Prostriedky automatického riadenia

Transcript

1 LOGO A u t o m a t i z á c i a p r i e m y s e l n ý c h t e c h n o l ó g i í Prostriedky automatického riadenia Technika ochrany životného prostredia

2 Obsah 1 Styk riadeného objektu s okolím 2 Snímače 3 Pohony APT 2

3 Riadenie Riadenie je činnosť, kedy sa na základe predpísaného algoritmu sleduje systém a po zistení výchylky od požadovaného stavu alebo priebehu sa vykonajú korekcie, aby sa do neho systém vrátil APT 3

4 Styk riadiaceho systému s riadeným okolím Prenosová cesta údajov z procesu do RS je tvorená postupne: snímačmi a prevodníkmi umiestnenými v procese, ďalej prenosovým vedením tvoreným najčastejšie káblami alebo vodičmi pre prenos elektrických signálov do blízkosti riadiaceho systému a nakoniec často špeciálnym periférnym zariadením RS nazývaným jednotka styku s prostredím. V opačnom smere na číselné hodnoty výpočtov riadiaceho počítača napr. hodnoty riadiacich zásahov) prevádzajú na signály vhodné k ovládaniu zariadenia v riadenom procese (to zn. vhodné signály napätie, prúd, tlak). Tieto signály sa opäť vedú do riadeného procesu na jednotlivé ovládané zariadenia cez prenosové vedenia APT 4

5 Pri meraní a prenose údajov rozlišujeme pojmy: a) meraná veličina sledovaná veličina všeobecnej fyz.povahy, ktorej hodnotu chceme merať a informáciu o nej dodať neskreslene do RS (teplota, tlak, rýchlosť, poloha,..) b) mieronosná veličina veličina, ktorej vlastnosti sú výhodné z hľadiska jej diaľkového prenosu, ďalšieho spracovania a niektorý jej parameter nesie hodnotu o mer.veličine (el.nap., el.prúd, veľkosť el.prúdu) c) signál je časové rovinutie mieronosnej veličiny APT 5

6 K prenosu údajov medzi RS a riadeným procesom sa používajú signály, ktoré môžme rozdeliť na: analógové dvojhodnotové impulzné číslicové APT 6

7 Vstupné signály z procesu do RS 1) analógový signál mieronosnou veličinou je jednosmerné napätie, alebo prúd, ktorého veľkosť je úmerná okamžitej hodnote meranej veličiny. Charakteristika: analógový signál nadobúda ľubovolné hodnoty určitého daného rozsahu a je spojitý v čase. Generujú ho prevodníky a snímače, ktoré sa používajú k meraniu spojitých fyz.veličín(prietok, tlak, hladina...). Používané rozsahy: 0 1V, 0 5V, 0 10V, 0 20mA, 4 20mA, APT 7

8 2) dvojhodnotový (logický) signál je tvorený napätím alebo prúdom, ktoré môže nadobudať iba dve úrovne predstavujúce tzv. log.0 a log.1 (napr.0v a 5V). Týmito signálmi sa do PC prenášajú informácie o stave zariadenia a procesu (nap.stavy motorov, čerpadiel, kompresorov, (zapnuté, vypnuté), stavy dvojpolohových ventilov (otvorený, zatvorený), a o signalizácii prekročenia medzí analógových veličín). Zdrojom signálov sú: relé, koncové spínače, prepínače, tlačidlá a logické obvody. Úrovne: 0/5V = 0/24V = 0/24V ~ 0/230V~ APT 8

9 3) impulzné signály sú generované impulzmi výstupov. Informáciu o hodnote mer. veličiny nesie frekvencia impulzov konšt. šírky a amplitúdy a preto sa nazýva impulzný signál ako s frekvenčnou moduláciou. K snímačom s týmto typom výstupu patria elektromery, prietokomery, merače tepla APT 9

10 4) číslicový signál môže byť paralelný alebo sériový. A - Paralelný je tvorený skupinou niekoľkých paralelných dvojhodnotových signálov, z ktorých každý predstavuje jeden rad dvojkového čísla. Sú vytvárané mer. prístrojmi (snímačmi) z číslicovým paralelným výstupom. Nevýhody: veľa vodičov. B Sériový je tvorený postupnosťou 0 a 1 taktový určitou frekvenciou. Výhody: je pomalší ako paralelný, nepotrebuje toľko drôtov APT 10

11 Výstupné signály z RS: -analógový výstupný signál je generovaný prostredníctvom ČA prevodníka podľa postupne prichádzajúcich vypočítaných číselných hodnôt. Po príchode jednej hodnoty ČA prevodník vygeneruje na svojom výstupe napätie úmerné tejto hodnote a udrží ju až do príchodu ďalšieho čísla z centrálnej jednotky počítača. Analógové výstupné signály sú vhodné pre ovládanie zariadení so spojitým vstupom (napr. ventily, meniče) a k ovládaniu analógových regulátorov APT 11

12 Dvojhodnotové signály: využívajú sa na výstupe z RS pre ovládacie prevádzky, t.j. spínanie kontaktom pre ovládanie motorov, čerpadiel a pre svetelnú a zvukovú signalizáciu. Vygenerovaná hodnota signálu tohto typu je udržiavaná konštanta až do okamžiku príchodu nasledujúceho algoritmu. Z výstupu RS je to veľmi často logický tranzistorový výstup alebo beznapäťové kontakty relé APT 12

13 Číslicový výstupný signál: -používa sa rovnako ako pri vstupe do počítača číslicovému prenosu a zobrazovaniu údajov paralelný - sériový Použitie signálov: - pri vstupe do RS sa najviac uplatňujú analógové a dvojhodnotové signály. Dvojhodnotových signálov býva niekoľkokrát viac než analógových. - pre výstup z RS prevažnú väčšinu signálu tvoria taktiež dvojhodnotové. V poslednej dobe nadobúdajú čoraz väčšiu dôležitosť impulzné a číslicové APT 13

14 Analógové a číslicové systémy Riadené procesy môžeme rozdeliť do dvoch tried: a) spojito prebiehajúce procesy b) nespojito prebiehajúce procesy V praxi sa môžeme stretávať s dvoma triedami automatických riadiacich systémov (ak skúmame podstatu signálov ako spoločný prvok): - spojité riadenie procesov - nespojité riadenie procesov Spojito prebiehajúce procesy: môžeme riadiť spojitými a aj diskrétnymi automatizačnými riadiacimi prostriedkami. Nespojito prebiehajúce procesy: môžeme riadiť len diskrétnymi riadiac.prostriedkami. Diskrétne automatizačné prostriedky rozdeľujeme: a) logické b) číslicové(logické sú v skutočnosti zvláštnym prípadom číslicových ) APT 14

15 a) logické prostriedky: -pracujú s dvojhodnotovými signálmi (klasická logika), logicky ich spracovávajú (rozhodovanie) a môžu si ich pamätať. b) číslicové prostriedky: -operujú (pracujú) s rôznymi číslicovými kódmi, aritmeticky ich spracovávajú, pamätajú a prevádzajú aj iné transformácie. V závislosti od formy spracovávanej informácie v systéme môžeme systémy rozdeliť: - číslicové - analógové Existujú ešte aj systémy, ktoré využívajú číslicovú a analógovú techniku v rôznych častiach tzv. hybridné systémy APT 15

16 Analógové systémy (lineárne): pracujú s informáciou v analógovej forme. Ústredným členom sú regulátory PI, PD, ktoré dostávajú signál od snímača určitým spôsobom ho spracovávajú a výstupným signálom ovládajú pohon regulačného orgánu. Číslicové systémy: pracujú s informáciou v diskrétnej alebo v kvantovej forme, vo forme separátnych častí informácie (bity, číslice) APT 16

17 Spojité regulátory sa inštalujú ako P, PI, PD. ideálny stav : P-regulátor PI-regulátor PID-regulátor APT 17

18 Snímače Snímač všeobecne znamená označenie pre technické zariadenie, ktoré je určené pre snímanie a detekciu rôznych fyzikálnych veličín, vlastností látok a technických stavov, súčiastka používaná v automatizácii a priemyselnej reguláciu (senzor): optický snímač polohy, magnetický snímač polohy, snímač pohybu, snímač teploty, hladinový snímač, otrasový snímač, indukčný snímač prietoku, ultrazvukový snímač, snímač rozdielov tlakov respektíve snímač tlakových rozdielov, piezoelektrický snímač mechanického napätia, snímač čiarového kódu, snímač odtlačkov prstov... Snímač prevádza fyzikálnu veličinu meranej veličiny najčastejšie na unifikovaný elektrický signál APT 18

19 Použitie snímačov V súčasnosti sa snímače používajú prakticky vo všetkých druhoch priemyselných výrobkov a systémov, ako aj v procesnej automatizácii, v meraní a regulácii. Niekoľko príkladov: medicína a lekárske prístroje, priemysel a priemyselná výroba, robotika, spotrebná elektronika, výrobky pre domácnosť, dopravné prostriedky, automobily, spracovateľský priemysel, poľnohospodárstvo a potravinárstvo. Väčšina snímačov sú elektrické alebo elektronické, i keď existujú aj iné typy. Snímače sú druhom prevodníkov. Snímače buď aj priamo zobrazujú hodnoty (napr. ortuťové teplomery) alebo sú spojené s indikátorom (môžu byť aj nepriamo napr. cez analógový alebo číslicový kovertor, alebo počítač a displej), aby boli pre človeka čitateľné APT 19

20 Rozdelenie snímačov Podľa druhu meranej fyzikálnej veličiny polohy rýchlosti a zrýchlenia kmitavého pohybu mechanického napätia sily... atď Podľa priebehu výstupného signálu spojité limitné číslicové Podľa princípu činnosti mechanické odporové magnetické indukčné kapacitné optické ultrazvukové... atd Podľa spôsobu odmeriavanie absolútne prírastkové (inkrementálne) zmiešané Príklad mechanického snímača koncový spínač APT 20

21 Snímače polohy, rýchlosti a zrýchlenia Pre automatizáciu výrobných strojov, robotov a pod. sú dôležité snímače kinematických a dynamických veličín. Tieto poskytujú informáciu o fyzikálnych veličinách riadeného procesu odvodených od mechanického pohybu. Rozdeľujeme ich podľa týchto kritérií: - druh meranej veličiny snímače polohy, rýchlosti, zrýchlenia, kmitavého pohybu -princíp činnosti snímače mechanické, odporové, kapacitné, indukčné, magnetické, optické, ultrazvukové, pneumatické - priebeh výstupného signálu snímače spojité, nespojité - spôsob merania snímače absolútne, prírastkové, kombinované APT 21

22 Odporové snímače polohy spojité Základom odporových spojitých snímačov polohy sú odporové potenciometre, ktorých bežec posúvajúci sa po odporovej dráhe je mechanicky spojený s predmetom, ktorého polohu meriame. Dráha je realizovaná na nosnej izolovanej podložke, na ktorej je navinutý smaltovaný drôt, po ktorom sa pohybuje kontakt, alebo nekovový odporový element tvorený najčastejšie vodivým plastom CP (conductive Plastic vodivé plnidlo zalisované v termoplaste). Ich prednosťou je vysoká rozlišovacia schopnosť a veľká životnosť. Drôtové potenciometre vykazujú väčšiu robustnosť a elektrickú zaťažiteľnosť. výhody oboch spája hybridná technológia, ktorá je použitá pri niektorých druhoch viacotáčkových potenciometroch. Jazdec sa vyrába zo špeciálnych zliatin (PtIr, AgPd). Odporový snímač polohy pracuje ako napäťový delič s deliacim pomerom určeným meranou polohou. Vyhodnocovacie obvody preto stanovujú zmenu napätia (prúdu) obvodu odporového snímača štandardnými vychyľovacími alebo nulovými metódami používanými pri meraní odporov APT 22

23 Kapacitné snímače polohy Metóda využíva prevod meranej veličiny na zmenu parametra určujúceho kapacitu kondenzátora. Tá je daná geometriou elektród a permitivitou priestoru, v ktorom sa uzatvára elektrické pole. Bezdotykový snímač s analógovým výstupom APT 23

24 Indukčné snímače polohy Elektromagnetické snímače vyhodnocujú zmenu magnetického toku pomocou zmeny impedancie magnetického obvodu. Na jadre permanentného magnetu ja nasadená cievka s N závitmi. V magnetickom poli sa pohybuje feromagnetický prvok spojený z meraným predmetom. Napätie v snímacej cievke je dané časovou zmenou toku Φ, riadeného magnetickým odporom vzduchovej medzery. Zmene jej dĺžky či prierezu zodpovedá amplitúda výstupného napätia. Vzhľadom k jednoduchosti týchto snímačov nevyžadujúcich vonkajší napájací zdroj je ich hlavné použitie pri meraní rýchlosti. Elektrodynamické snímače využívajú pohyb vodiča resp. cievky v magnetickom poli. Ak sa pohybuje vodivý pás šírky l v magnetickom poli, je možné medzi kontaktmi v smere kolmom k rovine vektora rýchlosti a indukcie zmerať napätie. Tento princíp je používa elektrodynamický snímač kmitavého pohybu. Vo vzduchovej medzere magnetického obvodu je na pružnej membráne zavesená cievka, na ktorú sa prostredníctvom tiahla prenáša meraný kmitavý pohyb v rozmedzí zdvihov 2 µm 5 mm pásma frekvencií 1 Hz 3 khz. Indukované napätie má rovnaký priebeh ako rýchlosť pohybu cievky s citlivosťou asi 10V/ms-1, špeciálne snímače pre seizmické merania až 10kV/ms-1. Pre stanovenie amplitúdy kmitov sa indukované napätie integruje, zrýchlenie sa určí jeho deriváciou APT 24

25 Indukčný snímač APT 25

26 Optické snímače polohy Použitie princípov optiky umožňuje konštrukciu miniatúrnych snímačov polohy s vysokou rozlišovacou schopnosťou limitovanou javmi pri ohybe svetla, t.j. rádovo µm. Základnou prednosťou je necitlivosť voči elektromagnetickému rušeniu a galvanické oddelenie meraného objektu a meracieho obvodu. Pri prenose informácií optickými vláknami je možné použitie v horľavých a výbušných prostrediach. Zdrojom žiarenia sú luminiscenčné alebo laserové polovodičové diódy, snímacie prvky (fotodiódy, fototranzistory, CCD snímače). Optické snímače polohy delíme do dvoch skupín: a) snímače pre spojité meranie polohy; b) b) snímače pre nespojité vyhodnocovanie APT 26

27 Fotooptický snímač Dvojsmerný fotooptický vysielač/prijímač APT 27

28 Optické snímače pre spojité meranie polohy Výstupom absolútnych snímačov je signál s úplnou informáciou o polohe tým, že ju definuje vzhľadom k referenčnému bodu. Konštrukčná realizácia je kódový obrazec so systémom priehľadných a nepriehľadných plôch. Nimi prechádza svetelný tok dopadajúci na sústavu geometricky presne usporiadaných snímačov, ktoré vytvoria digitálnu informáciu o absolútnej polohe meraného predmetu. Výstupom inkrementálnych snímačov je sled impulzov inkrementujúcich obsah čítača. Zvláštnym typom snímačov sú tzv. optoelektronické CCD snímače založené na aplikácii nábojovo viazaných štruktúr, ktoré sú schopné vyhodnocovať súradnice osvetlených bodov ako riadkový alebo plošný senzor. Snímač môže obsahovať až fotocitlivých bodov s rozmermi 100 x 100 až 7 x 7 µm. čítacia frekvencia sa pohybuje v rozsahu 2 20 MHz. Plošné snímače umožňujú znázorniť aj dvojrozmerné obrazy APT 28

29 Ultrazvukové snímače polohy Ultrazvukové snímače polohy pracujú na princípe merania doby, za ktorú prijímač detekuje ozvenu ultrazvukových impulzov generovaných vysielačom a odrazených od snímaného objektu. Dva základné funkčné bloky sú vysielač ultrazvuku magnetostrikčný menič pre nízke frekvencie alebo piezoelektrický snímač pre vysoké frekvencie a prijímač ultrazvuku, ktorý mení odrazené mechanické kmity na elektrické APT 29

30 Snímače rýchlosti Pre meranie rýchlosti priamočiareho a kmitavého pohybu sa používajú indukčné snímače. Najčastejším problémom je meranie rýchlosti otáčavého pohybu, t.j. uhlovej rýchlosti otáčania ω. Podľa použitého princípu rozdeľujeme tieto snímače do štyroch skupín: 1. mechanické otáčkomery 2. spojité indukčné otáčkomery magnetické, elektrodynamické jednosmerné alebo striedavé 3. impulzné otáčkomery kontaktné, optoelektronické, indukčné, pneumatické 4. stroboskopické otáčkomery APT 30

31 Mechanické otáčkomery využívajú účinky odstredivej sily na rotujúcu hmotu, ktorej pohyb sa dá konštrukčne previesť na stupnicu prístroja. Magnetické otáčkomery využívajú účinok vírivých prúdov indukovaných v Al prstenci magnetickým polom pri otáčaní hriadeľa. Elektrodynamické otáčkomery sú najdôležitejšou skupinou otáčkomerov. Podľa indukčného zákona generujú napätie priamo úmerné otáčavej rýchlosti ω. Stroboskopický otáčkomer je funkčne založený na zotrvačnosti zrakového vnemu a tým spájanie oddelených fáz pohybu na vnem spojitého pohybu APT 31

32 Pohony Podľa princípu rozdeľujeme pohony na tekutinové (hydraulické, pneumatické) a elektrické APT 32

33 Elektrické automatizované pohony -akčné členy mechatronických systémov elektrický motor menič energie riadiaca časť snímače APT 33

34 Elektrický servopohon APT 34

35 Výkonové polovodičové meniče APT 35

36 Modulárne riešenia APT 36

37 Riadiace jednotky Programovateľné automaty (PLC) Pre tieto počítače je charakteristické, že vykonávajú program v cykloch. Tieto automaty obsahujú okrem mikrop obvody pre pripojenie diskrétnych V/V signálov a obvody pre komunikáciu s programovateľným zariadením, pomocou ktorého užívateľ ukladá do automatu algoritmus jeho činnosti. Zápis, opravy a ladenie programu automatu sa vykonávajú v programovacom jazyku APT 37

38 Riadiace jednotky priemyselné PC sa používajú na riadenie a monitorovanie strojov a procesov a sú určené do ťažších prevádzkových podmienok. Vyrábajú v rôznom prevedení od tzv. embeded až po viacprocesorové systémy APT 38

39 LOGO