Podstawy Automatyki wykład

Transkrypt

1 Podstawy Automatyki wykład MATERIAŁY DLA STUDENTA Prowadzący: dr inż. Piotr JADWISZCZAK p.302 bud. C-6

2 Podstawy Automatyki Wykład 4

3 1. Dotychczasowe wiadomości pozwalają na: 1. Rozpoznanie i określenie właściwości obiektu regulacji i jego poszczególnych elementów. x y 2. Określenie wymagań odnośnie jakości regulacji. e emax e(t) K = e 1/e max 100% + Δe e1 - Δe t t R 3. Wybór pożądanego rodzaju regulacji. STAŁOWARTOŚCIOWA PROGRAMOWA NADĄŻNA

4 2. Elementy UAR obiektu UAR danego OBIEKTU składa się z co najmniej z trzech podstawowych elementów (urządzeń) tworzących pętlę regulacyjną: 1. REGULATOR 2. ELEMENT POMIAROWY (czujnik) 3. ELEMENT WYKONAWCZY Między elementami automatyki informacje przesyłane są w postaci SYGNAŁÓW (oznaczone strzałkami). zakłócenia Z w _ e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy

5 3. Sygnały w UAR W technice automatycznej regulacji rozróżnia się dwa podstawowe typy sygnałów dla przekazywania odczytów, stanów, rozkazów i innych informacji między elementami automatyki: 1.SYGNAŁ CYFROWY czas 2.SYGNAŁ ANALOGOWY 100% - 0% - czas

6 3. Sygnały w UAR Sygnały obu rodzajów (A i D) mogą być dla danego elementu: 1. sygnałem wejściowym, ozn. I (ang. INPUT) 2. sygnałem wyjściowym, ozn. O (ang. OUTPUT) Otrzymujemy więc dla danego elementu automatyki: AI DI Element automatyki Element automatyki AO DO Sygnały w UAR występują w znormalizowanych postaciach (elektryczne) np. Sygnał musi być użyteczny (zrozumiały)

7 3. Sygnały w UAR 1. Sygnał wyjściowy 2. Nie można bezpośrednio łączyć 3. Poszczególne elementy

8 3. Sygnały w UAR PRZYKŁAD: centrala wentylacyjna z nagrzewnicą powietrza. T

9 4. Elementy pomiarowe Automatyzacja procesów w inżynierii sanitarnej wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: temperatura, ciśnienie lub różnica ciśnień, wilgotność, przepływ lub strumień, prędkość przepływu, ilość (licznik), energia (licznik), poziom cieczy, entalpia, jakości powietrza zawartość CO 2, zawartość O 2, ruch i obecność, zadymienie, położenie, przekroczenie zakresu, i inne. Pomiar każdej wielkości wymaga zastosowania dedykowanych elementów pomiarowych.

10 4.1. Zasada działania element. pomiarowych Urządzenia pomiarowe (czujniki) Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do Przykład: zanurzeniowy czujnik temperatury czynnika Temperatura czynnika C Znormalizowany sygnał rezystancyjny kω

11 4.2. Sygnały generowane przez e. pomiarowe W zależności od potrzeb i możliwości przekazania danej informacji stosuje się czujniki generujące sygnały D lub A. Za pomocą sygnału analogowego (A) Za pomocą sygnału cyfrowego (D) Za pomocą sygnału cyfrowego (D)

12 4.3. Dobór elementów pomiarowych Przy doborze czujnika należy zwrócić uwagę na: zakres pomiarowy dokładność wskazania rodzaj sygnałów wejściowych zastosowanego regulatora stałą czasową czujnika fizyczną możliwość zabudowy czujnika

13 5. Stała czasowa czujnika Zmiana temperatury, % Ts = 2s Ts = 7s Ts = 47s Czas, 60 s

14 5. Stała czasowa czujnika Wpływ stałej czasowej na jakość wskazań czujnika. parametr fizyczny (mierzony) czas

15 6.1. Zanurzeniowy czujnik temp. cieczy Sposób zabudowy (montażu):

16 6.1. Zanurzeniowy czujniki temp. cieczy

17 6.2. Przylgowy czujnik temperatury cieczy

18 6.3. Kanałowy czujnik temp. powietrza Do pomiaru temperatury powietrza w kanałach wentylacyjnych stosowane są czujniki kanałowe o małych stałych czasowych. Sposób zabudowy (montażu): Otwory - pomiar temperatury (element termoczuły)

19 6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Do pomiaru temperatury powietrza w pomieszczeniach stosowane są czujniki przystosowane do montażu na ścianie. Zamknięte są w obudowach zabezpieczających je przed uszkodzeniem i poprawiających estetykę zamontowanego czujnika. Zakres pomiarowy C. Mogą być wyposażone w wyświetlacz i nastwanik wartości zadanej. Czujniki te mogą być wyposażane dodatkowo w zadajniki temperatury oraz wyświetlacze wartości mierzonej.

20 6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Zasady montażu czujników temperatury wewnętrznej w celu zapewnienia poprawności pomiaru: 1. Na wysokości około 1,5m (w strefie przebywania ludzi). 2. Nie na nasłonecznionej ścianie. 3. Nie w pobliżu źródeł ciepła. 4. Nie w pobliżu drzwi i okien. 5. Najlepiej na ścianie wewnętrznej.

21 6.5. Czujnik temperatury zewnętrznej Czujniki do pomiaru temperatury powietrza zewnętrznego posiadają konstrukcję zabezpieczającą je przed niekorzystnym wpływem wilgoci oraz możliwość montażu na ścianach zewnętrznych budynków. Przy wyborze miejsca montażu należy wybierać ściany północne oraz północno-wschodnie eliminując bezpośredni wpływ nasłonecznienia i innych zysków ciepła na pomiar temperatury powietrza. Zakres pomiarowy C. W układach wentylacyjnych temperatura powietrza zewnętrznego może być mierzona czujnikiem kanałowym w kanale czerpni powietrza zewnętrznego.

22 6.6. Czujnik sonda poziomu cieczy Sonda wykorzystuje zjawisko przepływu prądu elektrycznego przez niektóre media (np. woda). Po zanurzeniu elektrod, zaczyna płynąć prąd między elektrodą referencyjną (najdłuższa) i elektrodami pomiarowymi (poziom min i max). Typowe zastosowanie: stacje oczyszczania i neutralizacji ścieków, zbiorniki przeciwpożarowe stacje odsalania, zmiękczania i uzdatniania wody zbiorniki zasilające systemów ogrzewania c.o. kotły wodne, parowe, itp..

23 6.6. Czujnik sonda poziomu cieczy Czujnik max/min (3 elektrody) Czujnik wielopozioimowy (5 elektrod)

24 6.7. Pojemnościowy wskaźnik poziomu Sonda działa jak kondensator: w miarę napełniania zbiornika pojemność kondensatora rośnie. Sygnał ciągły (analogowy, 4 20mA) odpowiadający dokładnemu poziomowi cieczy w zbiorniku. Wymagana kalibracja w danym zastosowaniu. Wytyczne montażu:

25 7. Elementy wykonawcze Napędy wraz z elementami wykonawczymi tworzą zespoły wykonawcze. Służą one do automatycznej realizacji zadań regulacji, wykonywania czynności wynikających z rozkazów regulatora. W technice najczęściej stosowanymi napędami są: SILNIKI pomp i wentylatorów SIŁOWNIKI zaworów, klap i przepustnic

26 7.1. Silniki pomp i wentylatorów Wyróżnia się: Silniki ze stałą prędkością obrotową Silniki ze stopniową zmianą prędkości obrotowej Silniki z płynną zmianą prędkości obrotowej Silniki elektryczne mogą być wyposażone w sygnalizator awarii (sygnał zwrotny DO) lub/i sygnalizator stanu praca/stop (sygnał zwrotny DO).

27 7.2. Siłowniki Służą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem zaworów, klap, przepustnic i innych. Realizują rozkazy regulatora. W praktyce stosuje się: siłowniki elektryczne, siłowniki elektrohydrauliczne, Sygnał z regulatora siłowniki termoelektryczne, siłowniki elektromagnetyczne, siłowniki pneumatyczne, siłowniki regulatorów bezpośredniego działania. M zawór siłownik Ruch siłownika

28 7.2. Przykład: elektryczny siłownik zaworu Trzpień zaworu Otwórz Zamknij

29 7.3. Siłowniki przepustnic Służą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem przepustnic. Realizują rozkazy regulatora. M

30 7.3. Przykład: elektr. siłownik przepustnic Element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie od 0 do 90 zamykając i otwierając przepustnicę.

31 7.4. Przykład: siłownik termoelektryczny

32 7.4. Przykład: siłownik termoelektryczny

33 SPRĘZYNA MAGNES 7.5. Siłowniki elektromagnetyczne N S

34 7.6. Sterowanie pracą siłowników Ze względu na sposób pracy i sygnał sterujący wyróżnia się: Siłowniki proporcjonalne Siłowniki dwustawne Siłowniki trójstawne Funkcja bezpieczeństwa: sprężyna zamykająca lub otwierając siłownik w wypadku zaniku zasilania. Możliwość przełączanie ze sterowania automatycznego na sterowanie ręczne. Istnieją siłowniki z sygnałem zwrotnym osiągnięcia krańcowej pozycji lub awarii oraz z nadajnikiem aktualnej pozycji siłownika. Pozwala to weryfikować pracę siłownika i wykrywać stany awaryjne.

35 7.7. Dobór siłowników Dobierając siłownik należy zwrócić uwagę na: siłę nominalny skok prędkość oraz

36 Podstawy Automatyki Wykład 5

37 1. Regulatory Regulator jest urządzeniem zapewniającym zgodność przebiegu procesu z przebiegiem pożądanym, czyli spełnienie podstawowego warunku regulacji. zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy

38 2.1. Podział według wielkości regulowanych Podział i nazewnictwo przeprowadza się według wielkości fizycznej jaką dany regulator reguluje w danym układzie (utrzymuje na stałym poziomie lub w zadanych granicach, zmienia ją według zadanego programu lub dostosowuje do aktualnych potrzeb). Na tej podstawie wyróżnia się:

39 2.2. Podział według energii pomocniczej Podział i nazewnictwo przeprowadza się według rodzaju energii pomocniczej z zewnętrznego źródła jakiej dany regulator wymaga dla poprawnej pracy (zasilanie). Na tej podstawie wyróżnia się:

40 2.2. Podział według energii pomocniczej Przykłady Regulator poziomu cieczy bezpośredniego działania Regulator ciśnienia cieczy bezpośredniego działania Regulator cyfrowy (mikroprocesowrowy) Regulator pneumatyczny

41 3.3. Podział według zachowania się w czasie Podział i nazewnictwo przeprowadza się według zachowania się w czasie regulatora. Czy funkcje regulacyjne są ciągłe czy nie. Na tej podstawie wyróżnia się: regulatory o działaniu nieciągłym regulatory o działaniu ciągłym P (proporcjonalne), PI (proporcjonalno-całkujące), PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujące). Czasowe zachowanie się regulatorów jest najważniejsze dla wyboru regulatora. Jest ono niezależne od rodzaju wielkości regulowanej i energii pomocniczej.

42 4.1. Regulator ciągły typu P Charakterystyka skokowa regulatora typu P: Sygnał wejściowy mnożony przez współczynnik wzmocnienia k. Regulator posiada inercyjność o stałej czasowej T. k e T y(t) e e(t) czas t

43 4.2. Regulator ciągły typu PI Charakterystyka skokowa regulatora typu PI (P+I): Czas zdwojenia T i czas po którym wielkość wyjściowa osiąga wartość dwa razy większą niż przyrost początkowy. 2k e y(t) k e e e(t) T i czas t

44 4.3. Regulator ciągły typu PID Charakterystyka skokowa regulatora typu PID (PI+D): T stała czasowa członu różniczkującego, T d czas wyprzedzenia 2k e y(t) k e e T e(t) T i czas t

45 4.4. Nastawy regulatorów ciągłych Wielkości k p, T i i T d noszą nazwę NASTAW REGULATORA. Nastawy danego regulatora można nastawiać w pewnym przedziale wpływając na dynamiczne właściwości pracy regulatora. Zmieniając nastawy uzyskuje się różne przebiegi wielkości regulowanej dla jednego regulatora! Dostosowuje się go bez konieczności jego wymiany. Rozszerza to zakres jego stosowania i funkcjonalność. Zmieniając nastawy regulatora PID można uzyskać np. regulatory o mniej złożonej strukturze np. typu P (T d =0 i T i = ). Odpowiednio dobrane nastawy umożliwiają uzyskanie minimalnej wartości wybranego wskaźnika jakości regulacji. Istnieje cały dział nauki zajmujący się doborem i optymalizacją nastaw regulatorów w funkcji technicznej i ekonomicznej wydajności.

46 wielkość regulowana 4.5. Działanie w czasie regulatorów P, PI, PID Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie skokowe. Proszę zwrócić uwagę na wskaźniki jakości regulacji! bez regulacji odchyłka czas, t

47 4.5. Działanie w czasie P, PI, PID Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie. Proszę zwrócić uwagę na wskaźniki jakość regulacji! Typ P Typ PI Typ PID

48 Podział według zachowania się w czasie Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zależy od doboru odpowiedniego TYPU regulatora do konkretnego obiektu regulacji.

49 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Sygnał wyjściowy u regulatora dwustawnego może przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną i minimalną (np. załącz/wyłącz). Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego: u max u min y=w-h y=w

50 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Przykład1: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym prostym grzejnikiem elektrycznym (0/1). w = 20 C H = 2 C

51 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Przebieg wielkości regulowanej dwustawnie (temperatury). Temp Zał. Wył. t czas t czas

52 5.2. Regulator nieciągły dwustawny Przykład 2: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora poziomu cieczy w zbiorniku otwartym - sterowanie zaworem (0/1) na dopływie wody.

53 5.2. Regulator nieciągły dwustawny Przykład 2: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora poziomu cieczy w zbiorniku otwartym (ster. dopływem)

54 5.3. Regulator nieciągły dwustawny Przykład 3: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora temperatury wody w zasobniku c.w.u. z grzałką el. (0/1) ciepła woda użytkowa T GE woda zimna

55 5.3. Regulator nieciągły dwustawny Przykład 3: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora temperatury wody w zasobniku c.w.u. z grzałką el. (0/1)

56 5.4. Regulator nieciągły dwustawny 1. Układy oparte na regulatorze dwustawnym

57 6. Regulator nieciągły trójstawny Charakterystyka statyczna regulatora trójstawnego:

58 6. Regulator nieciągły trójstawny Przykład 1: Regulacja temperatury w pomieszczeniu instalacjami ogrzewania i chłodzenia (tryb pracy start/stop) T, C

59 7. Regulatory cyfrowe Stanowią najliczniej stosowaną grupę regulatorów w nowoczesnych UAR. Wykorzystują technologię mikroprocesorową (procesor, pamięć, zegar, wejścia, wyjścia). Realizują dowolne procesy regulacji i sterowania. Obsługują zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe poprzez dedykowane wejścia i wyjścia. Zawierają gotowe aplikacje regulacyjne lub są swobodnie programowalne. Potrafią przeprowadzać procesy optymalizujące i adaptacyjne. Realizują liczne funkcje pomocnicze (archiwizacja danych, alarmowanie, praca w sieci, itp.).

60 7.1. Budowa regulatora cyfrowego Regulator cyfrowy zbudowany jest jak prosty komputer PC: Procesor (CPU) Pamięć RAM i ROM (EPROM) Zegar czasu rzeczywistego Interfejs wejść i wyjść cyfrowych (DI, DO) Przetworniki wejść i wyjść analogowych (AI, AO) Wyświetlacz Klawiatura

61 7.2. Schemat wejść i wyjść regulatora Sygnał AI (0 100%) Sygnał AO (0 100%) Sygnał DI (0/1) Sygnał DO (0/1)

62 9. Typy regulatorów cyfrowych Przyjmując jako kryterium podziału rodzaj oprogramowania regulatorów cyfrowych można wyróżnić: 1. Regulatory fabrycznie zaprogramowane 2. Regulatory z fabryczną biblioteką aplikacji 3. Swobodnie programowalne regulatory

63 8.3. Regulatory swobodnie programowalne Ze względu na budowę, liczbę I/O i możliwość rozbudowy rozróżnia się następujące grupy RSP: 1. KOMPAKTOWE zawarte w jednej obudowie, o określonej liczbie i typie I/O, bez możliwości rozbudowy. 2. ROZSZERZALNE zawarte w jednej obudowie z możliwością rozbudowy za pomocą typowych modułów funkcyjnych, np. dodatkowych wejść i wyjść dołączanych do regulatora. 3. MODUŁOWE złożone tylko i wyłącznie z modułów zestawianych i łączonych według potrzeb. 4. Z MODUŁAMI ROZPROSZONYMI z możliwością rozbudowy poprzez podłączenie modułów odległych od regulatora bazowego.

64 9. Podsumowanie - regulatory cyfrowe REGULATORY KOMPAKTOWE OBIEKT REGULACJI OBIEKT REGULACJI REGULATORY ROZSZERZALNE MODUŁY ROZPROSZONE OBIEKT REGULACJI OBIEKT REGULACJI OBIEKT REGULACJI OBIEKT REGULACJI REGULATORY MODUŁOWE OBIEKT REGULACJI OBIEKT REGULACJI

65 10.1. I/O regulatora stacji hydroforowej 1. Regulacja ciśnienia w zbiorniku (P). 2. Kaskadowa praca pomp (1, 2 lub 3 pompy). 3. Przemienna praca pomp (rotacja 1-2-3, 2-3-1, 3-1-2). 4. Sygnalizowanie awarii. 5. Zliczanie czasu pracy. WEJŚCIA I WYJŚCIA REGULATORA AI AO DI DO

66 10.2. I/O regulatora centrali wentylacyjnej 1. Sterowanie pracą wentylatora (II biegi pracy). 2. Regulacja temp. nawiewu (Tn). 3. Zadajnik temperatury (ZT). 4. Czujnik obecności (O) FULL/EKO/STOP. III stopnie NE 5. Harmonogram i tryb ekonomiczny. 6. Zabezpieczenie nagrzewnicy. F T II biegi WN 7. Sygnalizacja zabrudzenia filtra (F). 8. Sygnalizowanie awarii. M P P WEJŚCIA I WYJŚCIA REGULATORA AI AO DI DO

67 10. Dobór regulatora cyfrowego Należy uwzględnić kryteria zarówno techniczne jak i ekonomiczne. Poprawnie dobrany do obiektu regulacji regulator powinien posiadać: 1.

68 11. Automatyzacja obiektu

69 13. Dobór elementów UAR Procedura doboru elementów UAR (skrót): 1.