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 12709 Technika ochrany životného prostredia
Obsah 1 Styk riadeného objektu s okolím 2 Snímače 3 Pohony 11.03.2013 APT 2
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. 11.03.2013 APT 3
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. 11.03.2013 APT 4
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 11.03.2013 APT 5
K prenosu údajov medzi RS a riadeným procesom sa používajú signály, ktoré môžme rozdeliť na: analógové dvojhodnotové impulzné číslicové 11.03.2013 APT 6
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, 11.03.2013 APT 7
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~ 11.03.2013 APT 8
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 11.03.2013 APT 9
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. 11.03.2013 APT 10
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. 11.03.2013 APT 11
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. 11.03.2013 APT 12
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. 11.03.2013 APT 13
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 ) 11.03.2013 APT 14
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. 11.03.2013 APT 15
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). 11.03.2013 APT 16
Spojité regulátory sa inštalujú ako P, PI, PD. ideálny stav : P-regulátor PI-regulátor PID-regulátor 11.03.2013 APT 17
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. 11.03.2013 APT 18
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. 11.03.2013 APT 19
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 11.03.2013 APT 20
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 11.03.2013 APT 21
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. 11.03.2013 APT 22
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 11.03.2013 APT 23
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. 11.03.2013 APT 24
Indukčný snímač 11.03.2013 APT 25
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 11.03.2013 APT 26
Fotooptický snímač Dvojsmerný fotooptický vysielač/prijímač 11.03.2013 APT 27
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 15000 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. 11.03.2013 APT 28
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. 11.03.2013 APT 29
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 11.03.2013 APT 30
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. 11.03.2013 APT 31
Pohony Podľa princípu rozdeľujeme pohony na tekutinové (hydraulické, pneumatické) a elektrické. 11.03.2013 APT 32
Elektrické automatizované pohony -akčné členy mechatronických systémov elektrický motor menič energie riadiaca časť snímače 11.03.2013 APT 33
Elektrický servopohon 11.03.2013 APT 34
Výkonové polovodičové meniče 11.03.2013 APT 35
Modulárne riešenia 11.03.2013 APT 36
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. 11.03.2013 APT 37
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. 11.03.2013 APT 38
LOGO