200 °C (176,98 Ω > 176,83 Ω). Wszystkie pomiary mieszczą się natomiast w granicach klasy B → zaznaczam tylko „Spełnia klasę B” i sprawny (zbadane czujniki mogą być klasy A lub B, więc czujnik klasy B nadaje się do dalszej pracy).
Dokument po tym kroku
Krok 7: Czujnik nr 3
Kryteria: ,
R.2.5 3 zaznaczono tylko Spełnia klasę B
R.2.6 3 określona sprawność czujnika - Sprawny
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Określ klasę badanych trzech czujników Pt100, oznaczonych numerami 1, 2, 3 i oceń ich przydatność do dalszej eksploatacji - tabela 3.
Czujnik 3 odchyla się w drugą stronę - w wyższych temperaturach pokazuje za mało: 160 °C (160,20 Ω < 160,29 Ω), 180 °C (167,21 Ω < 167,62 Ω), 200 °C (174,77 Ω < 174,89 Ω). To poniżej dolnych granic klasy A, ale wszystkie pomiary mieszczą się w klasie B (np. przy 180 °C: 167,21 Ω > 166,46 Ω, przy 200 °C: 174,77 Ω > 173,57 Ω). Zaznaczam tylko „Spełnia klasę B” i sprawny.
Typowe błędy
Porównanie pomiarów tylko z górną granicą R_Tmax - czujnik 3 wypada z klasy A przez dolną granicę R_Tmin (R.2.5).
Dokument po tym kroku
Etap 3: Rysunek 7. Schemat połączeń po modernizacji
Kroki 8-15 · po tym etapie masz 23 z 36 kryteriów (pkt)
Krok 8: Wyłącznik RCD trójfazowy z siecią
Kryteria:
R.3.1 sieci zasilającej z trójfazowym wyłącznikiem RCD
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Część mocy (grzałki 3 x 3 kW, zasilanie 3 x 400 V) zasilamy przez trójfazowy wyłącznik RCD: L1 → 1, L2 → 3, L3 → 5, N → 7 (zacisk N wyłącznika). Wyłącznik różnicowoprądowy porównuje prądy we wszystkich przewodach roboczych, więc przewód N podłącza się do niego zgodnie z opisem zacisków. Kropki oznaczają odgałęzienia od szyn.
Dokument po tym kroku
Krok 9: Wyłącznik RCD jednofazowy z siecią
Kryteria:
R.3.2 sieci zasilającej z jednofazowym wyłącznikiem RCD
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Regulator RE jest zasilany jednofazowo (85 ÷ 270 V AC), więc dostaje osobny jednofazowy RCD: L1 → 1, N → N. Fazę można wziąć z dowolnej szyny L - klucz sprawdza samo połączenie sieci z wyłącznikiem.
Dokument po tym kroku
Krok 10: Przekaźnik SSR za wyłącznikiem trójfazowym
Kryteria:
R.3.3 przekaźnika SSR z wyjściami trójfazowego wyłącznika RCD
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Wyjścia 2, 4, 6 trójfazowego RCD prowadzę do zacisków R, S, T przekaźnika SSR (zasilanie 3 x 400 V). Zacisk 8 (N) zostaje wolny - SSR przełącza tylko trzy fazy, a symetryczny odbiornik w gwiazdę nie wymaga przewodu neutralnego.
Dokument po tym kroku
Krok 11: Moduł grzewczy za przekaźnikiem SSR
Kryteria:
R.3.4 modułu grzewczego z wyjściami przekaźnika SSR
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Wyjścia U, V, W przekaźnika łączę z początkami grzałek: U → 1, V → 3, W → 5. SSR (3 x 25 A) przełącza wszystkie trzy fazy naraz, sterowany sygnałem z regulatora.
Dokument po tym kroku
Krok 12: Grzałki w gwiazdę
Kryteria:
R.3.5 modułu grzewczego w układzie gwiazdy
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
W gwieździe końce wszystkich grzałek łączy się w jeden punkt gwiazdowy: 2 + 4 + 6. Początki 1, 3, 5 dostają po jednej fazie, więc każda grzałka pracuje na napięciu fazowym (400 V / √3 ≈ 230 V). Moduł dopuszcza oba układy (tabela 2.5: „gwiazdy lub trójkąta”), a polecenie wybiera gwiazdę. Kropka pokazuje rozgałęzienie w punkcie gwiazdowym.
Na koniec (poza kluczem) przewód ochronny: zacisk PE modułu → szyna PE - obudowa grzałek musi być uziemiona.
Typowe błędy
Mostki 2-3, 4-5, 6-1 - to trójkąt, a polecenie każe połączyć grzałki w gwiazdę (R.3.5).
Dokument po tym kroku
Krok 13: Zasilanie regulatora RE
Kryteria:
R.3.6 zasilania regulatora RE z wyjściami jednofazowego wyłącznika RCD
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
R.3.7 zacisków wyjść regulacyjnych regulatora RE z zaciskami sterowania przekaźnika SSR
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Regulator ma dwa rodzaje wyjścia regulacyjnego: przekaźnik (5, 10) albo wyjście do sterowania SSR (11, 12) - 12 V DC, 30 mA. Przekaźnik SSR sterujemy napięciem 3 ÷ 32 V DC, więc wybieram 11 (SSR+) → + i 12 (SSR-) → - przekaźnika. Zestyk 5-10 nadawałby się do sterowania stycznikiem, a nie wejściem SSR.
Dokument po tym kroku
Krok 15: Czujnik Pt100 w układzie trójprzewodowym
Kryteria: ,
R.3.8 czujnika RTD Pt100 z zaciskami 6, 7 i 8 regulatora RE
R.3.9 czujnika RTD Pt100 w układzie trójprzewodowym
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Dorysuj na rysunku 7. trójprzewodowy układ czujnika RTD oraz połączenia między podzespołami układu regulacji temperatury wiedząc, że grzałki modułu grzewczego mają być połączone w gwiazdę.
Rysunek 3 pokazuje, jak podłączyć RTD: jeden koniec rezystora - RTD1 (zacisk 6), drugi koniec rozgałęzia się na RTD2 (7) i RTD3 (8). To układ trójprzewodowy: regulator mierzy rezystancję przewodu RTD2 - RTD3 i odejmuje ją od wyniku, więc długość przewodów nie zafałszowuje pomiaru temperatury.
Dokument po tym kroku
Etap 4: Nastawy regulatora PID (Ziegler-Nichols)
Kroki 16-18 · po tym etapie masz 29 z 36 kryteriów (pkt)
Krok 16: Wzmocnienie K_P
Kryteria: ,
R.4.1 nazwę parametru KP - współczynnik wzmocnienia
R.4.2 wartość KP = 2,4 V/V
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz optymalne nastawy regulatora temperatury układu po modernizacji według reguł Zieglera-Nicholsa.
Metoda Zieglera-Nicholsa: regulator P doprowadzono do granicy stabilności - wzmocnienie krytyczne K_KR = 4 V/V, okres oscylacji T_KR = 60 s. Dla regulatora PID tabela 4 podaje:
K_P = 0,6 · K_KR = 0,6 · 4 = 2,4 V/V
K_P to współczynnik wzmocnienia (proporcjonalności).
Dokument po tym kroku
Krok 17: Czas całkowania T_I
Kryteria: ,
R.4.3 nazwę parametru TI - stała całkowania lub czas zdwojenia
R.4.4 wartość TI = 30 s
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Oblicz optymalne nastawy regulatora temperatury układu po modernizacji według reguł Zieglera-Nicholsa.
T_I = 0,5 · T_KR = 0,5 · 60 s = 30 s - stała czasowa całkowania (czas zdwojenia).
Dokument po tym kroku
Krok 18: Czas różniczkowania T_D
Kryteria: ,
R.4.5 nazwę parametru TD - stała różniczkowania lub czas wyprzedzenia
R.4.6 wartość TD = 7,5 s
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Oblicz optymalne nastawy regulatora temperatury układu po modernizacji według reguł Zieglera-Nicholsa.
T_D = 0,125 · T_KR = 0,125 · 60 s = 7,5 s - stała czasowa różniczkowania (czas wyprzedzenia). Wszystkie trzy nastawy z jednostkami, bo tego wymaga polecenie („wraz z jednostkami”).
Typowe błędy
Użycie wiersza PI zamiast PID (0,45 K_KR i 0,83 T_KR) albo pominięcie jednostek przy T_I i T_D.
Dokument po tym kroku
Etap 5: Tabela 5. Czynności przeglądu regulatora
Kroki 19-22 · po tym etapie masz 36 z 36 kryteriów (pkt)
Krok 19: Przegląd miesięczny
Kryteria: ,
R.5.1 sprawdzić stan mocowania mechanicznego wszystkich podzespołów oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz w miesiącu
R.5.2 sprawdzić stan izolacji przewodów pod kątem uszkodzeń i zabrudzeń oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz w miesiącu
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Sporządź wykaz czynności związanych z przeglądem regulatora, z podaniem częstotliwości ich wykonania - tabela 5.
Z instrukcji oględzin i przeglądów (s. 9) wybieram czynności, które dotyczą regulatora, i przepisuję częstotliwość z nagłówka punktu. Przegląd miesięczny obejmuje cały układ, więc także regulator:
mocowanie mechaniczne wszystkich podzespołów - minimum 1 raz w miesiącu,
stan izolacji przewodów (uszkodzenia, zabrudzenia) - minimum 1 raz w miesiącu.
Dokument po tym kroku
Krok 20: Przegląd kwartalny: panel i nastawy
Kryteria: ,
R.5.3 sprawdzić pod kątem czystości i czytelności panel frontowy regulatora oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz na kwartał
R.5.4 sprawdzić nastawy regulatora i ewentualnie skorygować oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz na kwartał
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Sporządź wykaz czynności związanych z przeglądem regulatora, z podaniem częstotliwości ich wykonania - tabela 5.
czystość i czytelność panelu frontowego regulatora - minimum 1 raz na kwartał,
sprawdzenie i ewentualna korekta nastaw regulatora - minimum 1 raz na kwartał (np. nastaw K_P, T_I, T_D wyliczonych wyżej).
Dokument po tym kroku
Krok 21: Przegląd kwartalny: test grzania i alarmy
Kryteria: ,
R.5.5 sprawdzić działanie regulatora przeprowadzając test grzania oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz na kwartał
R.5.6 sprawdzić poprawność generowania alarmów oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz na kwartał
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Sporządź wykaz czynności związanych z przeglądem regulatora, z podaniem częstotliwości ich wykonania - tabela 5.
działanie regulatora sprawdzone testem grzania - minimum 1 raz na kwartał,
poprawność generowania alarmów - minimum 1 raz na kwartał.
Dokument po tym kroku
Krok 22: Przegląd roczny i czujnik
Kryteria:
R.5.7 dokręcić wszystkie zaciski regulatora oraz częstotliwość przeprowadzania minimum 1 raz na rok
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Sporządź wykaz czynności związanych z przeglądem regulatora, z podaniem częstotliwości ich wykonania - tabela 5.
dokręcenie wszystkich zacisków regulatora - minimum 1 raz na rok.
Dopisuję też (klucz tego nie wymienia) kwartalne sprawdzenie czujnika temperatury - to wejście pomiarowe regulatora, a instrukcja umieszcza je w przeglądzie kwartalnym. Czynności dotyczące wyłącznie modułu grzewczego (prądy, kanały powietrza, złącza prądowe) pomijam, bo tabela dotyczy regulatora.
Dokument po tym kroku
Podgląd
Symulacja ekranu w przeglądarce - w Android Studio / Visual Studio wygląd może się nieco różnić.
To jedno z możliwych rozwiązań. Egzaminator ocenia spełnienie kryteriów z klucza odpowiedzi, a nie zgodność z tym rozwiązaniem - inna, poprawna droga też daje punkty.
Autor rozwiązania: Bartosz Bryniarski. Licencja CC BY-NC 4.0 - kopiowanie i przeróbki do celów niekomercyjnych, z podaniem autora i źródła (link do tej strony). Treść arkusza i klucza oceniania pochodzi z CKE.