AUTOMATYKA wykład. dr inŝ. Piotr JADWISZCZAK. p.302 bud. C-6

Transkrypt

1 AUTOMATYKA wykład MATERIAŁY DLA STUDENTA Prowadzący: dr inŝ. Piotr JADWISZCZAK p.302 bud. C-6 Literatura 1. Brzózka J. Regulatory i układy automatyki, Mikom, Warszawa Kowal J. Podstawy Automatyki, Uczelniane Wydawnictwa naukowo- Dydaktyczne, Kraków Urbaniak A. Podstawy Automatyki, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Buczek B. Automatyka i robotyka w Excelu, Mikom, Warszawa Greblicki W. Teoretyczne podstawy automatyki, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław Bolek W., Ślifirska E. Ćwiczenia laboratoryjne z podstaw automatyki, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław Kostro J. Elementy, urządzenia i układy automatyki, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa Wurstlin D. Regulacja urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Arkady, Warszawa 1978

2 1. Podstawowe definicje 1.1. Automatyzacja Zastępowanie człowieka w czynnościach sterowniczych przez odpowiednie urządzenia sterujące, np. automatyzacja kotłowni, węzła ciepłowniczego i inne. Przykłady. Wady. Zalety Automatyka Dziedzina nauki obejmująca teorię i praktykę budowy urządzeń sterujących i regulacyjnych, np. automatyka budynkowa, przemysłowa. 2. Technika regulacji i sterowania 2.1. Regulacja Jest to czynność, w trakcie której jakąś wielkość fizyczną (np. temperaturę czy ciśnienie powietrza) mierzy się na bieŝąco, porównuje z inną wielkością wzorcową i pomimo zakłócających wpływów zewnętrznych utrzymuje na stałym poziomie lub w określonych granicach (z dopuszczalną odchyłką) UAR Układ Automatycznej Regulacji zespół urządzeń automatyzujących dany proces czy instalację.

3 2.3. Regulacja temp. w pomieszczeniu C UAR temp. w pomieszczeniu Z 1 Z 2 Z

4 2.5. Elementy i sygnały w UAR KaŜdy typowy UAR składa się z następujących elementów składowych: 1 = REGULATOR 2 = CZŁON POMIAROWY 3 = CZŁON WYKONAWCZY 4 = OBIEKT REGULACJI Z 1 Z 2 Z 3 z = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna 2 T w 4 y 1 u Sterowanie Jest to proces w układzie otwartym, w którym wielkość wejściowa wpływa na wielkość wyjściową według prawidłowości właściwej danemu obiektowi. Regulacja natomiast odbywa się w układzie zamkniętym (sygnał krąŝy w pętli).

5 2.3. Sterowanie temp. w pomieszczeniach Z 1 Z 2 Z C + 20 C C Sterowanie temp. w pomieszczeniu Z 1 Z 2 Z C + 20 C

6 3. Schemat blokowy UAR Większość urządzeń, układów i procesów automatycznego sterowania i regulacji moŝna przedstawić za pomocą schematów blokowych. Przedstawiają one w postaci graficznej budowę UAR i jednoznacznie opisują jego działanie (drogę sygnałów) przy znanej zaleŝności między sygnałem wejściowym i wyjściowym. sygnał wejściowy Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy 3.1. Symbole w schematach blokowych Blok podstawowy: we wnętrzu prostokąta podawana jest matematyczna zależność pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym: G = a / b Linia sygnałowa: odcinek lub linia łamana łącząca bloki na schemacie. Strzałka symbolizuje kierunek przepływu sygnału. Węzeł informacyjny: obrazuje miejsce w układzie z którego pobierana jest informacja. Węzeł sumujący: zachodzi w nim algebraiczne sumowanie sygnałów. Znak ujemny na grocie strzałki oznacza że dany sygnał jest odejmowany: c = a + b

7 4.1. Schemat blokowy REGULACJI Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym 4.1. Schemat blokowy REGULACJI Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym

8 4.2. Schemat blokowy STEROWANIA 4.2. Schemat blokowy STEROWANIA 1 3 4

9 5.1. Stacja hydroforowa P 5.2. Ogrzewanie indywidualne T

10 5.3. Regulacja temp. nawiewu T 5.4. Regulacja temp. powietrza w pomieszczeniu

11 5.5. Pogodowa regulacja temp. wody zasilającej grzejnik i sterowanie temp. powietrza w pomieszczeniu y 5 3 y 6 4

12 1. Podstawowe rodzaje regulacji AUTOMATYCZNA REGULACJA 1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA Utrzymanie wartości regulowanej na stałym poziomie niezaleŝnie od zakłóceń działających na układ. np. regulacja temperatury c.w.u. za podgrzewaczem c.w.u. Wymagania: Zakłócenia: Rozwiązanie: M

13 1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA Elementy UAR: REGULATOR: CZŁON POMIAROWY:. CZŁON WYKONAWCZY: OBIEKT REGULACJI:. Sygnały w UAR z = wielkości zakłócające:. y = wielkość regulowana: w = wartość zadana: u = wielkość nastawna: e = odchyłka regulacji: 1.2. Regulacja NADĄśNA (kompensacyjna) Ma za zadanie nadąŝanie za zmianami wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany (trudny do przewidzenia). np. regulacja pogodowa instalacji c.o. te +90 tz, m Temp. zasilania c.o Temp.zewn. źródło ciepła grzejnik Te = temperatura zewnętrzna Tz = temperatura wody na zasilaniu m= przepływ const.

14 1.2. Regulacja NADĄśNA (kompensacyjna) Wymagania: Zakłócenia: Rozwiązanie: Wykres regulacyjny: Wykres sporządzony według znanej dla danego obiektu (pomieszczenia, budynku) zaleŝności przyporządkowujący danej te wymaganą tz. tz te Wykres regulacyjny tz te

15 1.2. Regulacja NADĄśNA (kompensacyjna) Elementy UAR: REGULATOR: CZŁON POMIAROWY: CZŁON WYKONAWCZY: OBIEKT REGULACJI: Sygnały w UAR z = wielkości zakłócające: y = wielkość regulowana: w = wartość zadana: u = wielkość nastawna: e = odchyłka regulacji: 1.3. Regulacja PROGRAMOWA Realizuje zadaną w czasie zmianę wartości zadanej według ściśle określonego programu godzinowego, dobowego, tygodniowego, miesięcznego, rocznego, dni roboczych i wolnych, itp. np. osłabienia nocne czy weekendowe w instalacjach centralnego ogrzewania w obiektach uŝytkowanych okresowo (biura, szkoły). W ramach regulacji programowej mogą być realizowane procesy sterowania i regulacji zarówno nadąŝnej jak i stałowartościowej.

16 1.3. Regulacja PROGRAMOWA w (t i C) :00 7:00 17:00 24:00 czas 2. Stopnie regulacji. Regulacja jednostopniowa. ODBIORNIK CIEPŁA Te ŹRÓDŁO CIEPŁA INSTALACJA C.O. ODBIORNIK CIEPŁA

17 2. Stopnie regulacji. Regulacja dwustopniowa. ZAWÓR REGULACYJNY ODBIORNIK CIEPŁA Te ŹRÓDŁO CIEPŁA INSTALACJA C.O. ODBIORNIK CIEPŁA 2. Stopnie regulacji. Regulacja trójstopniowa. ZAWÓR REGULACYJNY ODBIORNIK CIEPŁA (ELEKTRO) CIEPŁOWNIA SIEĆ CIEPŁOWNICZA WĘZEŁ CIEPŁO- WNICZY ODBIORNIK CIEPŁA

18 3. Jakość regulacji Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zaleŝy od doboru odpowiedniego typu regulatora do konkretnego obiektu regulacji. Poprawność działania UAR jest wyraŝana jakością regulacji. Najczęściej jakość regulacji określana jest na podstawie analizy przebiegu przejściowego układu (zmian sygnału wyjściowego) będącego odpowiedzią na skokową zmianę wymuszenia (sygnału wejściowego) Ocena jakości regulacji Analiza właściwości UAR (jakości regulacji) W STANACH STATYCZNYCH W STANACH DYNAMICZNYCH Określenie wskaźników regulacji t R, e 1, e max i K

19 3.2. Jakość regulacji w stanach statycznych Kryterium oceny jest wielkość odchyłki statycznej e jako róŝnicy między wartością zadaną w a wielkością regulowaną y w stanie ustalonym. Im mniejsza odchyłka e, tym lepsza jakość regulacji. Stan ustalony osiągany jest gdy wartości sygnałów wejściowego i wyjściowego układu są stałe. w (wartość zadana) czas 3.3. Jakość regulacji w stanach dynamicznych Ocena na podstawie analizy charakterystyki skokowej (przebiegu przejściowego) jako odpowiedź UAR na znaną, skokową zmianę wymuszenia (zakłócenie wprowadzone do układu). e + e - e t e - odchyłka regulacji, e max - odchyłka maksymalna, e 1 - odchyłka o przeciwnym znaku do e max, K - przeregulowanie, t R - czas regulacji

20 3.4. Ocena jakości regulacji. Stan ustalony. 2 w czas 3.5. Ocena jakości regulacji. Stany dynamiczne. e t

21 1. Właściwości elementów automatyki KaŜdy z elementów (członów) automatyki ma określone właściwości, których korelacja określa właściwości całego układu (połączenia szeregowe, równoległe i sprzęŝenie zwrotne). Znajomość właściwości poszczególnych elementów automatyki jest konieczna dla poprawnego doboru UAR i dla osiągnięcia wymaganej jakości regulacji. Wymaga się dopasowania elementów UAR do danego obiektu regulacji. NaleŜy poznać i odpowiednio uwzględnić właściwości obiektu oraz wszelkich elementów składowych UAR. NaleŜy znać sposób zachowania się obiektu którego pracą chcemy kierować, jak reaguje na zakłócenia, jakie czynności naleŝy podjąć aby osiągnąć określony cel, itp. Co zrobić Ŝeby? Co się stanie gdy?

22 1.1. Właściwości elementów automatyki Właściwości elementu automatyki opisują sposób przetwarzania przez dany element automatyki sygnałów wejściowych (x) na sygnały wyjściowe (y). sygnał wejściowy x Zmianie moŝe ulegać: Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy y wartości sygnału (zwiększenie lub zmniejszenie) postać sygnału przebieg sygnału w czasie (opóźnienie, wydłuŝenie, skrócenie, itp.) i inne Właściwości elementów automatyki WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW AUTOMATYKI WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNE (stan ustalony) WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNE (wymuszenie)

23 2. Właściwości STATYCZNE Właściwości statyczne elementu automatyki określa charakterystyka statyczna. Opisuje ona zaleŝność między sygnałem wejściowym i wyjściowym danego elementu w stanie ustalonym (stanie statycznym). Charakterystykę statyczną wyznacza się analitycznie lub doświadczalnie. STAN USTALONY sygnał wejściowy x Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy y czas 2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zaleŝności matematycznych (model matematyczny). PRZYKŁAD 1: Q te

24 2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zaleŝności matematycznych (model matematyczny). PRZYKŁAD 2: p v 2.2. Doświadczalne wyzn. wł. statycznych Doświadczalne wyznaczanie charakterystyki statycznej: 1. Podanie do elementu automatyki znajdującego się w stanie ustalonym znanego, niezmiennego sygnału wejściowego x 2. Zmierzenie odpowiadającej mu stałej wartości sygnału wyjściowego y po ponownym osiągnięciu przez element stanu ustalonego.

25 2.2. Doświadczalne wyzn. wł. statycznych PRZYKŁAD 3:. H H1 H2 H3 H4 G1 G2 G3 G4 G 3. Właściwości DYNAMICZNE Właściwości dynamiczne elementu automatyki określa charakterystyka dynamiczna. Przedstawia ona zmienność w czasie sygnału wyjściowego y po zmianie sygnału wejściowego x. sygnał wejściowy x Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy y Jest to odpowiedź dynamiczna elementu automatyki na zmianę sygnału wejściowego. Charakterystykę dynamiczną określa się analitycznie lub doświadczalnie.

26 3.1. Analityczne wyzn. wł. dynamicznych Analityczne określanie właściwości dynamicznych układu realizuje się za pomocą równań róŝniczkowych (interpretacja graficzna) lub za pomocą transmitancji operatorowych będących funkcjami zmiennej zespolonej s: G(s) = Y(s) / X(s) gdzie: X(s) i Y(s) to postać operatorowa odpowiednio sygnału wejściowego i wyjściowego Transmitancje operatorowe podstawowych elementów automatyki podane się w literaturze. MoŜna je równieŝ wyznaczyć dla danego obiektu Doświadczalne wyzn. wł. dynamicznych Doświadczalne określanie właściwości dynamicznych: 1. Obiekt w stanie ustalonym. 2. Podanie na wejście odpowiednio dobranego, znanego, zmiennego w czasie sygnału wejściowego x WYMUSZENIA. 3. Rejestracja wywołanych nim zmian sygnału wyjściowego y aŝ do ponownego osiągnięcia stanu ustalonego. Jest to odpowiedź układu (funkcją przejścia) między dwoma stanami ustalonymi.

27 3.2. Doświadczalne wyzn. wł. dynamicznych Odpowiedź układu zwana równieŝ funkcją przejścia między dwoma stanami ustalonymi: Sygnał wejściowy stan ustalony czas Sygnał wyjściowy stan ustalony czas 4. CZŁONY AUTOMATYKI i ich właściwości Sposobem analitycznego odwzorowania układu jest stworzenie jego modelu złoŝonego z CZŁONÓW, którymi są podstawowe układy lub elementy automatyki (części składowe). zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy Człony automatyki moŝna dzielić według róŝnych kryteriów: zasady działania, budowy, zastosowania, itd. Najwygodniejszy i najpowszechniejszy jest podział członów ze względu na ich właściwości dynamiczne.

28 4. CZŁONY AUTOMATYKI i ich właściwości Ze względu na właściwości dynamiczne w automatyce wyróŝnia się następujące podstawowe człony (elementy): 1. CZŁON PROPORCJONALNY 2. CZŁON INERCYJNY I rzędu 3. CZŁON INERCYJNY II rzędu 4. CZŁON CAŁKUJĄCY 5. CZŁON RÓśNICZKUJĄCY 6. CZŁON OSCYLACYJNY 7. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY 4.1. CZŁON PROPORCJONALNY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia czas

29 4.1. CZŁON PROPORCJONALNY Przykład: zawór regulacyjny Wielkość wejściowa: Wielkość wyjściowa: x(t) WYMUSZENIE 0 t y(t) ODPOWIEDŹ 0 t 4.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: 0,632k k współczynnik wzmocnienia T stała czasowa T czas Cechuje go inercja.

30 4.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu Przykład: wodna nagrzewnica powietrza Wielkość wejściowa: Wielkość wyjściowa: x(t) WYMUSZENIE 0 t y(t) ODPOWIEDŹ 0 t 4.3. CZŁON INERCYJNY II rzędu x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k 0,632k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia T o opóźnienie T stała czasowa T o T czas

31 4.3. CZŁON INERCYJNY II rzędu Przykład: podgrzewacz c.w.u. Wielkość wejściowa: Wielkość wyjściowa: x(t) WYMUSZENIE y(t) ODPOWIEDŹ 0 t 0 t 4.6. CZŁON OSCYLACYJNY BEZ TŁUMIENIA x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas

32 4.6. CZŁON OSCYLACYJNY Z TŁUMIENIEM x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas 4.6. CZŁON OSCYLACYJNY Z POBUDZENIEM x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas

33 6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: t o - opóźnienie t o czas 6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY Przykład: podajnik taśmowy (taśmociąg) Wielkość wejściowa: Wielkość wyjściowa: y(t) ODPOWIEDŹ x(t) WYMUSZENIE G1 G2 0 t 0 t L

34 7. CZŁONY AUTOMATYKI - przykłady 1. Każdy z członów układu ma określone właściwości dynamiczne. 2. Wzajemna korelacja właściwości dynamicznych poszczególnych członów określa właściwości dynamiczne całego obiektu. 3. Znajomość właściwości dynamicznych obiektu (instalacji, urządzenia, układu) jest konieczna dla poprawnego doboru i dopasowania UAR. a G1 G2 b Gw = G1 G2... Gn a G1 G2 + + b + Gw = G1 + G Gn a ± G1 G2 b G1 Gw = 1± G1 G Przykład 1: STACJA HYDROFOROWA P Właściwości członów automatyki: w _ y

35 7.2. Przykład 2: REGULACJA TEMP. NAWIEWU T Właściwości członów automatyki: w _ y 7.3. Przykład 3: OGRZEWANIE STREFOWE T M z/do źródła ciepła Właściwości członów automatyki: w _ y

36 7.4. Przykład 4: OGRZEWANIE INDYWIDUALNE T Właściwości członów automatyki: w _ y 8. Zadanie Narysować charakterystykę dynamiczną obiektu: 1. Proporcjonalnego o współczynniku wzmocnienia 0,5. 2. Opóźniającego o opóźnieniu 30 sekund. 3. Inercyjnego I rzędu o współczynniku wzmocnienia 2,5 i stałej czasowej 130 sekund. 4. Inercyjności II rzędu o współczynniku wzmocnienia 2,5, stałej czasowej 100 sekund i opóźnieniu 30 sekund. Wymuszenie skokowe, jednostkowe (x =1).

37 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 K = e1/emax 100% e(t) emax e1 + e - e t t R 3. Wybór poŝądanego rodzaju regulacji. STAŁOWARTOŚCIOWA PROGRAMOWA NADĄŻNA

38 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 3. Sygnały w UAR W technice automatycznej regulacji rozróŝnia 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

39 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 uŝyteczny (zrozumiały) 3. Sygnały w UAR 1. Sygnał wyjściowy (O) dla danego elementu automatyki jest zazwyczaj sygnałem wejściowym (I) dla kolejnego elementu. 2. Nie moŝna bezpośrednio łączyć (mieszać) ze sobą sygnałów analogowych (A) i cyfrowych (D). Istnieją dedykowane elementy automatyki zamieniające sygnały A na D lub D na A według załoŝonych reguł. 3. Poszczególne elementy automatyki mogą mieć więcej niŝ jeden sygnał wejściowy (I) i wyjściowy (O).

40 3. Sygnały w UAR PRZYKŁAD: centrala wentylacyjna z nagrzewnicą powietrza. T 4. Elementy pomiarowe Automatyzacja procesów w inŝynierii sanitarnej wymaga zastosowania czujników słuŝących do pomiaru takich wielkości jak: temperatura, ciśnienie lub róŝnica 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, połoŝenie, przekroczenie zakresu, i inne. Pomiar kaŝdej wielkości wymaga zastosowania dedykowanych elementów pomiarowych.

41 4.1. Zasada działania element. pomiarowych Urządzenia pomiarowe (czujniki) zamieniają mierzony parametr na wielkość uŝyteczną (zrozumiałą) dla UAR w postaci znormalizowanego sygnału np. elektrycznego. Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do aktualnej wielkości wartości mierzonej, rośnie i maleje wraz z nią w całym zakresie pomiarowym czujnika według znanej właściwości (charakterystyka czujnika). Przykład: zanurzeniowy czujnik temperatury czynnika Temperatura czynnika C Znormalizowany sygnał rezystancyjny kω 4.2. Sygnały generowane przez e. pomiarowe W zaleŝności od potrzeb i moŝliwości 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)

42 4.3. Dobór elementów pomiarowych Przy doborze czujnika naleŝy zwrócić uwagę na: zakres pomiarowy dokładność wskazania rodzaj sygnałów wejściowych zastosowanego regulatora stałą czasową czujnika fizyczną moŝliwość zabudowy czujnika 5. Stała czasowa czujnika Zmiana temperatury, % Ts = 2s Ts = 7s Ts = 47s Czas, 60s

43 5. Stała czasowa czujnika Wpływ stałej czasowej na jakość wskazań czujnika. parametr fizyczny (mierzony) czas 6.1. Zanurzeniowy czujnik temp. cieczy Sposób zabudowy (montaŝu):

44 6.1. Zanurzeniowy czujniki temp. cieczy Przetwornik temperatury Sygnał do UAR Pomiar temperatury (element termoczuły) 1. Mała bezwładność elementu pomiarowego (szybki odczyt zmian temp.) 2. DuŜa dokładność odczytu (zanurzony w cieczy). 3. Konieczność prac instalatorskich przy montaŝu. 4. Istnieją równieŝ czujniki zanurzeniowe bez osłony Przylgowy czujnik temperatury cieczy Przetwornik temperatury Pomiar temperatury (element termoczuły) Sygnał do UAR 1. Bezwładność pomiaru (opóźnienie odczytu zmian temperatury). 2. Zakłócona dokładność odczytu (mierzy temp. ścianki przewodu). 3. MontaŜ bez konieczność prac instalatorskich. 4. Łatwość zmiany lokalizacji (przenoszenia czujnika).

45 6.3. Kanałowy czujnik temp. powietrza Do pomiaru temperatury powietrza w kanałach wentylacyjnych stosowane są czujniki kanałowe o małych stałych czasowych. Sposób zabudowy (montaŝu): Otwory - pomiar temperatury (element termoczuły) 6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Do pomiaru temperatury powietrza w pomieszczeniach stosowane są czujniki przystosowane do montaŝu na ścianie. Zamknięte są w obudowach zabezpieczających je przed uszkodzeniem i poprawiających estetykę zamontowanego czujnika. Zakres pomiarowy C. Mogą być wyposaŝone w wyświetlacz i nastwanik wartości zadanej. Czujniki te mogą być wyposaŝane dodatkowo w zadajniki temperatury oraz wyświetlacze wartości mierzonej.

46 6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Zasady montaŝu 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 pobliŝu źródeł ciepła. 4. Nie w pobliŝu drzwi i okien. 5. Najlepiej na ścianie wewnętrznej Czujnik temperatury zewnętrznej Czujniki do pomiaru temperatury powietrza zewnętrznego posiadają konstrukcję zabezpieczającą je przed niekorzystnym wpływem wilgoci oraz moŝliwość montaŝu 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

47 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 (najdłuŝsza) i elektrodami pomiarowymi (poziom min i max). Typowe zastosowanie: stacje oczyszczania i neutralizacji ścieków, zbiorniki przeciwpoŝarowe stacje odsalania, zmiękczania i uzdatniania wody zbiorniki zasilające systemów ogrzewania c.o. kotły wodne, parowe, itp Czujnik sonda poziomu cieczy Czujnik max/min (3 elektrody) Czujnik wielopozioimowy (5 elektrod)

48 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 montaŝu: 7. Elementy wykonawcze Napędy wraz z elementami wykonawczymi tworzą zespoły wykonawcze. SłuŜą 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

49 7.1. Silniki pomp i wentylatorów WyróŜnia się: Silniki ze stałą prędkością obrotową Silniki ze stopniową zmianą prędkości obrotowej Silniki z płynną zmianą prędkości obrotowej Silniki elektryczne mogą być wyposaŝone w sygnalizator awarii (sygnał zwrotny DO) lub/i sygnalizator stanu praca/stop (sygnał zwrotny DO) Siłowniki SłuŜą 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

50 7.2. Przykład: elektryczny siłownik zaworu energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną do napędzania elementu nastawczego trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o duŝym przełoŝeniu silniki o stałej prędkości obrotowej z moŝliwością zmiany kierunku obrotu Otwórz Zamknij Trzpień zaworu 7.3. Siłowniki przepustnic SłuŜą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem przepustnic. Realizują rozkazy regulatora. M

51 7.3. Przykład: elektr. siłownik przepustnic Element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie od 0 do 90 zamykając i otwierając przepustnicę Sterowanie pracą siłowników Ze względu na sposób pracy i sygnał sterujący wyróŝnia się: Siłowniki proporcjonalne Siłowniki dwustawne Siłowniki trójstawne Funkcja bezpieczeństwa: spręŝyna zamykająca lub otwierając siłownik w wypadku zaniku zasilania. MoŜliwość 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.

52 7.7. Dobór siłowników Dobierając siłownik naleŝy zwrócić uwagę na: siłę nominalny skok prędkość oraz

53 1. Regulatory Regulator jest urządzeniem zapewniającym zgodność przebiegu procesu z przebiegiem poŝądanym, czyli spełnienie podstawowego warunku regulacji. W regulatorze następuje porównanie chwilowej wartości regulowanej (zmiennej kontrolowanej) y z wartością zadaną w. Odchyłka regulacji e (róŝnica między w i y ) powoduje wytworzenie sygnału sterującego (wyjściowego) u, którego wartość zaleŝy od wielkości, czasu trwania oraz szybkości zmian odchyłki e. zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy 1. Regulatory Zadaniem sygnału sterującego u jest wywołanie zmian zmniejszających odchyłkę regulacji e do wielkości dopuszczalnej (e d ). Sygnał wyjściowy regulatora powinien mieć postać dogodną do uruchomienia właściwych urządzeń wykonawczych. y w u zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy

54 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 wyróŝnia się: regulatory temperatury regulatory wilgotności regulatory ciśnienia regulatory ilości i inne (np. czynnika grzejnego) (np. powietrza nawiewanego) (np. w przepompowni) (np. strumienia masowego) 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 wyróŝnia się: regulatory bez energii pomocniczej (bezpośredniego działania) regulatory elektryczne regulatory cyfrowe (mikroprocesorowe) regulatory pneumatyczne regulatory elektro-pneumatyczne i inne

55 2.2. Podział według energii pomocniczej Przykłady REGULATOR POZIOMU BEZPOSREDNIEGO DZIAŁANIA REGULATOR CIŚNIENIA BEZPOSREDNIEGO DZIAŁANIA REGULATOR CYFROWY (MIKROPROCESOWROWY) REGULATOR PNEUMATYCZNY 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 wyróŝnia się: regulatory o działaniu nieciągłym regulatory o działaniu ciągłym P (proporcjonalne), PI (proporcjonalno-całkujące), PID (proporcjonalno-całkująco-róŝniczkujące). Czasowe zachowanie się regulatorów jest najwaŝniejsze dla wyboru regulatora. Jest ono niezaleŝne od rodzaju wielkości regulowanej i energii pomocniczej.

56 3.3. Podział według zachowania się w czasie REGULATORY O DZIAŁANIU CIĄGŁYM O DZIAŁANIU NIECIĄGŁYM typu P typu PI typu PID dwustawne trójstawne Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zaleŝy od doboru odpowiedniego TYPU regulatora do konkretnego obiektu regulacji Regulator ciągły typu P Charakterystyka skokowa regulatora typu P: Sygnał wejściowy mnoŝony przez współczynnik wzmocnienia k. Regulator posiada inercyjność o stałej czasowej T. k e T y(t) e e(t) czas t

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

58 4.4. Nastawy regulatorów ciągłych Wielkości k p, T i i T d noszą nazwę NASTAW REGULATORA. Nastawy danego regulatora moŝna nastawiać w pewnym przedziale wpływając na dynamiczne właściwości pracy regulatora. Zmieniając nastawy uzyskuje się róŝne przebiegi wielkości regulowanej dla jednego regulatora! Dostosowuje się go bez konieczności jego wymiany. Rozszerza to zakres jego stosowania i funkcjonalność. Zmieniając nastawy regulatora PID moŝna uzyskać np. regulatory o mniej złoŝonej strukturze np. typu P (T d =0 i T i = ). Odpowiednio dobrane nastawy umoŝliwiają uzyskanie minimalnej wartości wybranego wskaźnika jakości regulacji. Istnieje cały dział nauki zajmujący się doborem i optymalizacją nastaw regulatorów w funkcji technicznej i ekonomicznej wydajności Działanie w czasie P, PI, PID Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie. Proszę zwrócić uwagę na parametry jakości regulacji!

59 4.5. Działanie w czasie P, PI, PID Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie. Proszę zwrócić uwagę na parametry jakości regulacji! Typ P Typ PI Typ PID 4.5. Działanie w czasie i nastawy P, PI, PID Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie. Proszę zwrócić uwagę na nastawy i parametry jakości regulacji! Typ P Typ PI Typ PID

60 4.6 Dobór typu regulatora o działaniu ciągłym W literaturze istnieje wiele wytycznych dotyczących właściwego wyboru typu regulatora dla danego typu obiektu. Przykładowo: Obiekt regulowany Zalecany typ regulatora Dopuszczalny typ regulatora Niedozwolony typ regulatora Obiekt całkujący PI I Obiekt całkujący z inercją Obiekt inercyjny pierwszego rzędu Obiekt inercyjny z opóźnieniem Obiekt inercyjny wyższego rzędu PID I PI I PID I, PI P PID I, PI P Obiekt opóźniający PI I P 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Sygnał wyjściowy u regulatora dwustawnego moŝe przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną i minimalną (np. załącz/wyłącz). Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego: u max u min y=w-e d y=w y=w+e d

61 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Przykład: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora temperatury w pomieszczeniu pomiar 5.1. Regulator nieciągły dwustawny Przebieg wielkości regulowanej dwustawnie (temperatura). Zwiększenie jakości regulacji powoduje częstsze przełączanie. Temp Zał. Wył. t czas t czas

62 5.1. Regulator nieciągły dwustawny 1. Układy oparte na regulatorze dwustawnym cechują periodyczne zmiany wielkości regulowanej, co jest ograniczeniem ich stosowania (np. falowanie temperatury w pomieszczeniu). 2. Regulatory te są prostej konstrukcji i są przez to tanie, co sprzyja ich rozpowszechnieniu. 3. Najczęściej stosowane są jako regulatory temperatury lub poziomu. 4. W procesie regulacji wymagają podania wartości zadanej w i jej dopuszczalnej odchyłki e d (lub histerezy H ). 5. Nadają się do sterowania urządzeń dwustanowych: załącz/wyłącz (np. pompy, nagrzewnice i grzejniki elektryczne) Regulator nieciągły trójstawny Charakterystyka statyczna regulatora trójstawnego: w N - strefa nieczułości, H - strefa histerezy, w - wartość zadana Np. regulacja temperatury z wykorzystaniem procesu ogrzewania i chłodzenia.

63 5.2. Regulator nieciągły trójstawny Charakterystyka statyczna regulatora trójstawnego: T, C N - strefa nieczułości, H - strefa histerezy, w - wartość zadana Np. regulacja temperatury z wykorzystaniem procesu ogrzewania i chłodzenia Dobór regulatora np. cyfrowego NaleŜy uwzględnić kryteria zarówno techniczne jak i ekonomiczne. Poprawnie dobrany do obiektu regulacji regulator powinien posiadać: 1. Odpowiednie właściwości statyczne i dynamiczne. 2. MoŜliwość przyłączenia niezbędnej ilości sygnałów wejściowych i wyjściowych I/O. 3. MoŜliwość realizacji wszystkich niezbędnych funkcji z zakresu regulacji i sterowania obiektu. 4. Dogodny sposób zabudowy i określone dopuszczalne parametry klimatu w otoczeniu regulatora. 5. MoŜliwość współpracy w sieci z innymi regulatorami. 6. MoŜliwość obsługi z panelu operatorskiego. 7. Niezawodność pracy i dostępny autoryzowany serwis.

64 8. Szafa sterowniczo-zasilająca UAR DRZWI SZAFY STEROWNICZO-ZASILAJĄCEJ (WŁĄCZNIKI I LAMPKI) WNĘTRZE SZAFY STEROWNICZO-ZASILAJĄCEJ Węzeł ciepłowniczy

65 Węzeł ciepłowniczy Produkcja paliw - brykieciarka

66 Przepompowanie ścieków Źródła ciepła, kotłownie

67 Oczyszczalnie ścieków Układy chłodzące

68 9. Dobór elementów UAR - podsumowanie Procedura doboru elementów UAR (skrót): 1. Rozpoznanie właściwości obiektu i urządzeń. 2. Określenie wymagań regulacji. 3. Dobór elementów pomiarowych (czujników). 4. Dobór elementów wykonawczych. 5. Zliczenie sygnałów I/O. 6. Dobór regulatora. Typ, budowa, właściwości dynamiczne, aplikacje regulacyjne. 7. MontaŜ i okablowanie. 8. Oprogramowanie regulatora. Aplikacja gotowa, z katalogu lub stworzona od podstaw. 9. Praca regulatora w sieci współpraca z innymi regulatorami, wymiana informacji, zarządzanie całym budynkiem, BMS, BEMS. KONIEC