INTELIGENTNE ELEMENTY WYKONAWCZE AUTOMATYKI

Transkrypt

1 INTELIGENTNE ELEMENTY WYKONAWCZE AUTOMATYKI Michał Bartyś Wprowadzenie Element wykonawczy Problemy Opis zjawisk fizycznych Przykłady konstrukcji Elementy elektro-pneumatyczne Elementy elektryczne Diagnostyka bieŝąca Symulacja układów wykonawczych Uwagi końcowe SYSTEMY MECHATRONICZNE Politechnika Warszawska Wydział Mechatroniki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

2 Sztuczna inteligencja? Podstawowe wątpliwości Inteligencja naturalna - zdolność do samodzielnego (twórczego) formułowania i rozwiązywania problemów Inteligencja sztuczna - zdolność komunikacji ze światem zewnętrznym - zdolność wnioskowania - zdolność adaptacji do zmieniających się warunków

3 Punkt wyjścia Skala problemu Liczba elementów wykonawczych: Polfa Tarchomin: ok. 50 Browar Warka : ok. 100 Cukrownia Glinojeck: ok. 200 Elektrociepłownia Katowice SA: ok. 250 Elektrownia Kozienice SA: ok. 700 ORLEN SA Płock: ok BASF - Ludwigshafen: ok Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

4 Element wykonawczy Schemat blokowy Miejsce elementu wykonawczego w układzie automatyki SP e Regulator CV Element wykonawczy F Obiekt L PV Przetwornik pomiarowy

5 Element wykonawczy Rola i miejsce elementu wykonawczego w układzie automatyki Regulator Element wykonawczy Zakłócenia SP e CV PID G Obiekt F L PV Przetwornik System DDC Łącze Aktuator Instalacja Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

6 Element wykonawczy Uszczegółowiony schemat blokowy P 2 Element wykonawczy CV I P s X F Opary SP PV e PI CV XV P I E/P K f P s Siłownik Zawór X Obiekt L Przecieki Przetwornik pomiarowy P 1

7 Przykład elementu wykonawczego (Zespół: siłownik + zawór regulacyjny + ustawnik pozycyjny) Actuator structure CV Ustawnik F p s X x P1 P2 V1 V V3 F V2 Miejsce elementu w instalacji technologicznej

8 Przykład zastosowania Przemysł spoŝywczy Układ regulacji poziomu soku rzadkiego w stacji wyparnej Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

9 ZagroŜenia techniczne Przykład zagroŝenia technicznego PV in [%] Poziom soku w Juice wyparce level in PV evaporator (stan uszkodzenia (snap-shot from faulty elementu state) wykonawczego) Manual control test Dangerous situation Niebezpieczeństwo zanieczyszczenia instalacji wyparnej Cukrownia Lublin SA Uszkodzenie elementu wykonawczego Pozostaje tylko 30s na usunięcia awarii! Niebezpieczeństwo przegrzania wyparki Time Czas [s] [s] Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

10 Uszkodzenie elementu wykonawczego Ilustracja uszkodzenia elementu wykonawczego Juice level in evaporator PV and CV values Poziom soku w wyparce PV i wartość sygnału sterowania elementu wykonawczego CV Wpływ niektórych uszkodzeń moŝe być kompensowany przez układ regulacji automatycznej PV CV Czas [s] Time [s] PV CV Politechnika

11 Charakterystyki przepływowe zaworów Charakterystyki przepływowe zaworów są zaleŝne od geometrii zaworów Spotykane są najczęściej charakterystyki: 1. Szybko-otwierająca - w której w stanach bliskich pełnego otwarcia występuje niewielka zmiana Kv 2, Liniowa - realizująca liniową zaleŝność strumienia od przemieszczenia grzyba zaworu 3. Stałoprocentowa - w której te same zmiany względnego otwarcia zaworu wywołują takie same względne zmiany strumienia przepływu Doświadczalna metoda wyznaczania wartości współczynnika Kv zaworu Szybkootwierająca [ 3 / h] P = kpa Kv = Q m 100 Wartość liczbowa Kv jest równa wartości strumienia objętości płynu przepływającego przez zawór w [m 3 /h] przy spadku ciśnienia na zaworze równym 100kPa Kv[%] Liniowa Stałoprocentowa Otwarcie zaworu X[%]

12 Zjawiska: wrzenia i kawitacji Ciśnienie vena contracta strumień p 1 p 2 ciśnienie vena contracta p 1 p 2 (kawitacja) p v p vc p 2 (wrzenie) odległość Ilustracja efektu vena contracta

13 Problem - tarcie w urządzeniu wykonawczym Wyniki badań laboratoryjnych Relative piston displacement in [%] Przemieszczenie tłoczyska w [%] Nominal stroke 38,1 mm. Valve diameter DN80. Skok nominalny 38,1 mm. Zawór DN Supply Ciśnienie pressure zasilania in w [kpa] histereza 10 % Przykładowa charakterystyka statyczna membranowego siłownika pneumatycznego

14 Kompensacja efektu histerezy tarciowej Wyniki badań eksperymentalnych Relative piston rod displacement in [%] Przemieszczenie względne tłoczyska w [%] 0 7,5 17,5 27,5 37,5 47,5 57,5 67,5 77,5 87,5 97,5 Histereza jest mniejsza niŝ 0.5% Liniowość jest lepsza niŝ 0.8 % Sygnał Control wartości s igna l zadanej in [%] w [%] Charakterystyka statyczna zespołu: siłownik pneumatyczny i ustawnik pozycyjny

15 Klasyfikacja elementów wykonawczych (Grupy klasyfikacyjne) Elementy wykonawcze pneumatyczne elektropneumatyczne z napędem elektrycznym Ustawniki pozycyjne z wejściem analogowym z wejściem cyfrowym hybrydowe Ustawniki pozycyjne klasyczne inteligentne

16 Element wykonawczy - dynamika Wymagania na odpowiedź na wymuszenie skokowe CV,PV,X Przeregulowanie CV e Zakres tolerancji Odchyłka regulacji Sygnał sterujący CV Odpowiedzi na wymuszenia skokowe Czas regulacji t [s]

17 Siłownik pneumatyczny (eksperyment) Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownika Ekstrapolacja wybiegu tłoczyska siłownika Wyniki eksperymentalne (bez zaworu regulacyjnego) (siłownik typu 37, zakres nominalny ruchu 38,1 mm) Wejście: I - prąd przetwornika E/P Wyjście: X - przemieszczenie tłoczyska X [%] Ograniczniki ruchu 20 0 Efekt wstępnego napięcia spręŝyny siłownika czas[s ] Odpowiedź na wymuszenie skokowe Ruch tłoczyska odbywa się w kierunku zamknięcia hipotetycznego zaworu

18 Siłownik pneumatyczny (eksperyment) Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownika Wyniki eksperymentalne (bez zaworu regulacyjnego) (siłownik typu 37, zakres nominalny ruchu 38,1 mm) Wejście: I - prąd przetwornika E/P Wyjście: X - przemieszczenie tłoczyska X [%] 0 Ekstrapolacja przemieszczenia tłoczyska siłow nika czas[s] Wyraźna asymetria odpowiedzi na symetryczne wymuszenia skokowe

19 Podstawowe elementy ustawnika Sprzeczność - wymagania - moŝliwości konstrukcyjne Interfejs RS-485 Wyświetlacz LCD 176 segmentów Pomiar (x) przemieszczenia trzpienia Pomiar ciśnienia (p1) przetwornika E/P Interfejs HART 4-20mA Jednostka centralna 16-bitowa Interfejs przetwornika E/P Przetwornik elektropneumatyczny Przetwornik E/P Interfejs RS-232 Klawiatura 3/5 przyciskowa Pomiar (t) temperatury pracy Pomiar ciśnienia (p2) zasilania Maksymalny pobór prądu w stanie aktywnym: 3,8 ma Maksymalny pobór mocy w stanie aktywnym: 35mW Zakres temperatur pracy: C Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

20 Pozycjoner Przykład konstrukcyjnego schematu blokowego pozycjonera z interfejsem HART 1 Indukcyjny przetwornik przemieszczenia trzpienia grzyba zaworu 2 Jednostka mikroprocesorowa realizująca zadania regulacyjne 3 Zawór sterujący 4 Zawór sterujący 5 Jednostka mikroprocesorowa realizująca zadania komunikacyjne 6 Zawór redukcyjny ciśnienia 7 Zasilanie pneumatyczne 8 Wejście sygnału sterującego HART

21 Pozycjoner Przykład konstrukcyjnego schematu blokowego pozycjonera z interfejsem HART Wejście HART lub ma A D µc D A FSK µc Wymuszone odpowietrzenie & PWM Odpowietrzanie Napowietrzanie Zasilanie pneumatyczne kPa

22 Pozycjoner Przykład algorytmu sterowania ciśnieniem metodą PWM Zalety: - niska cena - prosta konstrukcja - proste sterowanie - niskie zuŝycie własne powietrza Y[%]= t * 100% T Typ modulacji: PWM t max Okres modulacji = 35ms t 50 Wady: - ograniczona trwałość - hałas - niska dynamika Zakres proporcjonalny e t min T=35 ms t [s]

23 Ustawnik pozycyjny Struktura ustawnika A-785 GAIN SP=100% SP Manual control -1000, ,0% Controller E/P Transducer Actuator ma % Normalisation & correction SP LOW SP HIGH CORR. 1 CHECK ,0s II order lag filter FILTER sp REVERS -1000, ,0% Gain GAIN SP u OFFSET + + y - e % PID GAIN KP Ti Td DEAD HISTH v k = 100 BOOSTER MAN PWM MANUAL ua G (s) 1 Cur LO Cur MI Cur HI G (s) 2 y m (100%-sp) Revers mode -1000, ,0% Biass ALAR HI ALAR LO 0.. Cur HI Manual PWM E/P control 0.. Cur HI Manual E/P control -1000, ,0% ALARMS Potentiometr -1000, ,0% Gain GAIN PV % Normalisation & correction PV LOW PV HIGH A U T O CORR. 2 CHECK 2 y m

24 Przykład rozwiązania przetwornika elektropneumatycznego WYMAGANIA p z p z 1 W stanie ustalonym w obu komorach siłownika musi być utrzymywane ciśnienie równe co najmniej połowie ciśnienia zasilania 2 Dokładność pozycjonowania 0,1% 3 Powtarzalność pozycjonowania 0,1% 4 Zakres ciśnień pracy kPa 5 Zakres temperatur pracy C 6 Maksymalna elektryczna moc sterowania zaworów: 1 mw 7 Brak efektu typu stick-slip, aperiodyczny przebieg przejściowy 8 Niskie zuŝycie własne powietrza (20Nl/h) 9 Bardzo wysoka trwałość (min cykli) 10 Konkurencyjna cena Politechnika

25 Elektromechaniczny element wykonawczy definicje Siłownik elektryczny jest elementem wykonawczym w układzie sterowania przetwarzającym energię elektryczną na mechaniczną (siła, moment obrotowy). Sygnałem wejściowym jest sygnał wartości sterującej CV Sygnałem wyjściowym jest sygnał nastawiający Typowym sygnałem wejściowym jest sygnał 4..20mA Typowym sygnałem wyjściowym jest sygnał siły lub momentu

26 Elektromechaniczny element wykonawczy Osprzęt Nadajnik połoŝenia urządzenie odwzorowujące połoŝenie elementu wyjściowego w sposób ciągły za pomocą sygnałów elektrycznych, które mogą być wykorzystywane w układach regulacji automatycznej. Wskaźnik połoŝenia urządzenie słuŝące do wzrokowego określenie połoŝenia wyjściowego elementu nastawczego. Wyłącznik połoŝenia pośredni - wyłącznik przeznaczony do sygnalizacji lub wysyłania sygnałów do sterowania urządzeniami współpracującymi, w momencie osiągnięcia przez element wyjściowy nastawionego połoŝenia pośredniego między połoŝeniami nastawionymi wyłącznikami połoŝenia krańcowego. Wyłącznik połoŝeniowy krańcowy wyłącznik zamykający lub otwierający obwód elektryczny siłownika po osiągnięciu nastawionego połoŝenia

27 Elektromechaniczny element wykonawczy Urządzenia dodatkowe Luzownik (hamulec) urządzenie, które po zasileniu napięciem, odblokowuje ruch wirnika silnika napędowego, a przy zaniku napięcia zasilającego blokuje ruch wirnika silnika napędowego. Luzownik ogranicza drogę wybiegu elementu wyjściowego oraz utrzymuje go w połoŝeniu, w którym znajdował się w chwili zaniku napięcia zasilającego. Zespół napędu ręcznego urządzenie połączone z przekładnią redukcyjną, umoŝliwiające ręczne przesunięcie elementu wyjściowego Układ przeciąŝeniowy urządzenie nastawne umoŝliwiające ograniczenie siły wyjściowej lub momentu wyjściowego zabezpieczające przed skutkami przeciąŝenia

28 Elektromechaniczny element wykonawczy Definicje Siłownik regulacyjny siłownik przeznaczony do pracy w zamkniętych układach regulacji automatycznej Siłownik sterowniczy siłownik przeznaczony do pracy w otwartych układach regulacji automatycznej Siłownik stałoprędkościowy siłownik, którego element wyjściowy porusza się w określonym kierunku ze stałą prędkością Siłownik zmiennoprędkościowy (siłownik ze sterowana prędkością) siłownik, którego element wyjściowy porusza się w określonym kierunku z prędkością zaleŝną od wartości sygnału sterującego.

29 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik elektryczny Klasyfikacja liniowe wahliwe obrotowe

30 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik liniowy Siłownik, którego element wyjściowy wykonuje ruch posuwisto-zwrotny Napęd zaworów grzybowych, szklankowych, zasuw itp.

31 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik wahliwy Siłownik, którego element wyjściowy wykonuje ruch obrotowy o zakresie nie przekraczającym kąta pełnego Napęd zaworów kulowych, zasuw i klap regulacyjnych

32 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik obrotowy Siłownik, którego element wyjściowy wykonuje ruch obrotowy na drodze kątowej o zakresie przekraczającym kąt pełny

33 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik liniowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych Zasilanie Siła nominalna Prędkość Skok Stopień ochrony Pozycja pracy Rodzaj pracy Masa 24 V lub 220 V; f= Hz 600 N 0,2 mm/s 20 lub 25 mm IP54 Dowolna S2 15 min lub S4 25% 320 c/h ~3 kg

34 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik liniowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych Zasilanie Siła nominalna Prędkość Skok Stopień ochrony Pozycja pracy Rodzaj pracy Temperatura pracy Masa 220/380 V; f= Hz 6, kn mm/min mm IP54 Dowolna S2 15 min lub S4 25% 1200 c/h -25C...+70C ~30 kg

35 Elektromechaniczny element wykonawczy siłownik obrotowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych Zasilanie Moment nominalny Prędkość kątowa Stopień ochrony Pozycja pracy Rodzaj pracy Temperatura pracy Masa 220/380 V; f= Hz 150 Nm 10 lub 25 mm/min IP54 Dowolna S2 15 min lub S4 25% 630 c/h -25C...+55C ~25 kg

36 Diagnostyka w elementach wykonawczych Główne zadania i oczekiwane efekty Detekcja uszkodzeń Lokalizacja uszkodzeń Sygnalizacja diagnoz Redukcja strat w stanach z uszkodzeniami Uniknięcie stanów awaryjnych Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia Znaczna redukcja kosztów serwisu MoŜliwość diagnozowania urządzeń zabudowanych w miejscach trudno dostępnych

37 Zbiór uszkodzeń Uszkodzenia zaworu + uszkodzenia siłownika Uszkodzenia zaworu f 1 - zablokowanie zaworu przez ciało obce f 2 - zmiana charakterystyki przepływowej w wyniku zjawiska sedymentacji f 3 - zuŝycie erozyjne zaworu f 4 - wzrost sił tarcia w dławicy lub w gnieździe f 5 - przeciek zewnętrzny medium f 6 - przeciek wewnętrzny medium f 7 - wystąpienie zjawiska kawitacji Uszkodzenia siłownika f 8 - skrzywienie tłoczyska siłownika f 9 - nieszczelność komory siłownika lub przyłączy pneumatycznych f 10 - przebicie membrany siłownika f 11 - uszkodzenie spręŝyny

38 Zbiór uszkodzeń Uszkodzenia ustawnika + uszkodzenia zewnętrzne Uszkodzenia ustawnika f 12 - uszkodzenie przetwornika e/p f 13 - uszkodzenie toru pomiarowego połoŝenia X f 14 - uszkodzenie czujnika ciśnienia P f 15 - uszkodzenie mechanicznego toru sprzęŝenia zwrotnego Uszkodzenia zewnętrzne f 16 - spadek ciśnienia zasilania pozycjonera f 17 - spadek lub wzrost ciśnienia przed lub za zaworem f 18 - otwarty lub nieszczelny tor obejścia zaworu f 19 - uszkodzenie toru pomiarowego przepływu F.

39 Diagnostyka bieŝąca Wizualizacja uszkodzeń

40 Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego 120 x [%] F vc =const F f =const p = 2 F A e f x = 2 F k s f x = p A k e s 0 p [kpa]

41 Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego 120 x [%] F vc =const F f =const 60 uszkodzenie f p = 2 F A e f x = 2 F k s f 0 p [kpa] Efekt wzrostu siły tarcia p = 2 F A e f

42 Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego 120 x [%] F vc =const F f =const 60 uszkodzenie f p = 2 F A e f x = 2 F k s f 0 p [kpa] Zmniejszenie sztywności spręŝyny siłownika (np: korozja spręŝyny) x = p A k e s

43 Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego 120 x [%] F vc =const F f =const p = 0 uszkodzenie f p = 2 F A e f x = 2 F k s f 0 p [kpa] Spadek ciśnienia zasilania p = 0

44 Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego 120 x [%] F vc =const F f =const x = 0 Uszkodzenie f p = 2 F A e f x = 2 F k s f 0 p [kpa] Zablokowanie zaworu x = 0

45 Problem detekcji nieszczelności zaworu Diagnostyka wbudowana Detektor akustyczny nieszczelności zaworu

46 Problem szczelności pakietu uszczelnień Diagnostyka wbudowana Sygnalizator graniczny ciśnienia Proste, niezawodne rozwiązanie problemu detekcji nieszczelności pakietu uszczelnień

47 Problem diagnostyki bieŝącej Diagnostyka wbudowana Czujnik ciśnienia p x Kontrola wiarygodności sygnału ciśnienia w komorze siłownika

48 Uszkodzenie toru sprzęŝenia zwrotnego Badania symulacyjne uszkodzenia toru sprzęŝenia zwrotnego w ustawniku Symulacja układu regulacji automatycznej w stanie z uszkodzeniem toru sprzęŝenia zwrotnego ustawnika pozycyjnego. Zerowy sygnał sprzęŝenia zwrotnego został zastąpiony sygnałem o wartości 100% po czasie 250s. Układ regulacji działa niepoprawnie. Warunkiem koniecznym kompensacji uszkodzenia toru sprzęŝenia zwrotnego ustawnika jest zachowanie relacji PVp<CV

49 Problem tolerancji uszkodzenia toru sprzęŝenia zwrotnego p1 x p1 x~ sp p1 p2 u Sensor wirtualny x~ SP X x~ t Detektor uszkodzenia f11 Politechnika

50 Siłownik pneumatyczny Bilans sił F F pd pu = F = F s s + F + F A e p s k d k s F n F g x d d d + F F f f + F + F vc vc F F g g k s - stała spręŝyny k d - stała membrany A e - powierzchnia efektywna membrany p s - ciśnienie powietrza w komorze F n - składowa normalna siły w dławicy F p - siła czynna F g - siła cięŝkości F s - siła napięcia spręŝyny F d - siła napięcia membrany F fv - siła tarcia wiskotycznego F fc - siła tarcia Coulomba F vc - siła hydrostatyczna (vena contracta) F da - siła d Alembert a x - przemieszczenie tłoczyska x o - ugięcie wstępne spręzyny m - masa elementów ruchomych Histereza <> efekt sił tarcia Bilans sił kierunek ruchu w dół F p Fg n i = 1 pu F i pd F s F d F f F vc = 0 F F = 2F f

51 Siłownik pneumatyczny Równanie ruchu F s F fc F N F da m F p F d F fv F F F F F F F p s d fc fv da vc = = p = k = k s k A ( x + x d s x& 0 ( x + x v e 0 ) = sgn( x& ) F ) N µ = mx && = f ( x, P1, P2, F, Kv, α, ρ) f n i = 1 F i = k s >> k d 0 F g x m && x & & mg = + kvx + sign( x) FN µ + ( ks + kd ) x Fvc ( x) + ( ks + kd ) x0 p s A e F vc Równanie dynamicznej równowagi sił

52 Symulacja elementu wykonawczego Przypadek symulacji sterowania strumienia wody napływowej do kotła energetycznego Ustawnik Siłownik f 17 - spadek lub wzrost ciśnienia na zaworze f17 f17 f 19 - uszkodzenie przetwornika przepływu f 18 - otwarcie zaworów obejściowych f18 Zawór f19 Politechnika Warszawska, Instytut Wydział Automatyki Mechatroniki i Robotyki

53 Siłownik pneumatyczny (model symulacyjny) Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownika Wyniki symulacji, dobór parametrów modelu X [%] 80 75% 75% Wyniki z badań eksperymentalnych Wyniki badań symulacyjnych time[s] X [%] Wyniki z badań eksperymentalnych Wyniki badań symulacyjnych s time[s] 13.8 s

54 Przykład modelowania strumienia przepływu Przypadek symulacji sterowania strumienia wody napływowej do kotła energetycznego Przemieszczenie tłoczyska X Wartość zadana strumienia przepływu Strumień Q czas [s]

55 Elementy wykonawcze Uwagi końcowe Współczesne urządzenia wykonawcze automatyki: - mają zdolności komunikacyjne (reguła) - mają zaimplementowane zdolności adaptacyjne - samostrojenie (reguła) - mają zdolności do sygnalizacji przekroczeń alarmowych (reguła) - mają zdolności do wnioskowania diagnostycznego w trybie on-line (wyjątkowo) - mają moŝliwość walidacji pomiarów (SEVA) (wyjątkowo) Współczesne urządzenia wykonawcze automatyki: - muszą być zgodne z wymaganiami IEC dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej (w zakresie odporności i emisyjności) IEC odporność na pole elektromagnetyczne IEC odporność na zakłócenia napięciowe IEC odporność na zakłócenia w paśmie fal radiowych IEC odporność na pole magnetyczne IEC odporność na zaniki zasilania IEC odporność na wyładowania elektryczne - powinny być zgodne z projektem normy IEC (ustawniki inteligentne z wyjściem pneumatycznym)