Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

T52: Siłowniki - rodzaje, budowa, zasada działania i podstawowe parametry.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "T52: Siłowniki - rodzaje, budowa, zasada działania i podstawowe parametry."— Zapis prezentacji:

1 T52: Siłowniki - rodzaje, budowa, zasada działania i podstawowe parametry.

2 2 Zespoły wykonawcze w układach automatyki: Sterowniki Siłowniki Nastawniki Przekaźniki Zawory

3 3 Sterowniki DEFINICJA: Sterownikiem nazywamy układ, którego zadaniem jest zmienienie sygnału wejściowego obiektu X tak, aby sygnał błędu był jak najmniejszy, czyli aby sygnał regulowany Y różnił się jak najmniej od sygnału sterującego S.

4 4 Sterownik PLC Sterowniki programowalne PLC (Programmable Logic Controlers) są to elektroniczne urządzenia, których zadaniem jest monitorowanie wejść analogowych i cyfrowych, podejmowanie decyzji wykorzystując dane z wejść i algorytm wprowadzony przez użytkownika. Sterowniki te za pomocą układów wyjściowych przesyłają sygnały sterujące i informacyjne do pozostałych elementów układu sterowania procesem. Pierwsze sterowniki pojawiły się w latach siedemdziesiątych dwudziestego wieku i powoli zastępowały układy oparte na stycznikach i przekaźnikach. Sterowniki programowalne nazywane są też niekiedy sekwencyjnymi, ponieważ do niedawna ich algorytm związany był tylko z pewnymi sekwencjami poleceń wykonywanych okresowo. Sekwencje takie polegały na wykonywaniu następujących po sobie kroków pracy według założonego algorytmu. Oprócz funkcji klasycznego sterowania sekwencyjnego sterowniki programowalne mogą pełnić funkcję w złożonych układach regulacji, automatyki zabezpieczeniowej, blokadach i sygnalizacji. Mogą pracować jako samodzielne urządzenia realizujące ściśle określone zadania lub element składowy większego systemu automatyki, przy zastosowaniu sieci komunikacyjnych i urządzeń komputerowych.

5 5 Sterowniki PLC - budowa W budowie zewnętrznej sterownika programowalnego PLC można wyróżnić następujące elementy: dwustanowe moduły wejść i wyjść, analogowe moduły wejść i wyjść, jednostkę centralną CPU, zasilacz, kasetę rozszerzeń z miejscami na moduły, obwody licznika impulsów, moduł pozycjonowania osi, moduły komunikacyjne obsługujące standartowe protokoły przesyłania danych. Budowa PLC na przykładzie sterownika modułowego

6 6 Sterowniki PLC - budowa Sygnały wejściowe, przychodzące ze zewnętrznych urządzeń, są przetwarzane na sygnały zrozumiałe dla CPU. W bloku decyzyjnym - na podstawie otrzymanych wartości z obwodów wejściowych i zadanego algorytmu działania - obliczane są wartości sygnałów, które powinny pojawić się na wyjściu sterownika. Cykliczne wykonywanie obliczeń oraz jednorazowa aktualizacja stanów wyjściowych sterownia zapobiega powstawaniu zjawiska hazardu. W pamięci sterownika znajdują zapisane przez użytkownika instrukcje. Jednostka centralna pobiera poszczególne instrukcje i wykonuje operacje na danych znajdujących się w pamięci i akumulatorze. Gdy zakończy się ciąg operacji algorytmu zostają aktualizowane wartości na modułach wyjściowych. Sytuacja ta powtarza się i nazywana jest cyklem sterownika. Można powiedzieć w uproszczeniu, że sterownik jest urządzeniem, który za pomocą zadanych funkcji i instrukcji podaje stany wyjść w zależności od stanów układów wejściowych. W module wyjściowym, sygnały przetwarzane są na cyfrowe i analogowe zrozumiałe dla urządzeń zewnętrznych. W wielu zastosowaniach sterowniki programowalne zaopatrzone są w pulpit operatorski, który umożliwia płynną kontrolę oraz zmianę nastaw użytych w instrukcjach sterownika. Dzięki wykorzystaniu urządzeń do transmisji danych (np. sieć Ethernet) możliwe jest przesyłanie informacji o procesie i zmiany parametrów kontrolnych na znaczne odległości.

7 7 Sterowniki PLC - podział Wyróżnia się różne sposoby podziału sterowników. Generalnie można wyróżnić trzy grupy sterowników: 1. Sterowniki małe – max 100 DI/DO (DI, ang. Discrete Input = wejścia dyskretne, dwustanowe; DO, ang. Discrete Output = wyjścia dyskretne, dwustanowe); przeznaczone do obsługi pojedynczej maszyny lub niewielkich węzłów technologicznych 2. Sterowniki średnie – od 100 do 500 DI/DO; przeznaczone do obsługi pojedynczego węzła technologicznego, prostej linii produkcyjnej, itp.. 3. Sterowniki duże – od 500 do 3000 DI/DO; przeznaczone do obsługi całej linii produkcyjnej, fragmentu zakładu zawierającego kilka węzłów technologicznych itp.. Często są one wykorzystywane jako sterowniki nadrzędne w sieci sterowników średnich i małych. Należy pamiętać, że ciągły rozwój tego typu technologii mogą zmienić liczbę DI/DO wchodzących do poszczególnej grupy.

8 8 Sterowniki PLC - podział Ze względu na budowę PLC wyróżnia się dwie grupy sterowników: 1. Sterowniki kompaktowe – charakteryzują się jedną zwartą budową, w której zawarte są wszystkie elementy z brakiem możliwości ich przekonfigurowania, 2. Sterowniki modułowe – charakteryzują się tym, że występuje jedna płyta rozszerzeń z miejscami na moduły, które można dobrać według potrzeb projektanta. Kompaktowa i modułowa sterownika PLC

9 9 Sterowniki PLC - zalety Do zalet sterowników programowalnych można zaliczyć: szybkie reakcje na zmiany wielkości charakterystycznych procesu, stosunkowo prosty montaż i możliwość zmian w sterowaniu bez potrzeby uzupełniana osprzętu i okablowania. Zastosowanie sterowników PLC ogranicza do minimum kontakt obsługi z niebezpiecznymi dla zdrowia i życia czynnikami oraz ogranicza konieczność pracy w warunkach szkodliwych. Sterowniki PLC są chętnie stosowane, ponieważ istniej możliwość programowania ich w języku schematów drabinkowych, który jest podobny do stosowanych schematów przekaźnikowo - stycznikowych. W ten sposób - stosunkowo niewielkim kosztem – można modernizować i ulepszać starsze układy sterowania. W programowaniu mogą być wykorzystywane wielokrotnie zbiory instrukcji, które uwzględniają warunki przemysłowe,w jakich przebiega proces. Użytkownicy korzystający z tego samego języka programowania mogą tworzyć biblioteki oraz wymieniać się blokami funkcji i instrukcji. Ponad to łatwość w przesyłaniu danych i komunikacja z komputerem pozwala na wykorzystanie coraz to bardziej złożonych metod sterowania i kontroli, nawet w silnie zanieczyszczonym otoczeniu. Zastosowanie standartowych protokołów transmisji pozwala na połączenie: urządzeń typu HMI (Human Machine Interface) jak panele sterownicze, komputery, wyświetlacze itp., przekształtnikowych układów sterowania, urządzeń pomiarowych.

10 10 Sterowniki PLC – cykl PLC Sterowniki programowalne większości producentów pracują w systemie cyklicznym. Po włączeniu sterownika do obwodu zasilającego, odczytywane są dane i program z pamięci trwałej, np. EEPROM. Użycie tego typu pamięci jest niezbędne do zachowywania danych, które nie mogą być utracone po wyłączeniu zasilania. Jeden cykl programowy obejmuje następujące kroki: odczytanie stanu wejść i przetworzenie go na wartości zrozumiałe dla sterownika, umieszenie w pamięci obrazu stanu procesu, wykonanie programu przez mikroprocesor (procesory te są najczęściej od 8 do 32 bitowe w zależności od wymaganej prędkości i złożoności obliczeń), podanie odpowiednich stanów wyjść, wykonanie czynności systemowych związanych z obsługą procesu i kontrolą stanu, Budowa wewnętrzna sterownika PLC

11 11 Sterowniki PLC - układy wejść i wyjść Wejścia cyfrowe - zwane także wejściami dyskretnymi - mogą znajdować się tylko w dwóch stanach: w stanie włączonym ON i stanie wyłączonym OFF. Poziom napięć w obu stanach jest ściśle określony przez producenta sterownika. Do wejść cyfrowych można zaliczyć różnego rodzaju czujniki dwustanowe, przyciski, wyłączniki krańcowe itp. Stan załączenia odpowiada stanowi wysokiemu lub logicznej jedynce, natomiast stan wyłączenia charakteryzuje stan niski lub logiczne zero. W chwili zmiany położenia przycisku zmienia się napięcie na wejściu sterownika i stan ten zostaje zapamiętany w momencie odczytu w początkowej fazie cyklu pracy. Wejścia analogowe Innem typem wejść sterownika są wejścia analogowe. Do zacisków tego wejścia doprowadzany jest sygnał ciągły, który może być wykorzystany do pomiary napięcia lub prądu. Wartości graniczne wielkości mierzonej powinna być tak dobrane, aby nie uszkodzić elektronicznych układów wejściowych. Z reguły producent zaopatruje układy w zabezpieczenia prądowe i napięciowe. Elementami przyłączonymi do wejść analogowych są często układy mierzące wartości wielkości nieelektrycznych takich jak temperatura, poziom płynu itp. Uzyskany sygnał jest przetwarzany w przetwornikach analogowo - cyfrowych, a następnie zapamiętywany w formie liczby w systemie szesnastkowym.

12 12 Sterowniki PLC - układy wejść i wyjść Wyłączenie i załączenie w module wejściowym PLC Wyjścia cyfrowe (dyskretne) podobnie jak wejścia cyfrowe mogą znajdować się w dwóch stanach: wysokim i niskim. Do typowych elementów przyłączanych do tych obwodów są cewki przekaźników lub elementów wykonawczy, lampki sygnalizacyjne itp. Zmiana stanów wyjść dyskretnych (oraz również analogowych) następuje w końcowej fazie cyklu sterownika po wykonaniu obliczeń Wyjścia analogowe Na wyjściu analogowym sterownika pojawia się sygnał, który może być zmieniany w sposób ciągły. Wartość tego sygnału, obliczona wcześniej w jednostce liczącej, jest zamieniana z postaci cyfrowej przez przetwornik cyfrowo - analogowy. Elementami łączonymi do tego typy wyjść są wskaźniki wychyłowe, zewnętrzne układy sterowania i układy monitorujące w sposób ciągły.

13 13 Sterowniki PLC - programowanie Programowanie sterowników PLC polega na określeniu i modernizacji listy instrukcji, które powinna wykonywać w kolejnych krokach jednostka centralna. Kod źródłowy wprowadzony jest do pamięci sterownika poprzez podłączony komputer lub programator. Instrukcje wprowadzane są w języku programowania danego sterownika (większość sterowników posiada swój własny, unikatowy język programowania), a następnie kompilowane na kod wewnętrzny sterownika. Kod ten jest interpretowany w czasie kolejnego cyklu pracy, a kolejność wykonywania instrukcji zachowywane jest w liczniku instrukcji. Zmiana sekwencji wybierania instrukcji lub wywoływania podprogramów może spowodować czasowe odejście od kolejności zawartej w liczniku. Program sterownika przechowywany jest w pamięci EEPROM lub innej pamięci, której zawartości nie traci się po odłączeniu zasilania. W pamięci, oprócz danych i programu użytkownika, znajduje się oprogramowanie wprowadzone na etapie produkcji odpowiedzialne za obsługę urządzeń i komunikacje z urządzeniem programującym. Połączeni komputera PC ze sterownikiem PLC

14 14 Sterowniki PLC – języki programowania Wśród wszystkich typów i rodzajów języków programowania sterowników można wyróżnić pewne charakterystyczne grupy: 1. tekstowe: język listy instrukcji IL (Instruction List) język strukturalny ST (Structured Text) 2. graficzne: język schematów drabinkowych LD (Ladder Diagram) język schematów blokowych FBD (Function Block Diagram) graf sekwencji SFC (Sequential Function Chart) Programowanie za pomocą listy instrukcji polega na wpisywaniu kolejnych kroków, które powinien wykonać sterownik. Można wyróżnić dwa typy instrukcji: instrukcje warunkowe - oparte w głównej mierze na funkcjach logicznych, instrukcje, które wykona sterownik po spełnieniu określonych warunków. Każda z instrukcji powinna składać się z kodu instrukcji i argumentu. Programowanie sterownika za pomocą znaków alfa-numerycznych, jest cechą języków strukturalnych. Język strukturalny pozwala na tworzenie własnych bloków funkcyjnych. Wśród instrukcji języka ST można wyróżnić: operacje na bitach, instrukcje arytmetyczne i logiczne na słowach, obiektach zmiennoprzecinkowych i tablicach, instrukcje zarządzające czasem, instrukcje sterujące, kontrola transmisji danych oraz instrukcje specjalne.

15 15 Sterowniki PLC – języki programowania W języku schematów drabinkowych do opisu sterownia wykorzystywane są komponenty w postaci schematu liniowego. Programowanie polega na graficznym rozmieszczeniu modeli reprezentujących poszczególne elementy układu i zdefiniowaniu zależności między nimi. W języku FBD możliwe jest tworzenie własnych bloków funkcyjnych dostosowanych do stawianych wymagań. Utworzone bloki mogą być stosowane wielokrotnie w programie (np. przy powtarzaniu pewnej sekwencji). Ponadto bloki utworzone przez jednego użytkownika mogą być stosowane przez innych w jednej lub wielu aplikacjach. Stosowanie bloków funkcjonalnych znacznie poprawia przejrzystość programu i upraszcza tworzenie nowych programów. Graf sekwencji pozwala na zdefiniowanie sytuacji występujących w czasie sterowania, odwzorowanie działania sekwencyjnego układu systemu sterującego za pomocą prostych symboli graficznych. W trakcie tworzenia programu wykorzystywane są tzw. Makrodefinicje, które umożliwiają wielokrotne zagnieżdżenie programu.

16 16 Regulator P Regulator P (ang. proportional controller) - w automatyce, regulator składający się z jednego członu typu P (proporcjonalnego), którego transmitancję określa wzmocnienie: Gp(s)=Kp Na podstawie sygnału podawanego na wejście regulatora, wytwarza on proporcjonalny sygnał sterujący, przy czym celem jest utrzymanie wartości wyjściowej układu na pewnym z góry zadanym poziomie, który jest zwany wartością zadaną (dążenie do eliminacji uchybu regulacji). Układy regulacji z regulatorem typu P charakteryzują się niezerowym uchybem ustalonym w przypadku, gdy transmitancja zastępcza układu posiada jedynie bieguny niezerowe - tym większym im większe jest wzmocnienie regulatora. Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem: gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora.

17 17 Regulator P

18 18 Regulator PI Regulator PI (ang. proportional-integral controller) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp oraz całkującego I o czasie zdwojenia Ti. Transmitancję regulatora PI określa się wzorem:ang. Regulatory typu PI pozwalają na eliminację wolnozmiennych zakłóceń, co przekłada się na zerowy uchyb ustalony, niemożliwy do osiągnięcia w regulatorach typu P lub typu PD. Wzmocnienie członu całkującego musi być jednak ograniczone, ponieważ wprowadza on ujemne przesunięcie fazowe, które osłabia tłumienie uchybu regulacji.

19 19 Regulator PI

20 20 Regulator PD Regulator PD (ang. proportional-derivative controller) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp oraz różniczkującego D (fizycznie nierealizowalnego) o czasie wyprzedzenia Td. Transmitancję idealnego regulatora PD określa się wzorem: Działanie członu różniczkującego przeciwdziała szybkim zmianom sygnału błędu, co wpływa stabilizująco na działanie układu regulacji. Pozwala to w pewnej mierze na zwiększenie intensywności działania pozostałych parametrów regulatora. Regulatory typu PD dają niezerowy uchyb ustalony - tym większy im większe jest wzmocnienie regulatora. Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem: gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora. [1][1]

21 21 Regulator PD

22 22 Regulator PID Regulator PID (ang. proportional-integral-derivative controller - regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp, całkującego I o czasie zdwojenia Ti oraz różniczkującego D o czasie wyprzedzenia Td. Jego celem jest utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie, zwanym wartością zadaną. Regulatora PID używa się np. do sterowania temperaturą procesu, w tym wypadku działa on jak bardzo dokładny termostat. Może również sterować ciśnieniem, natężeniem przepływu, składem chemicznym, siłą, prędkością i innymi sygnałami. Regulatory znajdują zastosowanie w przemyśle samochodowym, w tym przypadku ich zadaniem jest utrzymywanie stałej prędkości samochodu bez względu na warunki jazdy. Regulator realizuje algorytm:

23 23 Regulator PID Transmitancja operatorowa idealnego regulatora PID: Idealne różniczkowanie jest nierealizowalne fizycznie. Transmitancja operatorowa rzeczywistego regulatora PID: gdzie: kp - współczynnik wzmocnienia Ti - czas zdwojenia Td - czas wyprzedzenia s - zmienna zespolona w przekształceniu Laplace'aLaplace'a Kd - stała różniczkowania

24 24 Regulator PID

25 25 Siłowniki DEFINICJA: Siłowniki hydrauliczne są to w istocie silniki wyporowe dla ruchu prostoliniowego lub obrotowego ograniczonego. Różnią się od silników tym, że zamiast ciągłego ruchu wykonują ruchy zwrotne: posuwisto-zwrotne lub obrotowo-zwrotne. Siłowniki dla ruchu prostoliniowego są nazywane cylindrami hydraulicznymi, przy czym ich klasyfikację i terminologię podaje norma PN-73/M Siłowniki dla ruchu obrotowego są nazywane silnikami hydraulicznymi wahadłowymi. Zasada ich działania jest identyczna, jak silników wyporowych. Ciśnienie cieczy działając na ruchomy element siłownika, oddzielający szczelnie przestrzeń wysokiego ciśnienia od przestrzeni niskiego ciśnienia, wywołuje odpowiednia siłę, a ruch cieczy nadaje temu elementowi prędkość.

26 26 Siłowniki Organem roboczym siłownika mogą być: tłok (1), nurnik (2) lub membrana (3) - umieszczone w cylindrycznym korpusie (4). Do przestrzeni roboczej (5) wtłaczana jest ciecz, która przesuwa tłok lub nurnik, lub odkształca membranę. Powoduje to ruch posuwisty tłoczyska (6).

27 27 Siłowniki - podział Siłowniki jednostronnego działania. Charakteryzują się one tym, że ruch tłoka lub nurnika w jedną stronę odbywa się pod działaniem ciśnienia cieczy, a ruch powrotny pod wpływem działania sił zewnętrznych (np. sprężyny, ciężaru itp.). budowane są jako siłowniki tłokowe i siłowniki nurnikowe. W tych ostatnich tłok z tłoczyskiem stanowi jedną całość. Stosowane są w przypadkach dużych sił i ciśnień, gdyż masywna budowa nurnika zapewnia dużą sztywność i wytrzymałość.

28 28 Siłowniki - podział Siłownik dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym – ruch tłoka w obu kierunkach odbywa się pod wpływem działania ciśnienia cieczy. Jego warunki pracy w obu kierunkach nie są jednak jednakowe, gdyż czynne pole powierzchni tłoka od strony tłoczyska jest mniejsze, niż z drugiej strony o pole powierzchni przekroju tłoczyska. Siłowniki dwustronnego działania z tłoczyskiem dwustronnym. To rozwiązanie pozwala na otrzymywanie napędu z obu stron siłownika. Ponadto w siłowniku tego rodzaju powierzchnie czynne tłoka są z obu stron jednakowe.

29 29 Siłowniki - podział Siłownik teleskopowy. Ten rodzaj budowy jest stosowany w celu uzyskania większego skoku, gdy brak miejsca nie pozwala na zastosowanie długiego cylindra. Optyka się tego rodzaju konstrukcje z liczbą członów do kilkunastu. Budowane są zarówno jako siłowniki jednostronnego, jak i dwustronnego działania. Odpowiednio dobierając wymiary można w nich uzyskać jednakowe prędkości i siły poszczególnych członów. Siłownik tandemowy zbudowany jest w ten sposób, że dwa tłoki są osadzone na wspólnym tłoczysku. Pozwala to uzyskać większą siłę przy tej samej średnicy tłoka.

30 30 Siłowniki - podział Siłownik podwójny stanowi w zasadzie połączenie dwóch siłowników dwustronnego działania z tłoczyskami jednostronnymi. Oba tłoki z tłoczyskami mogą poruszać się niezależnie od siebie.

31 31 Zastosowania siłowników prostoliniowych w napędach maszyn a) siłownik z dźwignią dwuramienną, b) i c) siłownik z dźwignią jednoramienną, d) siłownik bezpośrednio obciążony ciężarem, e) siłownik z dźwignią kątową, f) siłownik z dźwigniami nożycowymi

32 32 Siłowniki obrotowe (wahadłowe) Siłowniki dla ruchu obrotowego, zwane również silnikami wahadłowymi, są budowane najczęściej jako siłowniki łopatkowe, zębatkowe i śrubowe. Siłowniki łopatkowe charakteryzują się bardzo małym momentem bezwładności, stąd używane są często w napędach, od których wymaga się bardzo dobrych własności dynamicznych. Ich wadą są trudności w uzyskaniu dobrego uszczelnienia (w narożach). W wykonaniu jednłpatkowym buduje się je dla kątów obrotu do 270°. W wykonaniu wielopatkowym pozwalają na uzyskanie bardzo dużych momentów. Siłowniki zębatkowe typem siłowników najczęściej stosowanym w napędach maszyn trakcyjnych. Uszczelenie nie stanowi tu problemu, gdyż występuje między częściami o kształcie cylindrycznym. Siłowniki zębatkowe umożliwiają łatwe uzyskiwanie kątów obrotu powyżej 360°.

33 33 Siłowniki obrotowe (wahadłowe) Schematy konstrukcyjne siłowników obrotowych (wahadłowych) a) siłownik łopatkowy, b) siłownik zębatkowy, c) siłownik śrubowy 1 korpus, 2 łopatka, 3 uszczelnienie, 4 wał siłownika, 5 koło zębate, 6 tłok z zębatką, 7 śruba, 8 tłok, 9 pręt prowadzący

34 34 W teorii siłowników są używane następujące podstawowe określenia Objętość skokowa teoretyczna siłownika V t jest to objętość cieczy, jaką trzeba doprowadzić teoretycznie (to jest pomijając straty objętościowe), aby uzyskać pełny skok H siłownika. Dla cylindra hydraulicznego): V= AH[m 3 ] gdzie: A powierzchnia czynna tłoka (m 3 ); H skok tłoka (m). Objętość skokowa rzeczywista siłownika Vrz jest to objętość cieczy, jaką trzeba w rzeczywistości doprowadzić do siłownika, aby otrzymać pełny skok tłoka H. Wymienione wyżej zależności wiąże ze sobą następująca zależność: V rz =V t +V str [m 3 ] gdzie V str objętość cieczy tracona w ciągu jednego skoku (straty objętościowe spowodowane np. przeciekami). Sprawność objętościowa siłownika ŋ vsł jest to stosunek objętości skokowej teoretycznej do objętości skokowej rzeczywistej: Siła siłownika F sł [N] jest to siła otrzymywana na tłoczysku (lub nurniku) siłownika Prędkość siłownika v sł [m/s] jest to prędkość przesuwu tłoczyska siłownika.

35 35 Moc wejściowa siłownika N sł jest to moc doprowadzana do siłownika w postaci energii hydraulicznej. N sł =Q sł (p 3 –p 4 )[W] gdzie: Q sł natężenie przepływu cieczy doprowadzanej do siłownika (m3/s); p 3 ciśnienie na wejściu (Pa); p 4 ciśnienie na wyjściu (Pa). Moc wyjściowa siłownika N esł jest to moc otrzymywana z siłownika w postaci energii mechanicznej. Można ją określić za pomocą zależności: N esł = F sł v sł [W] Sprawność ogólna siłownika ŋ sł jest to stosunek mocy wyjściowej siłownika (moc otrzymywana) do mocy wejściowej (moc doprowadzana):

36 36 Nastawniki Nastawnik jest jednostką funkcjonalną systemu mechatronicznego umożliwiającą przekształcenie wielkości elektrycznej w proporcjonalną wielkość nieelektryczną (przemieszczenie, temperatura, siła). Klasyfikacja nastawników : nastawniki elektryczne nastawniki elektromechaniczne nastawniki elektromagnetyczne nastawniki hydrauliczne i pneumatyczne nastawniki wykorzystujące materiały inteligentne

37 37 Nastawniki - rodzaje Nastawniki elektryczne (diody, tranzystory, triaki i przekaźniki) wykorzystywane są jako elementy kluczujące. Umożliwiają włączanie i wyłączanie odbiorników energii elektrycznej (silników, zaworów, elementów grzewczych).

38 38 Nastawniki - rodzaje Nastawniki elektromechaniczne i elektromagnetyczne przekształcają energię elektryczną na mechaniczną.

39 39 Nastawniki - rodzaje Nastawniki hydrauliczne i pneumatyczne przetwarzają energię sprężonego gazu lub cieczy na energię mechaniczną

40 40 Nastawniki - rodzaje Nastawniki elektrostatyczne wykorzystują oddziaływanie elektrostatyczne polegające na wzajemnym przyciąganiu się lub odpychaniu cząsteczek o trwałym rozkładzie ładunku. Na okładki elektrod kondensatora między którymi występuje pole elektrostatyczne działają siły elektrostatyczne powodujące przemieszczenie lub obrót ruchomych części nastawnika. Nastawniki elektrostatyczne stosowane są głównie w systemach MEMS.

41 41 Nastawniki - rodzaje

42 42 Nastawniki - rodzaje

43 43 Nastawniki - rodzaje

44 44 Przekaźniki (mechanizmy elektromagnetyczne) Mechanizmem elektromagnetycznym nazwiemy urządzenie, którego podstawowe elementy stanowią elektromagnes oraz obciążenie mechaniczne, mogące się przemieszczać po wpływem sił elektrodynamicznych. Obciążeniem mechanicznym mogą być na przykład : zestyki sprężynujące przekaźników elektromagnetycznych, potencjometry lub elementy suwakowe w nadajnikach (czujnikach) elektromagnetycznych.

45 45 Przekaźniki pośredniczące Głównymi elementami przekaźnika pośredniczącego są: elektromagnes, zwora, zespół zestyków, zazwyczaj zwiernych i rozwiernych. Działanie przekaźnika jest następujące: z chwilą wzbudzenia elektromagnesu zostaje przyciągnięta zwora, powodując przełączenie zestyków. Po zaniku wzbudzenia zwora oraz zestyki wracają do położenia pierwotnego.

46 46 Przekaźniki pośredniczące Głównym zadaniem przekaźników pośredniczących jest wzmacnianie oraz zwielokrotnienie sygnału pochodzącego z przekaźnika pomiarowego, a ponadto galwaniczne rozdzielenie obwodów. Przekaźniki pośredniczące są to przekaźniki bezzwłoczne, które pod wpływem pojawienia się lub zaniku wielkości wejściowej elektrycznej (napięcia prądu) dokonują zmian łączeniowych na wyjściu (sterowanie łączników lub przekaźników) za pośrednictwem zestyków. Przeznaczone są głównie do zwiększenia zdolności łączenia (wyłączania, załączania) oraz zwielokrotnia liczby zestyków. Ta ostatnia cecha wiąże się w wielu wypadkach z potrzebą oddzielenia galwanicznego od siebie różnych obwodów pomocniczych (sterujących, sygnalizacyjnych itp.), uruchamianych jednocześnie przez przekaźnik pomiarowy. Przekaźniki pośredniczące są wykonywane przeważnie jako elektromagnes ze zworą przyciąganą na prąd stały i przemienny.

47 47 Przekaźniki kontaktronowe Czasy własne zadziałania przekaźników pośredniczących, wykonanych jako elektromagnetyczne ze zworą przyciąganą, zawierają się zwykle w przedziale ms zależności od typu i liczby posiadanych zestyków. Są to czasy długie. Dla tych rozwiązań muszą być Znalazły tu zastosowanie tzw. przekaźniki elektromagnetyczne kontaktronowe, które w postaci hermetycznie zamkniętej rurki szklanej, wewnątrz której znajdują się dwa styki ruchome z materiału magnetycznego. Rurka jest wypełniona gazem obojętnym i objęta jest uzwojeniem, które pod wpływem wzbudzenia wytwarza osiowe pole magnetyczne), powodujące zmianę położenia styków i ich łączenie. Przekaźniki kontaktronowe cechują się bardzo krótkim czasem działania (ok. 1 ms), a do rozruchu wymagają niewielkiej mocy (30 – 60 mW), dzięki czemu mogą być sterowane bezpośrednio z obwodów pomiarowych zabezpieczeń statycznych.

48 48 Przekaźniki sygnałowe Przekaźniki sygnałowe nie różnią się w budowie w zasadniczy sposób od przekaźników pośredniczących. Dodatkowym elementem, w jaki wyposażone są te przekaźniki, jest wskaźnik optyczny, najczęściej wielopołożeniowy, widoczny w okienku przekaźnika. Przekaźniki sygnałowe przeznaczone są głównie do sterowania sygnałami optycznymi lub akustycznymi, czasem mogą jednocześnie spełniać rolę przekaźników pośredniczących. Typowym przekaźnikiem sygnałowym, wyposażonym w trójpołożeniowy wskaźnik optyczny, jest przekaźnik Rus-300 produkcji krajowej:

49 49 Przekaźniki sygnałowe Trójpołożeniowa klapka sygnałowa umożliwia sygnalizację trzech różnj stanów przekaźnika. Są to stany: normalny, zakłóceniowy niepokwitowany zakłóceniowy pokwitowany. Stan normalny; odpowiadający niepobudzeniu przekaźnika; w okienk przekaźnika widoczna jest część 1 klapki koloru czarnego. Stan zakłóceniowy niepokwitowany; wskutek pobudzenia przekaźnika nałowego jego zwora zostaje przyciągniętą, klapka opada własnym ciężar najniższe położenie i w okienku przekaźnika pojawia się część 2 klapki czerwonym punktem na białym tle, jednocześnie wskutek zadziałania zest impulsowego tego przekaźnika zostaje uruchomiony sygnał akustyczny (np rena lub buczek). Odwzbudzenie przekaźnika, tj. zanik napięcia na ce%* nie powoduje samoczynnego powrotu klapki oraz zestyków od położenia kowego. Stan zakłóceniowy pokwitowany (położenia ostrzegawczego); wskuti ciśnięcia przez obsługę przycisku kasującego, umieszczonego w obudowii kaźnika sygnałowego, klapka sygnałowa ustawia się w położenie najwyż* W okienku widoczna jest część sygnałowa klapki koloru białego. Oznacu że przekaźnik nadal znajduje się w stanie wzbudzonym. W chwili usuni#( stanu zakłóceniowego przekaźnik sygnałowy zostaje odwzbudzony i klapką nałowa ustawia się w położenie normalne 1 (pole czarne).

50 50 Przekaźniki czasowe Do uzyskiwania zwłok czasowych przy działaniu zabezpieczeń stosuje się przekaźniki pomocnicze czasowe, których czas działania jest nastawialny. Z chwilą wzbudzenia przekaźnika następuje obrót zwory elektro­ magnesu powodujący naciąg sprężyny napędzającej mechanizm zegarowy. Kółko zębate 1 napędza kółko zębate 2, na osi którego zamocowany jest zestyk ruchomy. Utrzymanie stałej prędkości ruchu tego zestyku, niezależnej od wartości siły naciągu sprężyny F, jest możliwe dzięki zastosowaniu urządzenia hamującego złożonego z wychwytu 3 oraz kółek zębatych 4, 5, 6. Wychwyt 3 jest wyposażony w ciężarki do regulacji momentu bezwładności, a więc i stałej czasowej jednego wahnięcia. Nastawienia żądanego czasu zadziałania przekaźnika dokonuje się przez odpowiednie nastawienie przeciwstyku 9, który może być dowolnie przesuwany wzdłuż podziałki nastawienia czasu.

51 51 Przekaźniki kątowe Przekaźnik kątowy jest to przekaźnik pomiarowy, w którym wielkością pomiarową jest kąt fazowy między wielkościami zasilającymi, sinusoidalnie zmiennymi. Wielkościami zasilającymi w przekaźnikach kątowych przeznaczonych do stosowania w układach jest prąd i napięcie. Zadaniem przekaźników kątowych jest działanie przy określonym kierunku przepływu mocy, tj. wielkości proporcjonalnej do wielkości zasilających w obiekcie zabezpieczonym podczas zwarć. Od przekaźników kątowych nie wymaga się dokładności pomiaru mocy, natomiast stawia się im wymaganie dotyczące czułości w stwierdzaniu kierunku jej przepływu. W związku z tym wymaganiem, przekaźnik kątowy powinien działać w przypadku, gdy kąt fazowy między wielkościami zasilającymi jest zawarty w zakresie granicznych kątów rozruchowych przekaźnika. Granicznymi kątami rozruchowymi przekaźnika kątowego nazywa się najmniejszą i największą wartość kąta fazowego przy określonych wartościach obydwu wielkości zasilających, które mogą doprowadzić do zadziałania przekaźnika. W myśl tej definicji, warunki rozruchu przekaźnika kątowego można sprecyzować następująco: Tzw. Moc rozruchowa przekaźnika, proporcjonalna do iloczynu prądu i napięcia; musi być nie mniejsza od minimalnej mocy rozruchowej przekaźnika S rmin, czyli: S r >=S rmin Kąt fazowy φ zawarty między wielkościami zasilającymi, czyli prądem i napięciem, musi mieścić się w zakresie zawartym między granicznymi kątami rozruchowymi przekaźnika tj. φ rmin <= φ<= φ rmaks

52 52 Przekaźniki kątowe Charakterystyka rozruchowa przekaźnika kątowego jest to zależność wartości rozruchowej jednej z wielkości zasilających – przy stałej wartości drugiej wielkości zasilającej – od kąta fazowego φ zawartego między tymi wielkościami, czyli np.: U r = f(φ) przy I = const, lub I r = f(φ) przy U = const. Charakterystyki rozruchowe przekaźnika kątowego a) U r = f(φ) przy I = const b) S r = f (φ); α – kąt charakterystyczny przekaźniak

53 53 Przekaźniki kątowe budowa Przekaźniki posiada dwa oddzielne obwody prądowy (1) i napięciowy (2). Każdy obwód złożony jest z dwóch uzwojeń umieszczonych na przeciwsobnych nabiegunnikach rdzenia (3). Przy przepływie prądu przez uzwojenia wytwarzane są strumienie magnetyczne w osiach wzajemnie prostopadłych do płaszczyzny rysunku. Strumień magnetyczny wytworzony przez prąd płynący w uzwojeniach napięciowych Φ U indukuje w ramce siłę elektromotoryczną. Siła ta powoduje przepływ prądu I r w ramce znajdującej się w polu magnetycznym wytworzonym przez strumień pochodzącym od prądu płynącego w uzwojeniach prądowych przekaźnika Φ I. W wyniku oddziaływania tego pola na prąd płynący w ramce powstaje moment obrotowy wychylający ramkę w kierunku zależnym od kierunku przepływu mocy. Wychylenie ramki powoduje zmianę położenia styku ruchomego zestyku przełączanego (5), przez co uzyskuje się zamknięcie jednego i otwarcie drugiego obwodu sterowniczego.

54 Przekaźniki kątowe

55 Charakterystyki statyczne i dynamiczne czujników pomiarowych. Czujnik pomiarowy - zespół elementów znajdujących się w bezpośredniej bliskości obiektu pomiaru i przetwarzający energię nieelektryczną na elektryczną (przetwornik zaprojektowany wykorzystywany jako przetwornik do pobierania informacji o obiekcie). Podział czujników ze względu na zasadę działania: generacyjne (aktywne), parametryczne (pasywne).

56 Zasady działania czujników aktywnych (generacyjnych) i pasywnych (parametrycznych). aktywny - sygnał wejściowy bezpośrednio przetwarzany w wielkość wyjściową pasywny -energia sygnału wejściowego przy pomocy energii dostarczonej z zewnątrz zamieniana na wielkość wyjściową y=f(x) gdzie jest parametrem, zależy od x.

57 Podział czujników ze względu na zastosowanie do pomiarów ciśnienia, przesunięcia, położenia, prędkości, wibracji, temperatury, strumienia magnetycznego. Czujniki pomiarowe, zależnie od przetwarzanej wielkości wejściowej dzieli się na: mechanoelektryczne - (przetwarzające wielkości mechaniczne typu przesunięcie, prędkość, przyspieszenie w ruchu prostoliniowym i obrotowym, siła i moment, prędkość przepływu i ciśnienie płynów); fotoelektryczne (przetwarzające natężenie oświetlenia); termoelektryczne (przetwarzające temperaturę); chemoelektryczne (przetwarzające wielkości opisujące zjawiska chemiczne) PomiarPrzykład czujników: ciśnieniaanemometr przesunięciapojemnościowy poł. kontowegołącze selsynowe prędkości obrot.przetwornik fotoelektryczny wibracji(drgań)tensometry temperaturytermopara, termistor strumienia magn.transformatorowe, Halla

58 Charakterystyki opisujące statyczne właściwości czujników. Statyczna funkcja przetwarzania, określa statyczne właściwości czujnika, wyraża zależność między wartościami X wielkości wejściowej i odpowiadającymi im wartościami Y wielkości wyjściowej Y = f ( X ) Charakterystyka ta powinna być ciągła, monotoniczna, i jednoznaczna w całym zakresie pomiarowym. Przykład: Czujnik indukcyjny do pomiaru ciśnienia; X=f1(p) ΔL=f2(X)=f2[f1(p)]=f(p) p - ciśnienie X – przemieszczenie ΔL - przyrost indukcyjności

59 Za charakterystykę idealną przyjmuje się linię prostą. Charakterystyka rzeczywista czujnika jest to charakterystyka jaką sporządzamy z punktów pochodzących z pomiarów. Charakterystyka pożądana jest to charakterystyka postaci: y=ax+b; y=x;

60 Statyczna czułość czujnika jest określana jako granica stosunku przyrostu wielkości wyjściowej ΔY do wywołującego tę zmianę przyrostu wielkości wejściowej ΔX Czułość jest liczbą mianowaną w jednostkach wielkości wyjściowej na jednostkę wielkości wejściowej, np. czułość termoelementu ma wymiar V/K. Stałą czujnika nazywa się odwrotność jego czułości

61 Błąd podstawowy definiuje się jako największe odchylenie rzeczywistej charakterystyki statycznej od charakterystyki pożądanej Błąd nieliniowości. Nieliniowość charakterystyki definiuje się jako największe odchylenie rzeczywistej charakterystyki statycznej od charakterystyki idealnej w postaci linii prostej. Błąd nieliniowości określa wyrażenie: Błędy przetworników pomiarowych. Błędy przetworników pomiarowych.

62 Niejednoznaczność charakterystyki statycznej określa jej histereza, jaka powstaje przy powolnym powiększaniu i powolnym zmniejszaniu wartości wejściowej. Dla tej samej wartości wejściowej X1 otrzymuje się na wyjściu dwie różne wartości Y1 i Y2 zależnie od kierunku zmian wartości X. Niejednoznaczność maksymalną określa się w postaci błędu histerezy. Czujniki w układzie różnicowym mają lepszą charakterystykę statyczną, ze względu na liniowość, dwukrotnie zwiększa się czułość czujnika, mniejsza jest zależność sygnału wyjściowego od wpływów postronnych

63 Charakterystyki opisujące dynamiczne właściwości czujnika. Transmitancja operatorowa jest to stosunek funkcji wielkości wyjściowej obiektu do funkcji wielkości wyjściowej rozpatrywana w dziedzinie operatora Laplace 'a. - transmitancja napięciowa, - transmitancja prądowa, - transmitancja napięciowo - prądowa, - transmitancja prądowo - napięciowa.

64 Transmitancja widmowa jest wyrażeniem zespolonym, a zatem może być przedstawiona na płaszczyźnie zespolonej za pomocą wektora wodzącego. Miejsce geometryczne końców wektora T (jw) nazywamy ch - ką amplitudowo - fazową lub biegunową. - transmitancja widmowa. Charakterystyka amplitudowo - częstotliwościowa jest wykresem zależności logarytmu modułu transmitancji od częstotliwości. Charakterystyka fazowo - częstotliwościowa jest wykresem zależności fazy transmitancji od częstotliwości. Odpowiedź impulsowa jest odpowiedź układu na wymuszenie deltą Diraca d (t). Odpowiedź skokowa jest to odpowiedź układu na wymuszenie skokiem jednostkowym 1(t).

65 Charakterystyki dynamiczne czujnika idealnego ( y(t) = K x(t) ) Jak widać z ch - k czujnik idealny jest układem zerowego rzędu ( tylko rezystancja ). Charakterystyki dynamiczne czujnika niezniekształcającego ( y(t) = K x(t - ) ) :

66 W zaznaczonym strzałką przedziale przetwornik I rzędu o transmitancji operatorowej może być uważany za niezniekształcający. Charakterystyki dynamiczne czujników rzeczywistych zerowego rzędu :

67 pierwszego rzędu drugiego rzędu :

68 Błąd dynamiczny czujnika. Błędem dynamicznym D (t) nazywa się różnicę między wynikiem pomiaru a wielkością mierzoną. Błąd dynamiczny jest zatem funkcją czasu, zależną od przebiegu czasowego wielkości mierzonej. D (t) = y (t) - yo (t)gdzie : yo (t) - przebieg rzeczywisty wielkości mierzonej y (t) - wielkość wyjściowa przetwornika.

69 Przetworniki analogowo – cyfrowe i cyfrowo – analogowe. Wprowadzenie Próbkowanie sygnału analogowego Kwantowanie sygnału Sposoby kodowania Błędy przetworników Przetworniki A/C

70 Większość urządzeń pomiarowych lub rejestratorów sygnałów w systemach pomiarowych kontaktujących się bezpośrednio z obiektami badań reaguje na oddziaływania fizyczne (np. temperatura, napięcie elektryczne itp) zmieniające się w sposób ciągły (nazywane sygnałami analogowymi). Aby te informacje mogły być przetworzone przez system komputerowy muszą być przetworzone w kodowane sygnały cyfrowe. Rolę tę spełniają przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) umieszczone na styku części analogowej i cyfrowej systemu. Wprowadzenie

71 Sygnały dyskretne - próbkowane pod względem czasu powstają przez próbkowanie sygnałów analogowych w dyskretnych przedziałach czasu bez kwantowania amplitudy. Sygnały kwantowane są sygnałami dyskretnymi pod względem amplitudy, przyjmującymi skończoną liczbę stanów. Sygnały cyfrowe uzyskuje się, gdy sygnał wejściowy jest próbkowany w dyskretnych przedziałach czasowych, zaś amplituda jest kwantowana na dyskretne poziomy ze zbioru wartości dopuszczonego przez konkretne urządzenie. Sygnały te są określone przez dobrze zdefiniowane poziomy nazywane poziomami logicznymi. W urządzeniach cyfrowych są to zazwyczaj dwa poziomy, odpowiadające cyfrom 0 oraz 1 w kodzie binarnym. Przetwarzanie ciągłego sygnału analogowego na sygnał cyfrowy polega na dyskretyzacji sygnału w czasie czyli jego próbkowaniu, dyskretyzacji wartości sygnału czyli kwantowaniu oraz na kodowaniu tak uzyskanego sygnału dyskretnego.

72 Z punktu widzenia projektanta i użytkownika skomputeryzowanego systemu pomiarowego istotny jest wybór przetworników w taki sposób, aby ich parametry odpowiadały przewidywanej dla nich klasie zastosowań. Jedną z takich cech charakterystycznych przetwornika A/C jest rodzaj stosowane kodu. Pozostałymi parametrami są: fizyczny charakter sygnału analogowego (uni- bądź bi- polarny) i dopuszczalny zakres jego zmian na wejściu przetwornika. Do najważniejszych parametrów charakteryzujących możemy zaliczyć: rzeczywisty zakres przetwarzania, całkowy błąd przetwarzania, współczynnik różniczkowej nieliniowości przetwornika częstotliwość przetwarzania

73 Próbkowanie sygnału analogowego Próbkowanie następuje przez kolejne pobieranie próbek wartości sygnału w pewnych odstępach czasu, w taki sposób, aby ciąg próbek umożliwiał jak najwierniejsze odtworzenie całego przebiegu funkcji.

74 Próbkowanie sygnału analogowego Jednym z istotnych parametrów systemu z wejściem analogowym jest częstotliwość próbkowania. Duża częstotliwość próbkowania powoduje, że oryginalny sygnał analogowy będzie posiadał lepszą reprezentację w systemie cyfrowym. Rysunek przedstawia sygnał próbkowany z właściwą częstotliwością, oraz efekt zbyt małej częstotliwości próbkowania.

75 Kwantowanie sygnału Kwantowanie przebiegu analogowego polega na przyporządkowaniu każdej próbce skończonej liczby poziomów amplitudy, odpowiadającym dyskretnym wartościom od zera do pełnego zakresu. Najczęściej stosowane jest kwantowanie równomierne opisane wzorem. gdzie: X 0 – wartość na wyjściu układu kwantującego, X – wartość sygnału analogowego na wejściu układu, q – elementarny przedział kwantowania, ent(x) – część całkowita liczby rzeczywistej.

76 Kwantowanie sygnału Proces kwantowania polega na zaokrąglaniu wartości wyznaczonej próbki do takiej, którą przy danej rozdzielczości cyfrowej można zapisać w postaci zadanej liczby bitów. Dla przykładu, jeżeli zmierzona próbka posiada wartość 3,2 i rozdzielczość cyfrowa w danym procesie kwantowania została ustalona na 3 bity, to w wyniku procesu kwantowania wartość próbki zostanie zaokrąglona do 3,75, a więc do najbliższego przedziału kwantowania.

77 Sposoby kodowania danych W przetwornikach analogowo-cyfrowych wykorzystuje się liczbowe kody binarne, przy czym spośród wielu znanych kodów praktycznie stosuje się tylko kilka. Wśród kodów stosowanych w przetwornikach można wyróżnić kody unipolarne wykorzystywane w przypadku przetwarzania wyłącznie napięć dodatnich oraz kody bipolarne stosowane przy przetwarzaniu napięć przyjmujących zarówno wartości dodatnie jak i ujemne. Ponadto wyróżnia się kody binarne i dziesiętno-binarne. Wadą binarnych kodów pozycyjnych jest utrudniona czytelność zapisów o większej liczbie znaków.

78 Sposoby kodowania danych Naturalny binarny kod pozycyjny Dowolna, całkowita liczba dziesiętna może być zapisana w naturalnym kodzie dwójkowym w następujący sposób: gdzie a k jest indywidualnym stanem bitu, mogącym przyjmować tylko wartość 0 lub 1. Kod ten umożliwia reprezentację tylko liczb ułamkowych nieujemnych, stąd też jest to kod unipolarny. Kod, w którym każdej jego pozycji jest przyporządkowana określona waga, tzn. podstawa 2 z potęgą 20 do 2n lub 2-1 do 2-n, nazywa się kodem ważonym. Wartość liczbowa takiego kodu jest równa sumie wag na tych wszystkich pozycjach, dla których a k = 1, pozwala zatem wyrazić całkowite wartości liczbowe z zakresu [0; 2n -1]. Niedostatkiem naturalnego binarnego kodu pozycyjnego jest to, że liczba 0 ma w nim dwie różne reprezentacje kodowe, oraz fakt, że dodanie według zasad arytmetyki binarnej dwóch niezerowych liczb o przeciwnych znakach a jednakowej wartości bezwzględnej nie daje w wyniku wartości zerowej.

79 Binarny kod uzupełnieniowy Tworzymy go na podstawie naturalnego kodu pozycyjnego w ten sposób, że tworzy się odwrotny zapis słowa (zamieniając 0 na 1 i odwrotnie), do tak otrzymanej liczby binarnej dodaje się 1 (modulo 2), odrzucając przy tym ewentualny znak przeniesienia po najwyższej pozycji słowa kodowego. Dla liczb dodatnich najbardziej znaczący bit (MSB) jest zerem a poza tym kod jest podobny do naturalnego kodu binarnego. Dla liczb ujemnych MSB jest jedynką. Dziesiętno-binarny kod pozycyjny (kod BCD) Jest to dziesiętny kod pozycyjny, w którym cyfry dziesiętne są przedstawiane jako 4-cyfrowe liczby binarne. Tego rodzaju zapis daje się łatwo przekształcić w zapis dziesiętny. Wadą tego kodu jest jego nadmiarowość: 4-cyfrowa liczba binarna pozwala zakodować 16 możliwości z czego wykorzystuje się 10 odpowiadających poszczególnym cyfrom.

80 Kod Graya Kod Graya jest kodem dwójkowym, ale jego pozycjom nie są przyporządkowane wagi. Z tego względu kod ten może reprezentować dowolnie wybrany zakres wielkości analogowej o dowolnym znaku. Mimo, że nie jest to kod ważony, jego wartości odpowiadają ułamkowym częściom zakresu analogowego. Kod Graya charakteryzuje się tym, że dowolne dwie kolejne liczby różnią się stanem tylko jednego bitu. Kod Graya nie nadaje się do operacji matematycznych, i stosuje się go tylko wtedy, gdy potrzebne są jego szczególne właściwości. Zapis w kodzie Graya można uzyskać z zapisu w binarnym kodzie uzupełniającym. W tym celu pozostawia się bez zmiany znak na najbardziej znaczącej pozycji wyrazu kodowego, a jeśli znak na określonej pozycji wyrazu kodowego różni się od znaku znajdującego się na pozycji z lewej strony (wyższej o 1 rząd wielkości), to w kodzie Graya na odpowiedniej pozycji występuje 1, w przeciwnym razie na pozycji tej występuje 0.

81 Metody przetwarzania Konwersji napięcia na kod cyfrowy można dokonać na wiele różnych sposobów. Wśród metod konwersji stosowanych w przetwornikach scalonych wyróżnić można trzy grupy: metoda konwersji bezpośredniej (jej zaletą jest szybkość, wadą konieczność wytworzenia układów zawierających dużą liczbę jednakowych komparatorów, układy realizujące tę metodę określa się często mianem przetworników wizyjnych); metody pośrednie (wejściowy sygnał analogowy jest zamieniany na proporcjonalną do niego wielkość pomocniczą - w metodach czasowych jest to czas ładowania kondensatora, w częstotliwościowych jest to częstotliwość impulsów); inne metody.

82 Metody przetwarzania Najpowszechniej stosowanymi metodami przetwarzania są te, które dobrze nadają się do realizacji za pomocą układów scalonych lub do realizacji monolitycznej. Do metod tych należą: metoda bezpośredniego porównania, metoda kompensacyjna wagowa (z kolejnym próbkowaniem), metoda czasowa z podwójnym całkowaniem, metoda częstotliwościowa.

83 Metoda bezpośredniego porównania Napięcie wejściowe w przetworniku n-bitowym jest jednocześnie porównywane z 2n-1 poziomami odniesienia przy użyciu 2n-1 komparatorów napięcia. Cyfrowe stany wyjściowe komparatorów, po odpowiednim zakodowaniu, dają cyfrową informację wyjściową w kodzie dwójkowym. Zaletą jest duża szybkość przetwarzania (suma czasu odpowiedzi jednego komparatora i czas kodowania). Wadą jest konieczność stosowania bardzo dużej liczby komparatorów w przetwornikach wielobitowych. Produkowane są monolityczne przetworniki o czasach przetwarzania ns.

84 Metoda kompensacji wagowej Przetwarzanie polega na kolejnym porównywaniu napięcia przetwarzanego U i z napięciem odniesienia U r wytwarzanym w przetworniku c-a. W pierwszej kolejności następuje porównanie napięcia wejściowego z połową napięcia pełnego zakresu przetwarzania. Rezultat tego porównania ustala w rejestrze wartość cyfrową najstarszego bitu słowa wyjściowego oraz wartość najstarszego bitu wejścia przetwornika c-a. W przypadku przetwornika n- bitowego pełny cykl przetwarzania obejmuje n porównań. Zaletą jest możliwość budowania przetworników wielobitowych o dużej szybkości przetwarzania, gdyż czas przetwarzania jest równy nT, gdzie T jest czasem jednego cyklu porównania. Można uzyskać wartość T rzędu 100ns.

85 Metoda czasowa z podwójnym całkowaniem Wśród metod czasowych przetwarzania szczególnego znaczenia nabrała metoda dwukrotnego całkowania, która należy do najdokładniejszych technik przetwarzania a/c. Jest to jednak metoda wolna.

86 Rodzaje przetworników Biorąc pod uwagę charakterystyczne cechy użytkowe oraz różnice konstrukcyjne, przetworniki cyfrowo- analogowe możemy podzielić na przetworniki: * z napięciowymi źródłami odniesienia * z przełączaniem prądów; * mnożące oraz inne rodzaje przetworników.

87 Charakterystyka przejściowa rzeczywistego przetwornika C/A wykazuje wiele odstępstw od charakterystyki idealnej. Spośród najczęściej występujących należy wymienić: błąd przesunięcia zera (offset), błąd wzmocnienia i błąd nieliniowości (całkowitej i różnicowej). Na ogół wszystkie te odstępstwa występują równocześnie w każdym przetworniku, co gorsze ich wartość ulega zmianie w czasie w wyniku zmian np. temperatury oraz starzenia.

88 Błędy przetworników Praktycznie we wszystkich przetwornikach istnieje możliwość zewnętrznej regulacji błędów przesunięcia zera i błędów wzmocnienia. Nie istnieje natomiast możliwość regulacji błędów liniowości, w tym przypadku poprawę można uzyskać jedynie poprzez zastosowanie przetwornika wysokiej jakości lub użycie przetwornika o większej rozdzielczości niż niezbędne minimum.

89 Parametry charakterystyczne Podstawowe parametry przetwornika c/a możemy podzielić na trzy grupy: parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia lub wyjścia; parametry statyczne przetwornika; parametry dynamiczne przetwornika.

90 Parametry charakterystyczne Najważniejsze z naszego punktu widzenia parametry charakteryzujące przetwornik od strony wejścia to: rozdzielczość rodzaj kodu. Rozdzielczością przetwornika nazywana jest długość słowa wejściowego wyrażona w bitach. Może być ona również zdefiniowana poprzez wartość związaną z najmniej znaczącym bitem (LSB). Najmniejsza różnica napięć dla dwóch różnych słów kodowych (skok kwantowania) wynosi q. Wartość q jest równa wynikowi podzielenia zakresu napięć na wyjściu przetwornika przez ilość poziomów kwantowania (2 n, gdzie n oznacza długość słowa kodowego, może też być nazywana rozdzielczością przetwornika).

91 Kształt idealnej charakterystyki przejściowej nie zależy od liczby bitów przetwornika, a wartość maksymalna U fs nie jest nigdy osiągana przez sygnał wyjściowy. Wartość maksymalna sygnału wyjściowego wynosi: dla przetwornika unipolarnego. Dla wygody i prostoty definicji zakres przetworników definiuje się jako zakres nominalny, nie zaś jako rzeczywistą wartość maksymalną sygnału wyjściowego wytwarzanego przez przetwornik.

92 Parametry charakterystyczne przetworników Całkowy błąd przetwarzania określa się korzystając ze wzoru: gdzie: U rz oznacza rzeczywistą wartość napięcia wejściowego, U k przypisaną jej wartością wynikającą z interpretacji zapisu cyfrowego, zaś funkcję maksimum oblicza się w całym rzeczywistym zakresie przetwarzania.:

93 Rzeczywisty zakres przetwarzania (Maximum Working Voltage) jest to wartość napięcia wejściowego, której odpowiada maksymalna wartość zakodowana na wyjściu przetwornika (przy założeniu, że najniższej wartości zakodowanej odpowiada punkt początkowy zakresu przetwarzania). Jeśli q oznacza skok kwantowania (zdolność rozdzielczą przetwornika) zakładając, że jest on stały w całym zakresie przetwarzania, a symbolem n – liczbę znaków w wyrazie kodowym, to dla przetwornika o idealnej (równomiernej) charakterystyce rzeczywisty zakres przetwarzania dany jest wzorem: lość kanałów (Number of Channels) – Ilość sygnałów analogowych które karta pomiarowa jest w stanie przetworzyć. Dopuszczalne napięcie na wejściu (Overvoltage Protection) – najwyższe napięcie jakie może być przyłożone do karty bez jej uszkodzenia. Zwykle podaje się dwie wartości: dla karty zasilonej i nie zasilonej.

94 Częstotliwość przetwarzania (Max Sampling Rate) f prz określa się jako maksymalną liczbę przetworzeń napięcia wejściowego w wartości zakodowane w jednostce czasu. Czas przetwarzania T prz jest to czas upływający pomiędzy momentem podania na wejściu przetwornika sygnału inicjującego odczyt napięcia a momentem ustalenia się na wyjściu zakodowanej wartości napięcia. Ze względu na to, że każdy akt przetworzenia napięcia w kod cyfrowy powoduje powstanie krótkotrwałego procesu przejściowego, zachodzi nierówność: Praca przetwornika z częstotliwością porównywalną z f prz wprowadza dodatkowe błędy przetwarzania, których przyczyną są właśnie procesy przejściowe.

95 Współczynnik różniczkowej nieliniowości przetwornika wyznaczamy korzystając z zależności: przy czym gdzie U 0 oznacza początkowe napięcie zakresu przetwarzania a wartości U 1, U 2,..., U n oznaczają napięcia wejściowe przy których następuje kolejny przyrost o 1 zakodowanej wartości wyjściowej.

96 Względna dokładność (Relative Accuracy) – jest miarą błędów nieliniowości przetwornika wyrażoną najczęściej w najmniej znaczących bitach (LSB). Rozmiar bufora FIFO (First-In-First-Out Buffer Size) - rozmiar bloku pamięci w którym przechowuje się pobrane próbki przed wysłaniem ich do komputera.

97 Wyjście analogowe może być scharakteryzowane poprzez jego rodzaj (możemy mieć wyjścia napięciowe lub prądowe), polaryzację, zakresy napięć lub prądów. Parametry statyczne to: dokładność bezwzględna (lub błąd dokładności bezwzględnej), dokładność względna, błąd przesunięcia zera, błąd skalowania, współczynniki termiczne zera i skali, rozdzielczość względna lub bezwzględna. Parametry charakterystyczne

98 Regulatory bezpośredniego działania Regulatory bezpośredniego działania nie korzystają z energii doprowadzonej z zewnątrz, lecz wykorzystują energię procesu, który regulują. Zalety: prosta budowa, duża niezawodność, prędkość działania, stałość charakterystyk, wysokie bezpieczeństwo. Wady: mała dokładność, rudność zmiany nastaw i instalowania wskaźników i rejestratorów. Zastosowanie: układy regulacji stałowartościowej temperatury, ciśnienia, poziomu cieczy, natężenia przepływu, prędkości kątowej Przykłady: reduktor ciśnienia, termostat samochodowy, pływakowy regulator poziomu cieczy, termostat grzejnikowy CO itp.

99 Regulatory bezpośredniego działania Regulatory temperatury Rozróżnia się dwa rodzaje rozwiązań. W przypadku pierwszym czujnik temperatur jest umieszczony wewnątrz zaworu i dzięki zmianie swych wymiarów powoduje przesuwanie grzybka względem gniazda. W drugim przypadku czujnik jest wykonany w postaci termometru manometrycznego dostarczającego ciśnienia dla sprężystego mieszka, którego denko wprawia w ruch trzpień zaworu regulacyjnego. Typowe dane omawianej grupy regulatorów temperatury są następujące: zakres regulowanej temperatury 30 – 130 °C, szerokość zakresu na ogół rzędu 10 °C, długość linii pomiarowej nie przekracza 3 metrów. Regulatory wykonuje się z zaworami otwieranymi lub zamykanymi przy wzroście temperatury. Pozycja czujnika może być pionowa, pozioma lub ukośna.

100 Regulatory bezpośredniego działania Regulator temperatury Termostat samochodowy – regulacja temperatury wody w układzie chłodzenia silnika 1 – mieszek sprężysty, 2 – grzybek, 3 – gniazdo zaworu

101 Regulatory bezpośredniego działania Zasadniczym elementem regulatora bezpośredniego działania – zawór regulacyjny: –D n – średnica nominalna [mm], –K v100 – nominalny współczynnik przepływu [m 3 /h], Standardowe zawory: –D n /K v100 = 20/5, 25/6.5, 32/12, 40/18, 50/37, 65/54.

102 Regulatory bezpośredniego działania Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego: –dla wody lub innych cieczy maksymalny współczynnik przepływu K v (h) max Nominalny współczynnik przepływu K v100 : Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu regulacyjnego na podstawie K v100

103 Regulatory bezpośredniego działania Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego: –dla wody lub innych cieczy maksymalny współczynnik przepływu K v (h) max Nominalny współczynnik przepływu K v100 : Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu regulacyjnego na podstawie K v100

104 Regulatory bezpośredniego działania Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego: –dla wody lub innych cieczy sprawdzenie czy dobrany zawór regulacyjny działa w całym zakresie przepływu stopień otwarcia zaworu h/h max : przy maksymalnym przepływie przy minimalnym przepływie

105 Regulatory bezpośredniego działania Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego: –dla pary wodnej lub suchego powietrza Maksymalny współczynnik przepływu: gdzie: G max – maksymalny przepływ czynnika w obiekcie [kg/h], m min =f(p 2 /p 1 ) - współczynnik wyznaczony z tablic dla maksymalnego spadku ciśnienia występującego na zaworze regulatora, z min =f(p 1min, 1 ) – współczynnik wyznaczony z tablic w zależności od temperatury dla minimalnego ciśnienia jakie może wystąpić przed zaworem regulatora.

106 Regulatory bezpośredniego działania Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego: –czynnikiem roboczym są pary i gazy maksymalny współczynnik przepływu: gdzie: p 1min – minimalne ciśnienie bezwzględne przed zaworem [Pa], ρ – gęstość gazu przy p1 i Θ=0 o C [kg/m 3 ]

107 Regulatory RTB – cechy szczególne utrzymuje stałą wartość temperatury wysoka jakość regulacji nie wymaga konserwacji regulacja bez udziału energii zewnętrznej

108 Regulatory przepływu Zadaniem regulatorów przepływu jest sterowanie natężenia przepływu cieczy. Stosuje się je przede wszystkim do sterowania prędkości silników hydraulicznych lub siłowników w przypadkach, gdy wymaga się, aby nastawiona prędkość odbiornika zachowywała stałą wartość niezależnie od wahań obciążenia odbiornika, czyli od wahań ciśnienia w układzie. Ogólnie regulatory przepływu dzieli się na dwudrogowe i trójdrogowe.

109 Regulatory przepływu Zasadą budowy regulatora przepływu dwudrogowego jest połączenie w jednym korpusie zaworu dławiącego i zaworu różnicowego. Właściwe zadanie sterowania natężenia przepływu przejmuje zawór dławiący, natomiast zawór różnicowy utrzymuje stałą różnicę ciśnień między wejściem i wyjściem zaworu dławią­cego, dzięki czemu uniezależnia jego działanie od zmian ciśnienia w układzie hydra­ulicznym. Regulatory przepływu dwudrogowe są budowane zasadniczo w dwóch od­mianach z zaworem różnicowym na wejściu; z zaworem różnicowym na wyjściu.

110 Komputer w układach automatycznej regulacji Cyfrowe układy regulacji. Układ sterowania temperatury pieca. Sterowanie temperaturą w kabinie pasażerskiej samochodu. Regulator cyfrowy P i analogowy PI

111 Cyfrowe układy regulacji ogólnie Wraz z szerokim rozpowszechnieniem mikrokomputerów pojawiła się nowa klasa regulatorów: regulatory cyfrowe. Regulatory cyfrowe początkowo realizowane były jako podprogramy w dużych komputerach sterujących procesami, obecnie są budowane jako wyodrębnione aparaty tablicowe i klasyczne regulatory z wyjściem analogowym. W regulatorach cyfrowych sygnał wyjściowy jest obliczany przez program umieszczony w pamięci regulatora. Przez zmianę programu można zmienić rodzaj regulatora. Z reguły użytkownik ma do wyboru wiele wariantów podprogramów, z których może zestawić potrzebny mu program: nazywa się to konfigurowaniem regulatora. Ponieważ regulator jest właściwie małym komputerem, może więc realizować znacznie bardziej skomplikowane przekształcenia sygnałów niż regulatory analogowe. Niektóre regulatory są wyposażone w adaptacyjne (samodopasowujące) filtry zakłóceń oraz adaptacyjny system doboru parametrów. W regulatorze cyfrowym sygnały wejściowe musza być przetwarzane do postaci cyfrowej przez przetworniki analogowo-cyfrowe, a sygnały wyjściowe z postaci cyfrowej - przez przetworniki cyfrowo-analogowe. Często, mimo że regulator jest kilkukanałowy jest tylko jeden przetwornik a/c i jeden przetwornik c/a obsługujący po kilka wejść i wyjść. Sygnały wejściowe i wyjściowe są wtedy komutowane (przełączane).

112 Cyfrowe układy regulacji zadania Zadaniem regulatora jest: - porównanie wielkości regulowanej z wielkością zadaną -wytworzenie wielkości sterującej, oddziaływującej na obiekt sterowania tak aby błąd regulacji był jak najmniejszy -takie ukształtowanie własności dynamicznych układu regulacji, aby układ ten spełniał wymagania, czyli żeby był stabilny i zapewnił odpowiednią jakość regulacji w stanie ustalonym i przejściowym przy ograniczeniach nałożonych na przebieg sygnału sterującego y – wielkość regulowana, y0 – wartość zadana (nastawa), e – błąd regulacji, r – wielkość regulująca, x – zasilanie, z - zakłócenia

113 Cyfrowe układy regulacji Zalety: -wysoka jakość regulacji, -brak wpływu starzenia się materiałów i temperatury otoczenia na związki matematyczne, -elastyczne dostosowywanie struktury do obiektu (programowanie zamiast lutowania), -możliwość przesyłania danych do systemu nadrzędnego, -automatyczne strojenie, Wady: -bardziej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne niż regulatory elektroniczne, -dłuższy czas prowadzenia obliczeń przez procesor niż w przypadku regulatorów analogowych, -konieczność stosowania czasu próbkowania (transformaty Z).

114 Cyfrowe układy regulacji przykłady 1) wyświetlacz wielkości mierzonej PV 2) wyświetlacz wielkości: zadającej SP wyjściowej OUT, kodu alarmów EPR.3 wyświetlacz CHAN.NO 4) wskaźnik diodowy od-wskaźnik diodowy sygnału wyjściowego; tu odchyłki MAX. 6.2) wskaźnik alarmu wskaźnik wystąpienia alarmu ALARM: ilości na wyświetlaczu 2 wielkości zadającej SP lub kodu alarmu SP-ERR: 9) sygnalizacja reżimu pracy: M sterowanie ręczne, A sterowanie automatyczne, C kom­ puter. CAS wartość zadająca zdalna; 10) przycisk przełącz­nik kanałów kwitowanie alarmów; // przyciski 12) przycisk zmiany reżimu pracy: U.I przycisk zwiększanie wartości wielkości wyjściowej: 11.2) przycisk zmniejszanie wartości wielkości wyjściowej: 14.1) kieszonka na tabliczkę wielkości fizyczne: 14.2) kieszonka na tabliczkę symbol obwodu

115 Cyfrowe układy regulacji temperatury Regulatory znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu np. do regulacji temperatury w piecach przemysłowych, suszarniach, w maszynach do przetwórstwa tworzyw sztucznych oraz innych urządzeniach w układach automatycznej regulacji. Cyfrowe regulatory temperatury RGT 105 (analogowa nastawa) RGT450 przeznaczone są do regulacji i stabilizacji temperatury w różnych urządzeniach i układach automatycznej regulacji. RGT 105 RGT450

116 Układ sterowania temperaturą pieca: Schemat sterowania temperatury pieca elektrycznego Temperaturę pieca mierzoną termometrem uzyskujemy w postaci sygnału analogowego. Sygnał ten ulega zamianie na cyfrowy poprzez przetwornik A/C. Temperatura w postaci sygnału cyfrowego podawana jest do sterownika a następnie porównywana z zaprogramowaną temperaturą

117 Układy blokad i zabezpieczeń. Bateryjne podtrzymywanie pamięci regulatora podczas zaniku zasilania. Blokada ustawień przed przypadkową zmianą nastaw regulatora. Ustawienie programowo krytycznych wartości nastaw, po których przekroczeniu regulator równoległy przejmuje kontrolę nad procesem.

118 Układy blokad i zabezpieczeń. Głowice elektroniczne, oprócz programu zmian temperatury, mają dodatkowe funkcje np. detekcję otwartego okna, zabezpieczenie przed zablokowaniem zaworu, ograniczenie możliwości dokonywania zmian nastaw przez osoby niepowołane, automatyczną zmianę czasu zima/lato. Powrót do strony głównej

119 Projektowanie układów regulacji Cel sterowania – efekt osiągnięty w procesie sterowania lub po jego zakończeniu. Obiekt sterowania – obiekt, który realizuje techniczny proces realizacja zaplanowanych zadań. Urządzenie sterujące – urządzenie oddziaływujące na obiekt sterowania

120 Uogólniony schemat strukturalny układu sterowania Zadania układów regulacji

121 Proces sterowania –Informacja o obiekcie sterowania. –Analiza otrzymanej informacji zgodnie z prawem sterowania. –Realizacja oddziaływań sterujących na elementy wykonawcze w celu doprowadzenia parametrów obiektu do wielkości obliczeniowych. Formy sterowania: –Sterowanie ręczne. –Sterowanie telemechaniczne – sterowanie dużą liczbą obiektów dwuprzewodową linią łączności.

122 Zadania układów regulacji Dowolny proces techniczny charakteryzuje się zbiorem wielkości fizycznych – wskaźniki lub współrzędne procesu. Przy budowie układów automatycznych: –wiedza dotycząca danego procesu technologicznego, –wiedza w zakresie zasad i metod sterowania (wiadomości podstawowe w odniesieniu do różnych obiektów i procesów). Podstawowe zadania układu automatycznego sterowania – zagwarantowanie wymaganej jakości realizacji procesu technologicznego (niezależnie od zakłóceń)

123 Zadania układów regulacji Dowolny proces techniczny charakteryzuje się zbiorem wielkości fizycznych – wskaźniki lub współrzędne procesu. Przy budowie układów automatycznych: –wiedza dotycząca danego procesu technologicznego, –wiedza w zakresie zasad i metod sterowania (wiadomości podstawowe w odniesieniu do różnych obiektów i procesów). Podstawowe zadania układu automatycznego sterowania – zagwarantowanie wymaganej jakości realizacji procesu technologicznego (niezależnie od zakłóceń)

124 Zadania układów regulacji Reguła sterowania –zasada (algorytm) przetwarzania informacji o stanie obiektu na sygnały sterowania elementami wykonawczymi. Podstawowe zasady sterowania: –Sterowanie w układzie otwartym. –Sterowanie kompensacyjne.

125 Zasady układów regulacji Podstawowe zasady sterowania –Sterowanie w układzie zamkniętym ze sprzężeniem zwrotnym. Układ regulacji jednoobwodowy Układ regulacji kaskadowej

126 Zasady układów regulacji Układ regulacji z pomiarem zakłóceń

127 Zasady układów regulacji Rodzaje układów regulacji –Układy statyczne – wielkość wyjściowa zawsze różna od wartości zadanej (stan ustalony) – błąd statyczny. –Układy astatyczne – uchyb = 0. Sterowanie programowe – formuła zmiany wielkości sterowanej (wyjściowej) znana jest wcześniej, a specjalny sterownik wypracowuje zadany program zmiany sterowanej wielkości. –układy z programem czasowym (np. program zmiany temperatury), –układy z programem przestrzennym (sterowanie maszyn do obróbki metali).

128 Zasady układów regulacji Sterowanie automatyczne (w zależności od sposobu przygotowania sygnałów sterujących): –Sterowanie ekstremalne – nie występuje w formie jawnej sygnał zadany, cel – utrzymanie jednego z sygnałów wyjściowych obiektu na wartości maksymalnej lub minimalnej. –Sterowanie adaptacyjne. Parametry pracy układów regulacji –Stabilność, –Jakość pracy układu –Badanie zachowania się układu automatycznego w stanie równowagi

129 wykresy animowane ekrany raporty alarmy z instrukcjami ich usuwania zanalizowane dane zmiany nastaw korekty pracy systemu usuwanie awarii Wizualizacja - cele

130 Uzasadnienie stosowania wizualizacji lepsza wydajność produkcji mniejsze zużycie energii mniejsze koszty lepszy wgląd w system szybkie reagowanie w stanach awaryjnych spełnianie norm ISO 9000

131 Struktura systemu wizualizacji część sprzętowa: komputery PC, sterowniki PLC, panele operatorskie oraz aparatura pomiarowa i sieciowa. część programowa: środowisko systemu operacyjnego, oprogramowanie narzędziowe do tworzenia aplikacji typu MMI (Man - Machine - Interface) lub SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), programy komunikacyjne.

132 132 Zawory Funkcje sterowania wartości i kierunku przepływu energii w układach hydraulicznych pełnią elementy nazywane ogólnie zaworami. Sterowanie to polega w zasadzie na wprowadzaniu zmian przekroju przepływu cieczy za pomocą odpowiedniego ustawienia ruchomej części sterującej zaworu. Ze względu na to, że przepływ energii może być sterowany zmiana natężenia przepływu Q lub zmianą ciśnienia p, zawory można ogólnie podzielić na: sterujące ciśnieniem, zwane zaworami ciśnieniowymi; sterujące kierunek przepływu, zwane zaworami kierunkowymi; sterujące natężenie przepływu, zwane zaworami natężeniowymi; inne. Podział i oznaczenie zaworów hydraulicznych podaje norma PN-73/M Na rysunku zestawiono najważniejsze rodzaje zaworów. Budowane są również zawory łączące w sobie wymienione wyżej podstawowe funkcje, np. zawór sterujący kierunek przepływu może równocześnie sterować także natężenie przepływu.

133 133 Zawory - podział Zawory Zawory ciśnieniowe Zawory bezpieczeństwa Zawory przelewowe Kolejności działania Zawory redukcyjne Zawory różnicowe Zawory proporcjonalne Zawory kierunkowe Zawory odcinające Zawory zwrotne Zawory rozdzielcze Zawory natężeniowe Zawory dławiące Regulatory przepływu

134 134 Zawory ciśnieniowe Zawory bezpieczeństwa i przelewowe Zasada działania obu tych zaworów jest podobna, gdyż zadaniem ich jest otwieranie przepływu po przekroczeniu pewnego ciśnienia. Ponieważ jednak zawór bezpieczeństwa jest w czasie normalnej pracy urządzenia zamknięty i otwiera się tylko w wyjątkowych okolicznościach, natomiast przez zawór przelewowy ciecz może przepływać przez dłuższe okresy pracy urządzenia, przeto zaworom przelewowym stawia się wyższe wymagania, jeśli chodzi o dokładność regulacji ciśnienia, pracy bez drgań itp.

135 135 Zawory przelewowe jednostopniowe Zawory przelewowe kulkowe należą do najprostszych typów zaworów przelewowych. Ciecz pod ciśnieniem doprowadzana jest pod kulkę. Gdy siła wynikająca z ciśnienia działającego na określoną powierzchnię kulki 1 przewyższy siłę sprężyny 2, kulka uniesie się otwierając przepływ cieczy. Powierzchnia rzutu na płaszczyznę prostopadłą do osi zaworu części kulki, na którą działa ciśnienie w okresie, gdy zawór jest zamknięty, wynosi: Otwarcie zaworu nastąpi przy ciśnieniu pod kulką p 0 równym: gdzie F W – siła napięcia wstępnego sprężyny.

136 136 Zawory przelewowe jednostopniowe Charakterystyka statyczna takiego zaworu, przedstawiająca zależność między ciśnieniem p i natężeniem przepływu cieczy przez zawór Q jest pokazana na rysunku. Jeszcze przed samym otwarciem zaworu, w p. A zaczynają się pojawiać niewielkie przecieki przez zawór. Wynikają one ze zmniejszonej szczelności zaworu spowodowanej malejącym dociskiem kulki do gniazda. W punkcie B rozpoczyna się unoszenie kulki i otwarcie zaworu. Jak wynika z dalszego przebiegu krzywej p =f(Q), zwiększenie przepływu przez zawór wymaga wzrostu ciśnienia p. Jest to zjawisko niekorzystne, zwłaszcza dla zaworu przelewowego, gdyż nie pozwala na utrzymanie stałego ciśnienia w instalacji przy wahaniach natężenia przepływu. p – ciśnienie Q - przepływ

137 137 Zawory kolejności działania Zadaniem zaworów kolejności działania jest utrzymywanie określonego ciśnienia w części instalacji przed zaworem niezależnie od ciśnienia panującego za zaworem. Umożliwiają one w ten sposób wyodrębnienie w złożonych układach hydraulicznych części, którym daje się pierwszeństwo w zasilaniu. Dopiero po zapewnieniu zasilania części układu przed zaworem zawór kolejności działania otwiera się i kieruje resztę wydaj­ności pompy do dalszych elementów układu. Pod względem budowy i zasady działania zawory te są bardzo podobne do zaworów przelewowych, z tym że po otwarciu nie łączą przewodu wejściowego ze spływem do zbiornika, lecz z dalszą częścią instalacji.

138 138 Zawory kolejności działania Przykład schematu budowy zaworu kolejności działania pokazano na rysunku. Na element sterujący zaworu (suwak 2) działa tu nie różnica ciśnień za i przed zaworem (jak w zaworze przelewowym), lecz ciśnienie przed zaworem. Ciśnienie otwarcia zaworu wynosi: gdzie: F sw – siła sprężyny dla położenia x=0; A – powierzchnia czołowa suwaka 2. p – ciśnienie Q - przepływ

139 139 Zawory redukcyjne Zawory redukcyjne służą do ustalania ciśnienia za zaworem niezależnie od ciśnienia panującego przed zaworem, przy czym ciśnienie za zaworem jest zawsze mniejsze lub co najwyżej równe ciśnieniu przed zaworem. Zawory tego rodzaju pozwalają na zasilanie odbiorników pracujących na niskie ciśnienie z instalacji wysokiego ciśnienia. Pod wzglę­dem liczby dróg dzielą się na dwudrogowe i trzydrogowe, a pod względem liczby stopni na jedno- i dwustopniowe. Na suwak 1 działa z lewej strony siła sprężyny 2, a z prawej strony siła wynikająca z działania ciśnienia p2 za zaworem na powierzchnię czołową A suwaka. Uproszczone równanie równowagi suwaka (z pominięciem sił tarcia i sił hydro­dynamicznych) jest następujące: p 2 A-F s = 0 gdzie F s siła sprężyny 2. Stąd:

140 140 Zawory różnicowe Zadaniem zaworów różnicowych jest utrzymywanie stałej różnicy ciśnień za i przed zaworem. Zawory te zbudowane są podobnie do zaworów przelewowych, które w gruncie rzeczy również utrzymują stałą różnicę ciśnień między instalacją i spływem. Różnica w ich budowie wynika z tego, że zawory różnicowe instaluje się wewnątrz instalacji, w cel utrzymania określonej różnicy ciśnień między poszczególnymi gałęziami instalacji. Przykład najprostszego zaworu różnicowego przedstawiono na rysunku Uprosz­czony warunek równowagi suwaka 1, pomijając siły tarcia i siły hydrodynamiczne, przedstawia się następująco: p 1 A – p 2 A – F s = 0 gdzie: A – powierzchnia czołowa suwaka 1; F s – siła sprężyny Charakterystyka zaworu różnicowego jest w zasadzie tak sama, jak zaworu przelewowego, z tym że zamiast ciśnienia występuje tu różnica ciśnień przed i za zaworem. W punkcie B następuje otwarcie zaworu. p – ciśnienie Q - przepływ

141 141 Zawory ciśnieniowe proporcjonalne Zadaniem zaworu proporcjonalnego jest utrzymywanie stałego stosunku ciśnienia na wejściu i wyjściu zaworu. Uproszczone równanie sił działających na suwak 4 (z pominięciem sił hydrodynamicznych i sił tarcia) jest następujące: p 1 A 1 – p 2 A 2 = 0 gdzie A 1 i A 2 – odpowiednie powierzchnie czynne suwaka 4. Stąd: Kanał spływowy 2 ma za zadnie niedopuszczenie do nadmiernego wrostu ciśnienia p 2, jaki mogłyby wywołać przecieki przez suwak 4, gdyby pobór cieczy przez odbiorniki z kanału 3 był mniejszy niż te przecieki.

142 142 Zawory odcinające Zadaniem zaworów odcinających jest właściwie jedynie zamykanie i otwieranie przepływu przez określony przewód. Zawory takie stosuje się bardzo często w różnych instalacjach, w celu umożliwienia odłączania poszczególnych gałęzi instalacji, np. przy naprawach, wymianach filtrów itp., a także jako zawory spustowe ze zbiorników itp. Schematy najbardziej rozpowszechnionych typów zaworów odcinających przedstawiono na rysunku. Od zaworów odcinających wymaga się, aby w pozycji zamkniętej zachowywały dobrą szczelność, natomiast przy pełnym otwarciu stawiały możliwie małe opory przepływu. Pod tym względem dobre własności ma zawór zasuwowy i kulowy obrotowy.

143 143 Zawory zwrotne Zadaniem zaworów zwrotnych jest przepuszczanie cieczy tylko w jednym kierunku. Najprostsze typy tego rodzaju zaworów przedstawiono na rysunku. Zawory zwrotne należą do zaworów samoczynnych. Ważne jest, aby zawór zwrotny stawiał możliwie małe opory przepływu w kierunku, w którym się otwiera. W niektórych przypadkach zawór zwrotny powinien także otwierać się i zamykać bardzo szybko. Ma to miejsce na przykład przy zastosowaniu tych zaworów do sterowania (rozrządu) pomp wyporowych. Wówczas część zamykająca powinna mieć możliwie małą masę i równocześnie przy niewielkim ruchu otwierać dostatecznie duży przekrój.

144 144 Zawory rozdzielcze Zasadniczym zadaniem zaworów rozdzielczych, zwanych również po prostu rozdzielaczami, jest kierowanie przepływu cieczy do określonych odbiorników w instalacji. Odbywa się to przez otwieranie i zamykanie odpowiednich dróg przepływu. Oprócz swego podstawowego zadania zawory rozdzielcze często mogą być wykorzystane również do sterowania natężenia przepływu przez dławienie (częściowe otwieranie przepływu). Noszą wówczas nazwę rozdzielaczy dławiących. Rozdzielacze suwakowe składają się z cylindrycznego suwaka z pierścieniowymi wytoczeniami, który przesuwa się wewnątrz korpusu z otworami doprowadzającymi i odprowadzającymi ciecz. Przez użycie odpowiednio długiego suwaka i korpusu można otrzymać bardzo dużą liczbę różnych kombinacji połączeń wielodrogowych.

145 145 Rozdzielacze suwakowe

146 146 Rozdzielacze czopowe Część sterująca w zaworach rozdzielczych czopowych jest wykonana w postaci odpowiednio ukształtowanego czopa wykonującego ruch obrotowy. Rozdzielacze tego typu są bardzo wygodne w przypadku wielodrogowego sterowania ręcznego. Podobnie jak przy zaworach suwakowych należy się w nich liczyć z pewnymi niewielkimi przeciekami.

147 147 Rozdzielacze gniazdowe Zawory rozdzielcze gniazdowe zbudowane są na zasadzie układu zaworów kulkowych, grzybkowych lub talerzykowych, otwierających i zamykających odpowiednie drogi przepływu. Przez odpowiednią kombinację tego rodzaju zaworów można budować rozdzielacze wielodrogowe i wielopołożeniowe. Natomiast rozdzielacze tego rodzaju mają wiele zalet. Należą do nich przede wszystkim bardzo dobra szczelność i duża czułość, gdyż można w nich uzyskać bardzo małe szczeliny przepływowe. Można je stosować na bardzo wysokie ciśnienie.

148 148 Zawory dławiące Zadaniem zaworów dławiących jest sterowanie natężenia przepływu cieczy. Zasada działania polega na przepuszczaniu strumienia cieczy przez odpowiednio regulowany otwór lub szczelinę. Natężenie przepływu przez taki element (zwężka) można określić dla przepływu turbulentnego zgodnie z zależnością: lub dla przepływu laminarnego przez zwężkę o przekroju okrągłym zgodnie z prawem Hagena-Poiseuille'a:

149 149 Zawory dławiące Zakładając Δp = const, co jest w większości przypadków zasadą działania zaworów dławiących, widać, że dla przepływu turbulentnego sterowanie natężenia przepływu może być dokonywane przez zmianę przekroju A zwężki i współczynnika strat f, a w zaworach z przepływem laminarnym przez zmianę średnicy otworu zwężki d (lub grubości szczeliny) i długości zwężki l. Jak wynika z powyższych rozważań rodzaj przepływu, jaki powstanie w zaworze dławiącym ma bardzo istotny wpływ na jego działanie. Stąd też norma PN-73/M dzieli te zawory na dwa rodzaje: dławiące laminarne lub o oporze lepkościowym; dławiące turbulentne lub o oporze bezwładnościowym. Na pracę zaworu laminarnego ma wyraźny wpływ lepkość cieczy. Jest to niewątpliwie zjawisko niekorzystne. Lepkość cieczy jak wiadomo, zmienia się pod wpływem tempera­tury cieczy. A zatem zawór dławiący laminarny będzie wrażliwy na zmiany temperatury cieczy w układzie hydraulicznym. Ponadto na pracę zaworu turbulentnego będą miały mniejszy wpływ ewentualne wahania ciśnienia

150 150 Zawory dławiące p – ciśnienie Q - przepływ

151 151 Regulatory przepływu Zadaniem regulatorów przepływu jest sterowanie natężenia przepływu cieczy. Stosuje się je przede wszystkim do sterowania prędkości silników hydraulicznych lub siłowników w przypadkach, gdy wymaga się, aby nastawiona prędkość odbiornika zachowywała stałą wartość niezależnie od wahań obciążenia odbiornika, czyli od wahań ciśnienia w układzie. Ogólnie regulatory przepływu dzieli się na dwudrogowe i trójdrogowe.

152 152 Regulatory przepływu Zasadą budowy regulatora przepływu dwudrogowego jest połączenie w jednym korpusie zaworu dławiącego i zaworu różnicowego. Właściwe zadanie sterowania natężenia przepływu przejmuje zawór dławiący, natomiast zawór różnicowy utrzymuje stałą różnicę ciśnień między wejściem i wyjściem zaworu dławią­cego, dzięki czemu uniezależnia jego działanie od zmian ciśnienia w układzie hydra­ulicznym. Regulatory przepływu dwudrogowe są budowane zasadniczo w dwóch od­mianach z zaworem różnicowym na wejściu; z zaworem różnicowym na wyjściu.

153 Układy automatyki stosowane w układach ciepłowniczych klimatyzacyjnych, solarnych i grzewczych

154 Automatyzacja systemów ciepłowniczych Ze względu na realizowane funkcje i stosowane rozwiązania techniczne systemy automatyki można podzielić na następujące kategorie: automatyka zabezpieczeniowa, w której podstawą jest spełnienie wymagań Dozoru Technicznego w zakresie zabezpieczeń kotła i innych urządzeń dozorowych oraz zabezpieczenie urządzeń technologicznych (kotła, zaworów, pomp) przed uszkodzeniem w trakcie eksploatacji, opomiarowanie, w której podstawą jest zebranie danych dotyczących obiektu technologicznego, automatyzacja procesu, gdzie najważniejsza jest analiza specyfiki procesu technologicznego dokonana we współpracy z technologiem oraz optymalizacja przebiegu tego procesu,

155 Automatyzacja systemów ciepłowniczych cd. automatyzacja obiektu, polegająca na automatyzacji i informatyzacji wszystkich procesów w danym obiekcie technologicznym z uwzględnieniem ich wzajemnego oddziaływania, automatyzacja systemu ciepłowniczego, rozumiana jako kompleksowa automatyzacja i informatyzacja produkcji i dystrybucji ciepła.

156 Automatyzacja systemów ciepłowniczych Automatyka zabezpieczeniowa jest często utożsamiana z automatyką kotła. W rzeczywistości jest to zestaw najprostszych rozwiązań wymaganych przez Dozór Techniczny do dopuszczenia kotła do ruchu. Zabezpieczenia realizowane są na sygnałach dwustanowych, generowanych przede wszystkim na podstawie pomiarów lokalnych. Logika zabezpieczeń realizowana jest na przełącznikach, przekaźnikach lub prostych sterownikach. Liczba pomiarów ograniczona jest do niezbędnego minimum określonego przepisami i są to przede wszystkim pomiary lokalne. Przebieg procesu spalania sterowany jest ręcznie, przy pomocy przycisków sterowania w rozdzielni elektrycznej lub za pomocą elementów mechanicznych. Różnica pomiędzy opomiarowaniem a automatyzacją procesu często jest świadomie zacierana - rozbudowane opomiarowanie (z wizualizacją i fragmentaryczna regulacją) jest przedstawiane jako automatyzacja procesu. Jednak należy pamiętać, iż podstawowym wyróżnikiem automatyki procesu jest zrozumienie istoty procesu i jego optymalizacja.

157 AUTOMATYZACJA SYSTEMU CIEPŁOWNICZEGO W przypadku automatyzacji systemu ciepłowniczego mamy do czynienia z kompleksowym podejściem do systemu ciepłowniczego miasta: automatyzacja źródeł ciepła (w tym automatyzacja wielu źródeł ciepła pracujących w ramach jednej sieci), automatyzacja węzłów cieplnych, węzłów grupowych oraz przepompowni, zdalna kontrola sieci ciepłowniczej (telemetria) z wykorzystanie różnorodnych mediów transmisyjnych w tym radiomodemów firmy Satel, zdalny, techniczny i właścicielski nadzór nad jednym lub wieloma systemami ciepłowniczymi, z wykorzystaniem przemysłowej bazy danych IndustrialSQL Server oraz narzędzi dostępu i analizy danych ActiveFactory firmy Wonderware.

158 AUTOMATYZACJA SYSTEMU CIEPŁOWNICZEGO W efekcie automatyzacji systemu ciepłowniczego możliwe jest: szybsze reagowanie źródeł ciepła na zmiany zachodzące w sieci na podstawie danych otrzymanych z telemetrii, likwidacja problemów wynikających z interakcji kilku źródeł ciepła pracujących w ramach rzeczywistej sieci cieplnej, szybsze usuwanie awarii powstałych na magistralach sieci cieplnych oraz w węzłach i przepompowniach, zdalny nadzór i rozliczanie odbiorców ciepła.

159 AUTOMATYZACJA PROCESU SPALANIA W większości ciepłowni średniej wielkości (10 ÷ 100 MW), źródłem energii jest węgiel, stąd zadaniem automatyki jest sterowanie procesem spalania węgla w wodnych lub parowych kotłach rusztowych. Podstawowym celem automatycznej regulacji procesu spalania w kotle rusztowym jest dążenie do zapewnienia maksymalnej sprawności kotła. Regulacja procesu spalania jest w pełni automatyczna, realizowana na podstawie algorytmu wprowadzonego do sterownika PLC, np. GE Fanuc lub VersaMax. Do regulacji wykorzystywana jest charakterystyka kotła otrzymana na podstawie identyfikacji kotła, istnieje możliwość swobodnego kształtowania liczby obwodów pomiarowych, obwodów regulacji oraz ich wzajemnych powiązań dzięki zastosowaniu sterowników wyposażonych w dużą ilość obwodów wejściowych i wyjściowych, większość pomiarów jest zdalna, przeniesiona do szafy AKPiA, na panelu dotykowym, panelu LCD lub komputerze przemysłowym wbudowanych w szafę AKPiA wizualizowany jest przebieg procesu technologicznego.

160 AUTOMATYZACJA UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH System automatyki układów hydraulicznych ciepłowni musi zapewnić: dostosowanie źródła ciepła do sieci, regulację parametrów sieci w zależności od temperatury zewnętrznej i aktualnego poboru ciepła poprzez zastosowanie sterownika PLC GE Fanuc lub VersaMax, stabilizację punktu pracy kotłów, maksymalną oszczędność energii elektrycznej, informację o stanie wielu parametrów układu hydraulicznego ciepłowni na podstawie sygnałów zebranych przez wielowejściowy sterownik PLC.

161 AUTOMATYZACJA OBIEKTU Kolejną kategorią systemów automatyki jest automatyzacja obiektu. W przypadku ciepłowni w skład systemu automatyki wchodzą podsystemy automatycznej regulacji wszystkich procesów zachodzących w obiekcie TJ.: spalania w kotłach, pompowania w układzie hydraulicznym ciepłowni, przygotowanie węgla do spalania gospodarka elektroenergetyczna ciepłowni.

162 AUTOMATYZACJA OBIEKTU Cechami charakterystycznymi kompleksowego podejścia do automatyzacji obiektu technologicznego są: zbieranie i archiwowanie danych o przebiegu wszystkich procesów zachodzących w danym obiekcie w komputerowym systemie wizualizacji, np. InTouch firmy Wonderware, udostępnianie danych o procesach wszystkim zainteresowanym (obsłudze, kadrze kierowniczej, służbom finansowym, klientom) przy pomocy dodatkowych narzędzi programowych, np. FactoryFocus czy SuiteVoyager firmy Wonderware, możliwość tworzenia obwodów regulacji z uwzględnieniem danych z wielu procesów wzajemnie zależnych, optymalizacja zużycia nośników energii dla całego obiektu (energii elektrycznej, gazu, oleju, węgla i wody). Spis Treści

163 Urządzenia stosowane w automatyzacji Sterowniki i regulatory Węzły cieplne Termostaty Presostaty Czujniki temperatury Zawory blokowe i iglicowe Zawory dławiące i zaporowe Zawory regulacyjne z przyłączem kołnierzowym i gwintowym

164 Regulatory Programator pogodowy Ze względu na wysokie koszty ogrzewania coraz istotniejszą rolę odgrywają urządzenia regulacyjne. Na ekonomiczną eksploatację budynku, oraz zapewnienie komfortu cieplnego użytkowników pozwala układ regulacji pogodowej, który umożliwia automatyczne dostosowanie parametrów pracy węzła cieplnego do wymagań poszczególnych odbiorców. Układ ten pozwala na dowolne dostosowanie krzywej grzewczej do danego obiektu, okresowe obniżenie temperatury w zależności od pory dnia i poszczególnych dni tygodnia.

165 Regulatory cd Elektroniczne regulatory dla układów grzewczych i ciepłej wody użytkowej. Regulatory mogą być dostosowane do różnorodnych typów układów ciepłowniczych, zapewniając wysoki poziom komfortu i optymalne wykorzystywanie energii. Zakres urządzeń obejmuje zarówno bardzo proste, tradycyjne regulatory analogowe jak i zaawansowane regulatory cyfrowe. Wspólną cechą wszystkich regulatorów jest łatwość obsługi. Podstawowymi urządzeniami tego modułu są: Regulator różnicy ciśnienia Regulator przepływu Regulatory temperatury Ograniczniki temperatury Sterownik programowalny

166 Regulator różnicy ciśnienia Zadaniem regulatorów różnicy ciśnień jest utrzymywanie stałej różnicy ciśnień np. na węźle, na zaworze regulacyjnym. Regulator zamyka się przy rosnącej różnicy ciśnień. Mechanizm funcjonowania regulatora: wysokie ciśnienie panujące przed zaworem regulacyjnym rurką impulsową jest przenoszone na dolną część membrany w regulatorze. Poprzez kanał w regulatorze średnie ciśnienie jest przenoszone z zaworu na górną część membrany. Siła napięcia sprężyny regulatora działa na górną część membrany (na część z podłączonym niskim ciśnieniem) powodując utrzymanie stałej różnicy ciśnień.

167 Regulator przepływu Regulatory przepływu bezpośredniego działania montowane na zasileniu lub powrocie, stosowane są głównie w układach ciepłowniczych. Regulator zamyka się, gdy maksymalny zadany przepływ zostanie przekroczony. Funkcje regulatora: odpowiednio do napięcia sprężyny regulacyjnej oddziaływującej na membranę, membrana reguluje różnicę ciśnień na zintegrowanym zaworze dławiącym. Ręczne ustawienie stopnia otwarcia zaworu dławiącego wyznacza efektywną wielkość natężenia przepływu.

168 Regulatory temperatury - Termoregulatory Regulatory temperatury są obecnie podstawowym, najczęściej stosowanym rozwiązaniem. Największą ich zaletą jest praktycznie bezgłośna praca i duża dokładność (0,3 - 0,1°C). Doskonale nadają się do pomieszczeń mieszkalnych, takich jak kuchnie, pokoje mieszkalne a nawet sypialnie. Regulatory elektroniczne mogą pracować z czujnikiem powietrznym lub podłogowym a wybrane modele z dwoma czujnikami jednocześnie. W zależności od modelu przeznaczone są do montażu natynkowego lub podtynkowego. Duża obciążalność do 3600W. Możliwość współpracy z zegarem sterującym pozwalającym uzyskać wysoki komfort cieplny oraz zaoszczędzić nawet 30% energii. Regulatory temperatury mają wiele funkcji, które przyczyniły się do sukcesu ich poprzedników – w tym łatwą konfigurację, 4-częściowy wyświetlacz LED oraz możliwość wyboru sposobu sterowania przy użyciu mikroprzełącznika ON/OFF lub PID z funkcją automatycznego dostrajania. Ponadto, jak wcześniejsze wersje, wskazują stan wyjściowy i alarmowy oraz kierunek odchylenia od wartości zadanej. Regulatory temperatury

169 Ograniczniki temperatury Ograniczniki temperatury chronią urządzenia elektryczne przed nadmiernym wzrostem temperatury, która zagraża prawidłowemu działaniu tych urządzeń lub bezpieczeństwu użytkownika. Ich zadaniem jest przerwanie obwodu elektrycznego w przypadku, gdy temperatura osiągnie niebezpiecznie dużą wartość. Ze względu na sposób ponownego załączania obwodu elektrycznego ograniczniki można podzielić na: samoczynne, tj. po spadku temperatury do bezpiecznej wielkości obwód załączy się samoczynnie, bez ingerencji zewnętrznej; niesamoczynne, tj. po spadku temperatury do bezpiecznej wielkości poniżej 20 °C obwód można załączyć tylko przez wciśnięcie przycisku znajdującego się na obudowie ogranicznika.

170 Ograniczniki temperatury W urządzeniach elektrycznych, w których niespodziewane ponowne załączenie się obwodu może wpłynąć na bezpieczeństwo użytkownika lub prawidłowe działanie urządzenia zaleca się stosowanie ograniczników niesamoczynnych. Przykłady zastosowań ograniczników temperatury: zabezpieczenia termiczne urządzeń grzewczych takich jak: bojlery elektryczne, grzejniki olejowe; termiczna ochrona urządzeń klimatyzacyjnych i chłodniczych; w nagrzewających się układach elektronicznych, np. na tranzystorach, radiatorach, czy bezpośrednio na płytkach drukowanych; artykuły AGD i użytku codziennego, np. czajniki elektryczne, miksery, suszarki itp.

171 Ograniczniki temperatury Ogranicznik temperatury-Ogranicznik temperatury powrotu Ogranicznik temperatury powrotu jest samoczynnym regulator temperatury. Temperatura przepływającego medium przenoszona jest na czujnik. Utrzymuje on stałą wartość zadaną w wymaganym zakresie proporcjonalności. Zawór otwiera się dopiero wówczas, gdy zostanie przekroczona nastawiona wartość ograniczająca. Element czujnika z ukrytym ograniczeniem górnego i dolnego zakresu temperatury lub blokadą danej wartości nastawy za pomocą klipsów ograniczających. Termostat wypełniony czynnikiem rozszerzalnym cieplnie.

172 Sterownik programowalny Sterowniki programowalne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers) są komputerami przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego: korzystając z uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie na podstawie wejść analogowych i cyfrowych wykonują programy użytkownika, zawierające zakodowane algorytmy sterowania i przetwarzania danych; generują sygnały sterujące odpowiednie do wyników obliczeń tych programów i przekazują je na wyjścia cyfrowe i analogowe do elementów i urządzeń wykonawczych; · a ponadto mają możliwość:· transmitowania danych za pomocą portów komunikacyjnych;

173 Sterownik programowalny Ogólnym zadaniem sterowników PLC jest: zbieranie pomiarów za pośrednictwem wejść z analogowych i cyfrowych czujników, czy urządzeń pomiarowych transmitowanie danych za pomocą portów komunikacyjnych wykonywanie programów aplikacyjnych na podstawie przyjętych parametrów i danych o sterowanym procesie generowanie sygnałów sterujących, zgodnie z wynikami obliczeń programów i przekazywanie ich do elementów i urządzeń wykonawczych za pośrednictwem wyjść analogowych i cyfrowych

174 Węzły cieplne Węzeł ciepłowniczy - zespół urządzeń połączonych przewodami hydraulicznymi, którego celem jest przekazanie do odbiorców (do budynków lub do wydzielonych pomieszczeń w budynkach) wymaganego strumienia ciepła, dostarczanego do węzła ze źródła ciepła, za pośrednictwem sieci ciepłowniczej. Cel funkcjonowania węzła jest realizowany poprzez: – regulację parametrów nośnika ciepła (temperatura, ciśnienie, strumień masowy), – zabezpieczenie wewnętrznych instalacji odbiorczych, – kontrolę pracy urządzeń węzła, – pomiar zużycia ciepła dostarczanego do odbiorcy. W komunalnych systemach ciepłowniczych nośnikiem ciepła jest najczęściej woda, natomiast sieci parowe mają zastosowanie w niektórych gałęziach przemysłu.

175 Węzły cieplne Wyposażenie węzła Podział urządzeń ze względu na pełnione funkcje: – urządzenia przekazujące ciepło, – urządzenia zapewniające przepływ czynnika, – urządzenia regulacyjne, – urządzenia kontrolno-pomiarowe, – urządzenia zabezpieczające.

176 Węzły cieplne Automatyka regulacyjna węzła Odpowiada za dostarczenie wymaganej ilości ciepła do instalacji c.o. Podział wg. regulowanego parametru: – regulacja ilościowa -zmiana strumienia wody, – regulacja jakościowa - zmiana temperatury zasilania, – regulacja jakościowo-ilościowa - zmiana obu parametrów. Podział wg. temperatury odniesienia – pogodowa - w zależności od temp. zewnętrznej, – pokojowa (pomieszczeniowa) – w zależności od temp. wewnętrznej. Temperatura c.w.u. jest utrzymywana na stałym poziomie, a wielkość chwilowego strumienia ciepła przekazywanego w wymienniku, zależy od aktualnego poboru ciepłej wody użytkowej.

177 Węzły cieplne Automatyka regulacyjna węzła W systemie ciepłowniczym realizowana jest regulacja jakościowa i ilościowa - poprzez zmianę parametrów wody (temperatury i strumienia) w źródle ciepła. W węźle ma miejsce dostosowanie strumienia ciepła do aktualnych potrzeb budynku. W węzłach ciepłowniczych do regulacji strumienia ciepła w obiegu c.o., stosowana jest zazwyczaj regulacja ilościowa, poprzez dławienie strumienia wody sieciowej zasilającej wymiennik (np. zawór ZRco współpracujący z czujnikami te i tzi na rys.), która powoduje zmiany temperatury wody zasilającej instalację c.o. Przy czym najczęściej wykorzystywana jest do tego automatyka pogodowa. Do utrzymania wymaganej temperatury c.w.u., w obrębie węzła, również wykorzystuje się regulację ilościową (zawór ZRcwu współpracujący z czujnikiem tcwu na rys.).

178 Węzły cieplne Automatyka regulacyjna węzła Spis Treści

179 Węzły cieplne Automatyka regulacyjna węzła

180 Termostaty Jeżeli ogrzewanie nie jest wyposażone w automatyczny system regulacji, temperaturę wody kotłowej ustawia się ręcznie na regulatorze popularnie określanym jako termostat kotłowy. Zakres działania termostatu wynosi przeważnie 35 C – 90 C (w nowszych konstrukcjach kotłów niskotemperaturowych do ok. 80 C). Celem regulacji jest dopasowanie ilości wytwarzanego w kotle ciepła do aktualnego zapotrzebowania. Jeżeli moc kotła jest właściwie dobrana, to przy maksymalnej nastawie termostatu kocioł wytwarza tyle ciepła, ile wynosi zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w najmroźniejsze dni sezonu grzewczego.

181 Presostaty. Presostaty serii typu są stosowane m.in. jako ciśnieniowe wyłączniki bezpieczeństwa w kotłach parowych i innych tego typu urządzeniach gdzie wymogi bezpieczeństwa lub konsekwencje ekonomiczne wymuszają stosowanie automatyzacji. Presostaty RT są produkowane od ponad 60 lat. Zakres ciśnień: od 1 do 30 bar Możliwość wymiany styków Dostępne również z pozłoconymi stykami Fail-safe Stała lub ustawialna mechaniczna różnica załączeń Stopień ochrony cewki IP66 Dostępne w wersji z minimum lub maksimum resetem (IP54) Także jako presostaty różnicowe

182 Czujniki temperatury Czujniki służące do pomiaru temperatury: Termopary Czujniki rezystancyjne Czujniki półprzewodnikowe Pirometry Temperatura danego ciała jest wielkością fizyczną, określającą średnią energię kinetyczną jego molekuł. Temperatura należy do najczęściej mierzonych wielkości fizycznych. W zależności od zakresu mierzonej temperatury, wymaganej dokładności, rodzaju badanego obiektu stosuje się odpowiednie metody i przyrządy. Metody pomiaru temperatury dzielimy na: Stykowe Bezstykowe

183 Ciepłomierze Nowoczesne ciepłomierze ultradźwiękowe są przeznaczone do precyzyjnego pomiaru energii w opartych na przesyle wody instalacjach ciepłowniczych, tj. lokalne sieci, stacje wymiennikowe i podstacje. Wzrost wykorzystania technologii ultradźwiękowej do pomiaru ciepła powodowany jest przede wszystkim wysoką dokładnością, minimalnymi kosztami eksploatacji oraz bardzo długim okresem stabilnego pomiaru.

184 UKŁADY AUTOMATYKI W UKŁADACH KLIMATYZACYJNYCH Centrala klimatyzacyjna zawiera niezbędne urządzenia do przetłaczania, czyszczenia, ogrzewania, chłodzenia, nawilżania, i suszenia powietrza. Poza tym należy do niej komora do mieszania powietrza zewnętrznego z powietrzem obiegowym oraz układ służący do odzysku ciepła (odzysku chłodu), czyli do podgrzewania (chłodzenia) powietrza nawiewanego kosztem powietrza usuwanego z obiektu. Zadaniem automatycznego układu regulacji jest samoczynne ustalenie i utrzymywanie na odpowiednim poziomie określonych parametrów. Do regulacji tych parametrów wykorzystuje się jako wielkości pomiarowe wielkości fizyczne z zastosowaniem techniki przetwarzania danych. Wielkość którą zamierza się regulować nazywa się wielkością regulowaną. W technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej regulacją są objęte w szczególności następujące wielkości regulowane: temperatura, wilgotność, i w miarę potrzeb także ciśnienie oraz natężenie przepływu powietrza. Część urządzeń, których działanie zamierza się regulować określa się jako obiekt regulacji. Łącznie z urządzeniem regulacji automatycznej stanowią one zamknięte układy regulacji.

185 Regulacja Regulacja jest procesem, w którym na bieżąco mierzy się wartość określonej wielkości fizycznej i przez porównanie jej z inną wielkością, wywiera się na nią odpowiedni wpływ w celu zrównania ich wartości. Celem regulacji jest więc utrzymywanie wielkości regulowanej na z góry określonej wartości zadanej wielkości. W technice ogrzewniczej wentylacyjnej i klimatyzacyjnej można przytoczyć następujące wielkości zakłócające: wpływ pogody (temperatury zewnętrznej, promieniowania słonecznego i wiatru), wahania temperatury i ciśnienia czynników (zakłócenia temperatury pomieszczeń przez ludzi i maszyny, otwieranie drzwi i okien). W przypadku pomieszczenia klimatyzowanego rozpatrywanego jako obiekt regulacji temperatury jako wielkość sterująca przyjmuje się temperaturę powietrza nawiewanego. Prawidłowe miejsce pomiaru tej temperatury to przewód wywiewny, lub wnętrze pomieszczenia klimatyzowanego. W tym drugim przypadku wskazane jest aby przyrząd pomiarowy znajdował się w strumieniu powietrza zmieszanego, nawiewanego i indukowanego. Taka metoda ma na celu chęć pomiaru temperatury w pomieszczeniu (a nie temperatury powietrza nawiewanego) z dostatecznie małym opóźnieniem.

186 Regulacja W przypadku rozpatrywania pomieszczenia jako obiektu regulacji wilgotności powietrza uprzywilejowanym miejscem jest również przewód wywiewny, jeśli jest to tylko dopuszczalne ze względu na inne przesłanki. Poza tym wielkością sterującą będzie stan powietrza nawiewanego (w celu uchwycenia zachowania się pomieszczenia klimatyzowanego). Mamy w tym przypadku do czynienia z dużo większą liczbą możliwych rozwiązań. Należy bowiem dokonać wyboru jednej z dwóch wielkości regulowanych (φ lub x), to znaczy wilgotności powietrza w pomieszczeniu, która może być mierzona jako wilgotność względna lub wilgotność bezwzględna (zawartość wody). Podczas gdy na wilgotność bezwzględną wpływ ma tylko jedna wielkość, to na wilgotność względną wpływa zarówno zawartość wody, jak i temperatura powietrza. Skutkiem tego może pojawić się niekorzystne sprzężenie między układami regulacji temperatury i wilgotności. Również wielkość sterująca daje dwie możliwość: zmianę wilgotności względnej φ może wywołać zarówno zmiana zawartości wody w powietrzu nawiewanym, jak również zmiana jego temperatury.

187 Regulacja W urządzeniach klimatyzacyjnych stosuje się : pneumatyczne elektryczne układy regulacji. W pierwszych energię pomocniczą dla układu regulacji dostarcza sprężone powietrze, w drugim zaś prąd elektryczny. Urządzenie regulacyjne (regulator) podzielić można na organ: pomiarowy, porównujący nastawiający.

188 Stosowanie pełnej automatyzacji urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych pozwala na: uzyskanie wysokiego komfortu przebywania w pomieszczeniach, w których nawet bez żadnej integracji człowieka zawsze będą utrzymywane zadane parametry powietrza, znaczne oszczędności ekonomiczne związane z eksploatacją urządzeń (literatura podaje że zużycie energii może być zmniejszone nawet o 15%), kontrolę pracy i zabezpieczenie elementów urządzeń przed uszkodzeniami.

189 Regulacja Jakie funkcje spełnia Układy automatyki central klimatyzacyjnych (wentylacyjnych) spełniają więc dwie podstawowe funkcje: Zabezpieczającą Sterującą

190 Funkcje Zabezpieczające Zabezpieczenie: nagrzewnicy wodnej przed zamarznięciem, nagrzewnicy elektrycznej przed przegrzaniem, wymiennik krzyżowy i obrotowy odzysku ciepła przed zeszronieniem, sygnalizowanie stanu awarii, utrzymywanie minimalnej temperatury w pomieszczeniu podczas pracy w okresie czuwania.

191 Funkcje Sterujące Sterowanie parametrami: Regulator programowalny steruje pracą centrali zgodnie z zaprogramowanymi wytycznymi. W zależności od ustawień zegara następuje włączenie centrali do pracy i utrzymywania określonych parametrów, lub przejście zespołu w stan czuwania. Z regulatora sygnał przekazywany jest do: wymienników ciepła (nagrzewnicy elektrycznej, agregatu chłodniczego, załączenia pompy wody i sterowanie siłownikami zaworów nagrzewnicy wodnej lub układu chłodniczego), sterowania siłownikami przepustnic, sterowania nawilżaniem i wymiennikami odzysku ciepła.

192 ELEMENTY AUTOMATYKI STOSOWANE W CENTRALACH KLIMATYZACYJNYCH ORAZ ELEMENTY WSPÓŁPRACUJĄCE Z CENTRALAMI: Kanałowe czujniki i przetworniki temperatury Służą do pomiaru temperatury powietrza nawiewanego, wywiewanego lub zewnętrznego (wewnątrz samej centrali oraz bezpośrednio w kanałach wentylacyjnych. Mogą dostarczać sygnał aktywny 0…10V (przetworniki), lub sygnał pasywny oporowy (czujniki rezystancyjne)).

193 ELEMENTY AUTOMATYKI STOSOWANE W CENTRALACH KLIMATYZACYJNYCH ORAZ ELEMENTY WSPÓŁPRACUJĄCE Z CENTRALAMI: Pokojowe czujniki i przetworniki temperatury Do pomiaru temperatury bezpośrednio w pomieszczeniu Wytwarzać mogą sygnał aktywny bądź pasywny. Wyposażone mogą być w wbudowany nastawnik temperatury formujący sygnał 0…10V. Należy pamiętać o montowaniu czujnika w prawidłowym miejscu (w miejscu reprezentatywnym, z dala od okien, drzwi, w miejscach nienasłonecznionych).

194 Układy Solarne Wprowadzenie Niewyczerpalnym i czystym ekologicznie źródłem energii jest m.in. energia promieniowania słonecznego. Praktycznym przykładem jej wykorzystania jest kolektor słoneczny. W przeciwieństwie do tradycyjnej energetyki, energia słoneczna jest powszechnie dostępna, dlatego najefektywniej może być wykorzystana lokalnie, w miejscu, gdzie występuje zapotrzebowanie na ciepłą wodę, a słonecznych okresach przejściowych na dogrzewanie budynków mieszkalnych. Prawidłowo zaprojektowane i wykonane instalacje solarne mogą pokrywać 50 do 80% rocznego zapotrzebowania na energię cieplną dla podgrzania ciepłej wody użytkowej (CWU).

195 Układy Solarne Serwer wizualizacji Serwer wizualizacji w czasie rzeczywistym pracy systemu solarnego to zestaw zawierający komputer służący do komunikacji z sterownikiem solarnym, wraz z oprogramowaniem służącym do zbierania bieżących parametrów instalacji do bazy danych.Baza danych może znajdować się na komputerze wizualizacji lub na zewnętrzym serwerze posiadającym dostęp do bazy danych MySQL oraz obsługujący PHP w wersji minimum 4.Produkt ten jest oryginalnym systemem monitorowania on-line i wizualizacji pracy układu solarnego. Daje możliwość natychmiastowego reagowania na ewentualne zakłócenia w działaniu instalacji solarnej. Istnieje możliwość podłączenia do serwera telefonu komórkowego w celu informowania o stanie instalacji solarnej oraz do natychmiastowego informowania o stanach niepożądanych w instalacji solarnych. W przypadku posiadania łączą internetowego z własną domeną lub numerem IP zewnętrznym (rutowalnym) dostęp do wizualizacji może odbywać się z dowolnego miejsca na świecie - wystarczy dostęp do komputera połączonego z Internetem. Nadzoruje prawidłową pracę systemu solarnego i alarmuje w razie błędów

196 Układy Solarne Serwer wizualizacji Zalety Nadzoruje prawidłową pracę systemu solarnego i alarmuje w razie błędów Bezobsługowy Dostęp z dowolnego miejsca na świecie Możliwość podłączenia telefonu komórkowego Wykresy z dowolnego dnia, tygodnia, miesiąca, roku... Zbiera wszystkie parametry pracy instalacji solarnej Oblicza zysk energetyczny z dowolnego okresu pracy instalacji solarnej Wizualizacja w czasie rzeczywistym

197 Układy Solarne Układy automatyki zabezpieczającej Urządzeniami zabezpieczającymi obieg solarny są: zawór bezpieczeństwa, naczynie wzbiorcze, manometr, odpowietrznik i zawór zwrotny. Instalacje solarne należy tak projektować i wykonywać, aby zapewnione było samoistne bezpieczeństwo. Oznacza to, że zabezpieczenie i załączanie obiegu solarnego wykonane jest w taki sposób aby również w przypadku dłuższego oddziaływania ciepła na kolektory bez odbioru ciepła ze zbiornika nie dochodziło do niedopuszczalnego wzrostu ciśnienia albo awarii. Gdyby w najgorszym razie doszło do przekroczenia ciśnienia w instalacji solarnej ponad dopuszczalną wartość, otworzy się zawór bezpieczeństwa i nastąpi "opróżnienie" instalacji.

198 Układy Solarne Układy automatyki zabezpieczającej Naczynie wzbiorcze w instalacji solarnej powinno być zastosowane z dwóch zasadniczych powodów: w wyniku ogrzewania się medium roboczego w kolektorach słonecznych dochodzi do zwiększenia się jego objętości, aby nie dochodziło do zwiększenia się ciśnienia w instalacji, ta powiększona objętość musi być przejęta przez naczynie wzbiorcze, jeżeli woda w zbiorniku solarnym osiągnie wymaganą temperaturę, pompa obiegowa wyłączy się i instalacja przejdzie w stan stagnacji. W wyniku działania promieniowania słonecznego temperatura w kolektorach wzrasta nadal a medium grzewcze zaczyna parować. Zadaniem naczynia wzbiorczego jest przejęcie cieczy grzewczej wypchniętej przez parę z kolektorów słonecznych. Tym sposobem ograniczony zostaje wzrost ciśnienia w instalacji.W trakcie wychłodzenia instalacji dochodzi do skraplania pary. W wyniku wyrównania ciśnienia ciecz zacznie ponownie przepływać przez kolektory.

199 Układy Solarne Układy automatyki zabezpieczającej Manometr w instalacji służy do kontrolowania ciśnienia w instalacji i nastawienia ciśnienia wstępnego. Instalacja samoistnie bezpieczna nie powoduje wyrzutu cieczy grzewczej przez zawór bezpieczeństwa również w przypadku postoju instalacji. Zbieranie się powietrza w instalacji solarnej prowadzi do zakłócenia obiegu cieczy grzewczej a w ekstremalnym przypadku do zatrzymania instalacji. Odpowietrzenie pola kolektorów jest więc zagadnieniem dużej rangi. Należy bezwględnie stosować odpowietrzniki przygotowane do pracy w temperaturze do 150°C (metalowy pływak). Zawór zwrotny zabezpiecza przez przepływami grawitacyjnymi w obwodzie kolektorów a co za tym idzie przed rozładowaniem zasobnika solarnego.

200 Układy Solarne Instalacje

201 Bibliografia Pojazdy samochodowe: napęd i sterowanie hydrauliczne, Szydelski Zbigniew Tyminski Automatyka- klimatyzacja automatyka.pdf automatyka.pdf g=pl g=pl Aleksander Szkarowski, Leszek Łatowski Ciepłownictwo Automatyka Ciepłownictwo Sterowanie - ACSE Sp. z o.o. (Shinko Technos, Delta Ohm, Halstrup-Walcher)


Pobierz ppt "T52: Siłowniki - rodzaje, budowa, zasada działania i podstawowe parametry."

Podobne prezentacje


Reklamy Google