Automatyka i sterowanie w gazownictwie wykład 1 Autor: dr inż. Iwona Oprzędkiewicz Nazwa wydziału: WIMiR Nazwa katedry: Katedra Automatyzacji Procesów
Pojęcia podstawowe z1 zm u1 ur Zadajnik Proces u1 ur Proces y1 yn y1 yp
E Pojęcia podstawowe w1 ws Proces y1 yp S Wielkości fizyczne występujące w procesie sterownia, będącą funkcją czasu i wykorzystywane do przekazywania informacji nazywamy sygnałami. Sygnałami wyjściowymi nazywamy sygnały, których przebieg określa przebieg procesu. Sygnałami wejściowymi nazywamy sygnały, których przebieg wpływa na przebieg procesu. Sygnałami sterującymi ( sterowaniami ) nazywamy sygnały wejściowe, które możemy zmieniać w sposób ustalony. Sterowania są oznaczane przez u. Sygnałami zakłócającymi ( zakłóceniami ) nazywamy sygnały wejściowe, na które nie mamy wpływu. Zakłócenia są oznaczane przez z.
Schemat układu regulacji w1 + wi + yi i z1 _ wk + _ 1=u1 r=ur zm y1 Proces yk - węzeł sumacyjny Błędem ( uchybem ) regulacji nazywamy różnicę pomiędzy sygnałem zadanym i sygnałem wyjściowym z procesu: i = wi - yi Układem zamkniętym ( układem ze sprzężeniem zwrotnym ) nazywamy układ, w którym sygnały wyjściowe z procesu mogą oddziaływać na jego wejście. Urządzenie przetwarzające sygnał błędu na sygnał sterujący nazywamy regulatorem. Związki matematyczne pomiędzy sterowaniami i wyjściami nazywamy modelami matematycznymi procesu.
Układ regulacji
Układ regulacji
Podział obiektów (członów) automatyki ze względu na rodzaj energii zasilającej elektryczne np. silniki, czujniki, sterowniki, przekaźniki itp.. Zalety: - duży wybór elementów; - dostępność energii elektrycznej; - łatwość przesyłania sygnałów elektrycznych na duże odległości. Wady: - ciężkie i bezwładne człony wykonawcze; - często skomplikowana budowa.
NAPĘD ELEKTRYCZNY RUCHU LINIOWEGO POZYCJONOWANY PRZEŁĄCZALNIE
Podział obiektów (członów) automatyki ze względu na rodzaj energii zasilającej pneumatyczne Zalety: - zasilanie sprzężonym powietrzem (bezpieczeństwo). Wady: - ograniczona odległość przesyłania sygnałów (200-300m); - wolne działanie; - duże rozmiary; - mała niezawodność.
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki W pneumatycznych urządzeniach automatyki miarą wartości sygnału jest ciśnienie. Ciśnienia działające na powierzchnie membran lub mieszków wytwarzają siły, które zależnie od konstrukcji urządzeń współpracujących powodują większe lub mniejsze przesunięcia.
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki Membrany wykonywane z gumy, tkanin powlekanych gumą lub tworzywem sztucznym. Część środkowa usztywniona jest krążkiem (najczęściej metalowym) zwanym sztywnikiem. Parametrem charakteryzującym membrany jest powierzchnia czynna membrany. Mieszki wykonane są z mosiądzu, stali oraz brązu berylowego. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi mieszki są: powierzchnia czynna mieszka i sztywność. Powierzchnia czynna w przybliżeniu równa jest powierzchni denka, nie zależy od zmiany długości mieszka. Sztywność mieszka c=f/ l ( l zmiana długości mieszka); często określana doświadczalnie.
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki Pneumatyczne elementy oporowe (opory pneumatyczne) elementy wprowadzające ograniczenia przepływu powietrza i wywołujące w związku z tym spadki napięcia. Opór pneumatyczny Rp oblicza się jako współczynnik proporcjonalności między spadkiem ciśnienia p i strumieniem przepływu masowego Qm Rp= p/qm Jeżeli wartość oporu nie zależy od strumienia to opór nazywamy liniowym lub laminarnym.
Opory pneumatyczne a/ -opór stały, b/ -nastawny, c/, d/, e/ - zmienne. Pojemności pneumatyczne p 42 C Aparatura Automatyzacji 14
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki Pojemność pneumatyczna współczynnik proporcjonalności pomiędzy strumieniem przepływu masowego Qm a prędkością zmian ciśnienia w komorze (zbiorniku) Cpdp/dt= Qm W procesie sprężania powietrza w komorze pojemność pneumatyczna jest proporcjonalna do objętości komory.
Element dysza przesłona konstrukcja: rozkład ciśnienia: Aparatura Automatyzacji 16
Elementy pneumatycznych urządzeń automatyki Oznaczenia: 1 - Stały opór pneumatyczny, 2 komora wyjściowa, 3 dysza, 4 - ruchoma przesłona. pz ciśnienie zasilające, pk - ciśnienie wyjściowe, x szerokość szczeliny. d1 średnica otworu opornika stałego 1, d2 średnica dyszy 3.
Przybliżona zależność pomiędzy ciśnieniem wyjściowym i przesunięciem przesłony: pk pz 4d 2 1 2 d1 2 2 x Przy czym maksymalne otwarcie przesłony jest określone następująco: x max d2 2
Ciśnienie wyjściowe pk jako funkcja szerokości szczeliny x: x
Sumator pneumatyczny 1,2 mieszki, 3 dźwignia, 4 zderzak, 5 dysza. 42 Aparatura Automatyzacji 20
Działanie układu sumatora: Wejście to ciśnienia p1 i p2, a wyjście to przesunięcie górnej dźwigni, sterujące układem dysza przesłona, Wagi ciśnień powierzchniami lokalizacją. wejściowych są powiązane z czołowymi mieszków oraz ich równanie bilansu sił i momentów: p1s1l1 F3l1 p2 S 2l2 F4l2 oznaczenia zob. rysunek
SIŁOWNIK PNEUMATYCZNY TŁOKOWY
ELEMENTY NAPĘDU PNEUMATYCZNEGO
Podział obiektów (członów) automatyki ze względu na rodzaj energii zasilającej hydrauliczne Zalety: - korzystne własności oleju (smarowanie i ochrona); - małe wymiary członów wykonawczych; - duże moce; - duża niezawodność. Wady: - znacznie ograniczona odległość przesyłania (do kilku m); - ciężkie przewody sygnałowe; - konieczność uszczelniania instalacji; - zagrożenie wybuchem i pożarem.
SIŁOWNIK HYDRAULICZNY TŁOKOWY PROSTY 1 tłok, 2 tłoczysko, 3 doprowadzenie oleju, 4 cylinder, 5 - uszczelnienie
Producenci systemów sterowania dla gazownictwa w Polsce +Emerson Process Management - Delta V, Oviation + Siemens - PCS7 + ABB - MasterPiece + Allan Bradley - Control Logic + GeFanuc + Wonderware - RX3 + Intouch
Przykłady elementów systemów sterowania
Struktura systemu sterowania Stacja redukcyjno-pomiarowa
Stacja redukcyjno-pomiarowa realizacja
Tłocznia gazu Struktura systemu sterowania
Tłocznia gazu Realizacja
Układ regulacji z(t) w(t) + e(t) - R gdzie: w(t) wartość zadana, e(t) uchyb regulacji, u(t) sterowanie, z(t) zakłócenie, y(t) wielkość regulowana R regulator Obiekt obiekt regulacji u(t) + - Obiekt y(t) Funkcje regulatora: 1. wyznaczenie takiego sygnału sterującego, aby uchyb regulacji był możliwie jak najmniejszy, 2. Zapewnienie stabilności układu regulacji, 3. Zapewnienie odpowiedniej jakości regulacji, której miarą są wskaźniki jakości regulacji.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na sposób działania układu Układy stabilizacji - w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą (w czasie) wartość wielkości wyjściowej mimo zmian wielkości wejściowej i działających na układ zakłóceń.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na sposób działania układu Układy śledzące (nadążne) - działają w taki sposób, aby sygnał wielkości wyjściowej nadążał za zmianami wielkości wejściowej, tzn., aby y(t) = w(t). Zmiany sygnałów wejściowych nie są znane ani przewidywalne: są losową funkcją czasu. Układy te są również nazywane serwomechanizmami.
Układy klasyfikacja- układy nadążne cd. Sterowanie w układzie otwartym (algorytm zegarowy). Sterowanie w układzie otwartym - zmiana ustawienia fotoogniw następuje w zadanych odstępach czasowych na podstawie wyliczonej pozycji Słońca na nieboskłonie. Od tego typu układów wymaga się precyzyjnego ustawienia całej konstrukcji (znalezienie prawidłowego kierunku południa), oraz sprzężenie zwrotne od położenia fotoogniw. Aktualna pozycja słoneczna wyliczana jest na podstawie wzorów empirycznych (kąt azymutu i elewacji). Różnica pomiędzy aktualną pozycją słońca a pozycją stacji jest odchyłką od prawidłowego położenia, którą układ regulacji ma sprowadzić do zera - stąd mowa o sprzężeniu zwrotnym. Nie jest to jednak sprzężenie zwrotne od wielkości wyjściowej, jaką jest moc uzyskiwana z baterii - jest to zatem nadal układ otwarty. Wadą tego typu układów są stosunkowo wysokie koszty energetyczne sterowania i mała efektywność, zwłaszcza w miesiącach zimowych. Układy te nie potrafią reagować na zmieniające się warunki atmosferyczne. Rozróżnia się układy otwarte pracujące w układzie związanym z jedną osią i dwoma osiami.
Układy klasyfikacja- układy nadążne cd. Sterowanie w układzie zamkniętym. W układzie zamkniętym oprócz informacji o położeniu fotoogniw, pobiera się informacje o oświetleniu. W zależności od typu użytego czujnika mogą to być tylko dane o poziomie promieniowania lub też o jego charakterze (kierunkowość, stosunek promieniowania bezpośredniego do całkowitego itp.). Pozwala to w najprostszym przypadku, ustawić dolny próg oświetlenia, przy którym aktywują się układy napędowe. Daje to dużą oszczędność energii w dniach o słabym nasłonecznieniu. W bardziej zaawansowanych aplikacjach umożliwia stosowanie inteligentnych algorytmów decyzyjnych (np. optymalne ustawienie przy przeważającym udziale promieniowania rozproszonego). W tym układzie można wyliczyć kat odchylenia baterii od optimum. Wartością zadaną jest zerowa odchyłka od położenia dającego największy uzysk energetyczny.
Układy klasyfikacja- układy nadążne cd. Układ hybrydowy. Układ hybrydowy jest połączeniem zalet układu zamkniętego i otwartego przy eliminacji ich wad. Umożliwia zabezpieczenie się przed błędnymi odczytami z czujnika oświetlenia (awaria bądź dodatkowe boczne oświetlenie z odbicia). Ze względu na to że, czynnikiem wpływającym na maksymalny uzysk energii ze stacji jest ilość promieniowania odbitego oraz rozproszonego, połączenie w układzie nadążnym stacji tych dwóch metod sterowania, pozwala maksymalnie zminimalizować uchyb regulacji, dla dłuższego okresu sterowania. Wynikiem jest powstanie układu mieszanego umożliwiającego podejmowanie decyzji o rodzaju sterowania:
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na sposób działania układu Układy programowalne - są odmianą układów śledzących z tą różnicą, że sygnał wejściowy w(t) jest z góry określoną (znaną) funkcją czasu.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na sposób działania układu Układy optymalne - struktura i parametry regulatora określone są na podstawie obliczonego ekstremum przyjętego wskaźnika jakości. Przykładem takiego układu może być układ sterowania ciągiem silników tak, aby samolot osiągnął określony pułap, przy minimalizacji wskaźnika jakości, którym jest zużycie paliwa. Układy przełączające - regulacja odbywa się na zasadzacie załączania i/lub wyłączania odpowiednich urządzeń procesu w odpowiedniej kolejności (sekwencji), a rolę regulatora pełni najczęściej układ logiczny (na rys. PID).
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na liniowość układu Układy liniowe - można je opisać za pomocą równań liniowych algebraicznych, różniczkowych, różnicowych lub całkowych. Układy liniowe spełniają zasadę superpozycji. Układy nieliniowe - układ zawierający przynajmniej jeden element nieliniowy jest układem nieliniowym. W praktyce każdy układ jest nieliniowy, lecz w przybliżeniu zakłada się jego liniowość lub linearyzuje się jego nieliniową charakterystykę. Robi się to zwłaszcza wtedy, gdy działanie procesu ogranicza się do niewielkiego obszaru wokół pewnego punktu pracy.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na charakter sygnałów Układy ciągłe - wszystkie sygnały (wejściowe i wyjściowe) są funkcjami ciągłymi w czasie i mogą przybierać dowolną wartość z obszaru swojej zmienności. Układy te opisuje się zwykle równaniami różniczkowymi. Np: d 1 C1 dt 2 1 C d 2 2 2 dt
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na charakter sygnałów Układy dyskretne - układ jest dyskretny, jeżeli przynajmniej jeden jego sygnał ma charakter dyskretny tzn. przyjmuje tylko określone wartości dla określonych argumentów. Układy takie opisuje się zwykle równaniami różnicowymi.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na charakter układu Układy statyczne (bezinercyjne) - wyjście w danej chwili zależy tylko od wejścia (brak stanu nieustalonego). Układy te składają się tylko z elementów rozpraszających energię i opisuje się je równaniami algebraicznymi. x(t) y(t) a b ay t bx t
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na charakter układu Układy dynamiczne - układy, w których wyjście nie jest jednoznaczną funkcją wejścia i zależy dodatkowo od charakteru procesu przejściowego (inercyjności) i stanu układu w chwili początkowej. Opisuje się je równaniami różniczkowymi lub różnicowymi. i(t) R y(t) u(t) C u (t ) Ri t y t u t RC dy t i i t C dt dy y t dt
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na liczbę wejść i wyjść Układy jednowymiarowe - układy o jednym wejściu i jednym wyjściu.
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na liczbę wejść i wyjść Układy wielowymiarowe - układy o wielu wejściach i/lub wielu wyjściach. w1 + z1 _ wk + _ 1=u1 r=ur zm y1 Proces yk
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na charakter zmienności wymuszeń i parametrów Układy deterministyczne - układy, w których sygnały są zdeterminowanymi funkcjami czasu. Układy stochastyczne - układy, w których sygnały są wielkościami przypadkowymi (losowymi).
Układy - klasyfikacja Podział ze względu na zdolność do samoczynnego nastrajania Układy adaptacyjne - układy, ze zdolnością do samoczynnego nastrajania parametrów (np. układu pomiarowego lub regulatora) do zmieniających się parametrów obiektu lub występujących zakłóceń. Układy zwykłe (nieadaptacyjne) - układy nie posiadające powyższej własności.