Regulator przepływu - Politechnika Rzeszowska

Politechnika Rzeszowska
im. Ignacego Łukasiewicza
Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji
Podstawowe pojęcia
z AUTOMATYKI
AUTOMATYKA
Dziedzina nauki zajmująca się analizą i modelowaniem
matematycznym obiektów i układów różnej natury (np.
cieplnych, chemicznych, elektrycznych, mechanicznych,
hydraulicznych, pneumatycznych).
Stworzony model pozwala na zastosowanie teorii sterowania
do stworzenia układu (zwanego regulatorem, sterownikiem,
kontrolerem) sterującego danym obiektem, procesem lub
układem tak, by ten zachowywał się w pożądany sposób.
Automatykę można również zdefiniować jako dziedzinę
wiedzy, która zajmuje się możliwościami wyeliminowania lub
ograniczenia udziału człowieka w czynnościach związanych
ze sterowaniem różnorodnymi procesami, głównie
technologicznymi i przemysłowymi.
AUTOMATYZACJA

Automatyzacja, zjawisko wprowadzania do produkcji przemysłowej, komunikacji,
transportu oraz życia codziennego środków technicznych i urządzeń
automatycznych działających na zasadzie samoregulacji i pracujących bez udziału
człowieka lub przy jego ograniczonym udziale.
Automatyzacja ma na celu całkowite wyeliminowanie bezpośredniego udziału
człowieka w pracy zarówno fizycznej, jak i umysłowej, przy pozostawieniu mu
czynności nadzorczo-kontrolnych. Można podzielić ją na kompleksową i
częściową. Automatyzacja kompleksowa polega na przekazaniu całości funkcji
kierowania procesem specjalistycznym urządzeniom, najczęściej komputerom,
częściowa natomiast pozostawia pewien zakres tych funkcji ludziom. Stopień
przejścia automatyzacji częściowej w kompleksową można zmierzyć stosunkiem
zautomatyzowanych operacji do ogólnej liczby operacji w danym procesie.
Automatyzacja występuje obecnie we wszystkich niemal gałęziach przemysłu na
całym świecie. Podstawowe korzyści z niej wynikające to obniżenie kosztów
produkcji i polepszenie jakości produktów.
Technika regulacji i sterowania
Układ regulacji – układ zamknięty, posiadający ujemne sprzężenie
zwrotne, którego zadaniem jest sterowanie procesem.
Układ regulacji składa się z elementu porównującego (sumator),
regulatora, elementu wykonawczego (zawór, siłownik), obiektu sterowania
oraz układu pomiarowego (czujnik, przetwornik).
Regulacja - jest to czynność, w trakcie której jakąś wielkość fizyczna (np.
temperaturę czy ciśnienie powietrza) mierzy sie na bieżąco, porównuje z
inna wielkością wzorcową i pomimo zakłócających wpływów
zewnętrznych utrzymuje na stałym poziomie lub w określonych granicach
(z dopuszczalną odchyłką).
Układ Automatycznej Regulacji – zespół urządzeń automatyzujących
dany proces czy instalacje.
Elementy i sygnały w UAR
Kady typowy UAR składa sie z następujących elementów składowych:
1 = REGULATOR
2 = CZŁON POMIAROWY
3 = CZŁON WYKONAWCZY
4 = OBIEKT REGULACJI
z = wielkości zakłócające
y = wielkość regulowana
w = wartość zadana
u = wielkość nastawna
wielkości zakłócające
2
Y
OBIEKT REGULACJI
1
W
3
Element porównujący oblicza różnicę między wartością
sygnału zadanego w(t) a wartością sygnału wyjściowego y(t)
otrzymaną z układu pomiarowego poprzez ujemne sprzężenie
zwrotne. Na wyjściu elementu porównującego otrzymujemy
sygnał uchybu e(t). W dobrze zaprojektowanym układzie
regulacji wartość uchybu w stanie nieustalonym powinna być
jak najmniejsza (przeregulowanie), natomiast w stanie
ustalonym powinna być równa 0 (uchyb ustalony). Sygnał z
elementu porównującego jest następnie przekazywany do
elementu wykonawczego, który w odpowiedni sposób
oddziałuje na obiekt. Dodatkowo na regulowany obiekt działać
mogą zakłócenia z(t).
Schemat blokowy UAR
Większość urządzeń, układów i procesów automatycznego sterowania i
regulacji można przedstawić za pomocą schematów blokowych.
Przedstawiają one w postaci graficznej budowę UAR i jednoznacznie
opisują jego działanie (drogę sygnałów) przy znanej zależności między
sygnałem wejściowym i wyjściowym.
sygnał wejściowy
Element
automatyki
Zmiana sygnału
sygnał wyjściowy
Najczęściej stosowane symbole
w schematach blokowych
Połączenia szeregowe
Połączenia równoległe
Sprzężenie zwrotne
Schemat blokowy
Regulacja
Regulacja stałowartościowa
Regulacja nadążna
Regulacja programowa
Jakość regulacji
Właściwości elementów
automatyki
Standardowe wymuszenia
Człon Proporcjonalny
Transmitancja: G(s) = kp
Człon proporcjonalny charakteryzuje sie tym, ze w kazdej chwili jego
sygnał wyjściowy w(t) jest proporcjonalny
do sygnału wejściowego v(t).
w(t) = kp · v(t)
gdzie k jest współczynnikiem wzmocnienia, który dla tego członu jest
równy stosunkowi chwilowych
wartości sygnału wyjściowego do wejściowego.
Po wykonaniu transformacji Laplace’a obu stron możemy wyznaczyć
transmitancje operatorowa G(s).
Poniższa charakterystyka obrazuje odpowiedz członu proporcjonalnego na
skok jednostkowy odpowiedz.
Oznacza to, ze amplituda jest niezmienna w czasie i równa
współczynnikowi wzmocnienia.
Na charakterystyce Nyquist’a można zauważyć pojedyncze punkty
umiejscowione na osi rzeczywistej.
Ich położenie odpowiada dokładnie wartościom współczynnika wzmocnienia k.
Człon całkujący (integrator)
Transmitancja: G(s) = ki/s
W członie całkującym idealnym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do całki
sygnału wejściowego:
co odpowiada równaniu różniczkowemu:
Charakterystyki wykonano dla ki = [1 2 4]
Charakterystyki ilustrujące odpowiedz członu całkującego na skok jednostkowy
stanowią linie proste o współczynniku kierunkowym równym współczynnikowi
wzmocnienia. Charakterystyki logarytmiczne amplitudowe członu całkującego
to proste równoległe opadające z prędkością 20dB/dec. Różnią sie one
położeniem o wartość 20 log( k1/k2).
Charakterystyka amplitudowo-fazowej Nyquist’a to pionowa linia prosta i jej
właściwości nie zależą do współczynnika ki.
Człon różniczkujący
Transmitancja: G(s) = kd · s
Ogólna postać równania idealnego elementu różniczkującego jest
następująca:
Nie jest możliwe narysowanie dla tego członu odpowiedzi czasowej na
skokowe wymuszenie, albowiem odpowiedź ta jest funkcją Diraca.
Dlatego, dla idealnego członu różniczkującego, rozpatrzone będą tylko
charakterystyki częstotliwościowe. Jeśli chodzi o logarytmiczną
charakterystykę amplitudową to stanowią ja proste równoległe
wzrastające z prędkością 20dB/dec. Charakterystyka fazowa jest prostą,
której położenie nie zależy od wartości współczynnika wzmocnienia k.
Dla wszystkich wartości częstości człon
różniczkujący wprowadza stałe przesuniecie fazowe równe 90.
Charakterystyka amplitudowo-fazowa Nyquist’a to pionowa linia prosta, jej
właściwości nie zależą do współczynnika kd. Podobnie jak charakterystyka dla
członu całkującego.
Człon różniczkujący rzeczywisty
Sterowanie układem (regulacja) polega na takim
oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą sygnałów
wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną
wartość.
Sterowanie może być realizowane przy pomocy człowieka sterowanie ręczne lub za pomocą specjalnie skonstruowanego
urządzenia (regulatora) - sterowanie automatyczne.
Sterowanie może odbywać się w układzie otwartym lub
zamkniętym.
Sterowanie w układzie otwartym (ręczne lub automatyczne)
polega na takim nastawie wielkości wejściowej, aby znając
charakterystykę obiektu i przewidując możliwość działania
nań zakłóceń, otrzymać na wyjściu pożądaną wartość.
Sterowanie w układzie zamkniętym (ręczne lub automatyczne)
różni się od sterowania w układzie otwartym tym, że człowiek
lub regulator otrzymują dodatkowo poprzez sprzężenie
zwrotne informacje o stanie wielkości wyjściowej. Informacja
ta jest używana do korygowania nastawu wielkości
wejściowej.
Uchyb ustalony to, w układzie regulacji, różnica między
wartością zadaną sygnału oraz wartością sygnału wyjściowego
w stanie ustalonym. Na całkowitą wartość uchybu ustalonego
wpływa suma uchybu wywołanego zmianą wymuszenia
(sygnału wejściowego do obiektu) oraz uchybu wywołanego
zmianą wartości zadanej.
eu = x(t) − yu = ewu + exu
Uchyb ustalony w praktyce oznacza, że ustalając temperaturę
w pomieszczeniu na wartość 15°C otrzymujemy, w stanie
ustalonym, temperaturę mniejszą od temperatury zadanej.
W celu jego eliminacji stosuje się w układzie człon całkujący
lub, przed układem, szeregowy człon korekcyjny
(prekompensator) o wzmocnieniu równym odwrotności
wzmocnienia układu.
Uchyb regulacji (błąd sterowania) - w układzie regulacji,
różnica między wartością zadaną sygnału oraz wartością
sygnału wyjściowego w stanie nieustalonym.
e(t) = x(t) − y(t)


Przeregulowanie – jeden z parametrów określających
jakość dynamiczną odpowiedzi skokowej otwartego lub
zamkniętego układu automatyki. Może występować w wyniku
niekorzystnych warunków lub złych nastaw regulatora. Zbyt
duże przeregulowanie może doprowadzić w niektórych
przypadkach nawet do zniszczenia układu. Przeregulowanie:
Względne – jest to stosunek wartości drugiego największego
uchybu przejściowego e2 do wartości pierwszego uchybu
przejściowego e1 i wyrażony w procentach.
Bezwzględne - jest to stosunek wartości największego uchybu
przejściowego e1, o zwrocie przeciwnym niż uchyb
początkowy e0, do wartości uchybu początkowego (równego
wartości zadanej) i wyrażony w procentach.
Zakłócenie – niepożądany sygnał zaburzający pracę
układu.
Współczynnik wzmocnienia k - parametr transmitancji
operatorowej, będący stosunkiem wartości zmiany sygnału
wyjściowego do wartości zmiany sygnału wejściowego.
Stała czasowa T – w układzie automatyki, miara
osiągania stanu ustalonego przez sygnał wyjściowy, będąca
czasem trwania stanu nieustalonego w przypadku zmiany
sygnału wejściowego.
Stała opóźniająca T0 – w układzie automatyki, czas od
momentu zmiany sygnału wejściowego do pojawienia się
zmiany sygnału wyjściowego.
Transmitancja operatorowa (funkcja przejścia) stosunek transformaty Laplace'a sygnału wyjściowego Y(s) do
transformaty Laplace'a sygnału wejściowego U(s) przy
zerowych warunkach początkowych:
Transmitancja określa ogólne własności układu o jednym
wejściu i jednym wyjściu, niezależne od rodzaju wymuszenia.
Dla układu wielowymiarowego o r wejściach i m wyjściach
można określić m x n transmitancji wiążących każde wyjście z
każdym wejściem. Transmitancji używa się również dla
uproszczenia obliczeń związanych z projektowaniem układu
złożonego z wielu elementów.
Transformatą Laplace'a funkcji
nazywamy następującą funkcję :
często zapisywaną, zwłaszcza w środowisku inżynierskim, w
następującej formie:
Niech X oznacza przestrzeń funkcji, dla których powyższa
całka (zwana całką Laplace'a) jest zbieżna.
Funkcję
nazywamy
transformacją Laplace'a
Należy zwrócić uwagę na rozróżnienie pomiędzy pojęciem
transformaty, a transformacji Laplace'a. Zgodnie z powyższą
definicją transformacja Laplace'a jest przekształceniem zbioru
funkcji, dla których całka Laplace'a jest zbieżna w zbiór
funkcji zespolonych zmiennej zespolonej. Natomiast
transformata Laplace'a jest jedynie obrazem pewnej funkcji
f(t) przez transformację Laplace'a.
Zespoły wykonawcze w układach
automatyki:
 Sterowniki
 Siłowniki
 Nastawniki
 Przekaźniki
 Zawory
56
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.
57
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.
58
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
59
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.
60
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.
61
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
62
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.
63
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
64
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.
65
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.
66
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
67
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.
68
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.
69
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:
B
| eu |
 Ko
1 K p
gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub
zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora.
70
Regulator P
71
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:

1 

GPI ( s)  K p 1 
T
s
i 

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.
72
Regulator PI
73
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:
GPD ( s )  K p (1  Td s)
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:
| eu |
B
1  K p  Ko
gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub
zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora. [1]
74
Regulator PD
75
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:

1
d (t ) 
U (t )  K p  (t )    (t )dt  Td

T
dt
i


76
Regulator PID
Transmitancja operatorowa idealnego regulatora PID:


1
GPID (s)  K p 1 
 Td s 
 Ti s

Idealne różniczkowanie jest nierealizowalne fizycznie.
Transmitancja operatorowa rzeczywistego regulatora PID:



Td s 
1

GPID ( s )  K p 1 

T
T
s
d

i
s  1


Kd
gdzie:
kp - współczynnik wzmocnienia
Ti - czas zdwojenia
Td - czas wyprzedzenia
s - zmienna zespolona w przekształceniu Laplace'a
Kd - stała różniczkowania
77
Regulator PID
78
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/M73004. 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.
79
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).
80
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.
81
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.
82
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.
83
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.
84
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
85
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°.
86
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
87
W teorii siłowników są używane
następujące podstawowe określenia





Objętość skokowa teoretyczna siłownika Vt jest to objętość cieczy, jaką trzeba
doprowadzić teoretycznie (to jest pomijając straty objętościowe), aby uzyskać pełny
skok H siłownika. Dla cylindra hydraulicznego):
V= AH
[m3]
gdzie:
A — powierzchnia czynna tłoka (m3); 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:
Vrz =Vt +Vstr
[m3]
gdzie Vstr — objętość cieczy tracona w ciągu jednego skoku (straty objętościowe
spowodowane np. przeciekami).
Sprawność objętościowa siłownika ŋvsł jest to stosunek objętości skokowej
teoretycznej do objętości skokowej rzeczywistej:
Siła siłownika Fsł [N] jest to siła otrzymywana na tłoczysku (lub nurniku) siłownika
Prędkość siłownika vsł [m/s] jest to prędkość przesuwu tłoczyska siłownika.
88

Moc wejściowa siłownika Nsł jest to moc doprowadzana do siłownika w postaci energii
hydraulicznej.
Nsł =Qsł (p3 –p4) [W]
gdzie:
Qsł — natężenie przepływu cieczy doprowadzanej do siłownika (m3/s);
p3 — ciśnienie na wejściu (Pa); p4 — ciśnienie na wyjściu (Pa).

Moc wyjściowa siłownika Nesł jest to moc otrzymywana z siłownika w postaci energii
mechanicznej. Można ją określić za pomocą zależności:
Nesł = Fsłvsł
[W]

Sprawność ogólna siłownika ŋsł jest to stosunek mocy wyjściowej siłownika (moc otrzymywana)
do mocy wejściowej (moc doprowadzana):

N esł
N sł
89
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
90
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).
91
Nastawniki - rodzaje
Nastawniki elektromechaniczne i elektromagnetyczne przekształcają
energię elektryczną na mechaniczną.
92
Nastawniki - rodzaje
Nastawniki hydrauliczne i pneumatyczne przetwarzają energię
sprężonego gazu lub cieczy na energię mechaniczną
93
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.
94
Nastawniki - rodzaje
95
Nastawniki - rodzaje
96
Nastawniki - rodzaje
97
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.
98
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.
99
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.
100
Przekaźniki kontaktronowe
Czasy własne zadziałania przekaźników pośredniczących, wykonanych jako
elektromagnetyczne ze zworą przyciąganą, zawierają się zwykle w przedziale 20100 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.
101
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:
102
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).
103
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 elektromagnesu 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.
104
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 Srmin, czyli:
Sr>=Srmin
 Kąt fazowy φ zawarty między wielkościami zasilającymi, czyli prądem i
napięciem, musi mieścić się w zakresie zawartym między granicznymi kątami
rozruchowymi przekaźnika tj. φrmin<= φ<= φrmaks
105
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.: Ur = f(φ) przy I
= const, lub Ir = f(φ) przy U = const.
Charakterystyki rozruchowe przekaźnika
kątowego a) Ur = f(φ) przy I = const
b) Sr = f (φ); α – kąt charakterystyczny
przekaźniak
106
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 ΦU indukuje w
ramce siłę elektromotoryczną. Siła ta
powoduje przepływ prądu Ir w ramce
znajdującej się w polu magnetycznym
wytworzonym przez strumień pochodzącym
od prądu płynącego w uzwojeniach
prądowych przekaźnika ΦI. 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.
107
Przekaźniki kątowe
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).
Zasady działania czujników aktywnych
(generacyjnych) i pasywnych
(parametrycznych).
• aktywny - sygnał wejściowy bezpośrednio przetwarzany w
wielkość wyjściową
y=f(x)
• pasywny -energia sygnału wejściowego przy pomocy energii
dostarczonej z zewnątrz zamieniana na wielkość wyjściową
gdzie  jest parametrem , zależy od x.
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)
Pomiar
ciśnienia
przesunięcia
poł. kontowego
prędkości obrot.
wibracji(drgań)
temperatury
strumienia magn.
Przykład czujników:
anemometr
pojemnościowy
łącze selsynowe
przetwornik fotoelektryczny
tensometry
termopara, termistor
transformatorowe, Halla
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
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;
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
Błędy przetworników pomiarowych .
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:
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
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.
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).
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 - t) ) :
j (w)  - t w
W zaznaczonym strzałką przedziale
przetwornik I rzędu o transmitancji
operatorowej
może być uważany
za niezniekształcający.
Charakterystyki dynamiczne czujników rzeczywistych
• zerowego rzędu :
• pierwszego
rzędu
• drugiego rzędu :
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.
Przetworniki analogowo –
cyfrowe i cyfrowo – analogowe.
 Przetworniki A/C
• Wprowadzenie
• Próbkowanie sygnału
analogowego
• Kwantowanie sygnału
• Sposoby kodowania
• Błędy przetworników
Wprowadzenie
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.
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.
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.
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 bipolarny) 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
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.
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.
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:
X0 – wartość na wyjściu układu kwantującego,
X – wartość sygnału analogowego na wejściu układu,
q – elementarny przedział kwantowania,
ent(x) – część całkowita liczby rzeczywistej.
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.
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.
Sposoby kodowania danych
Naturalny binarny kod pozycyjny
Dowolna, całkowita liczba dziesiętna może być zapisana w naturalnym kodzie dwójkowym w
następujący sposób:
gdzie ak 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 ak = 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.
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.
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.
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.
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.
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 10 - 20 ns.
Metoda kompensacji wagowej
Przetwarzanie polega na kolejnym porównywaniu napięcia przetwarzanego Ui
z napięciem odniesienia Ur 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 nbitowego 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.
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.
Rodzaje przetworników
Biorąc pod uwagę charakterystyczne cechy użytkowe
oraz różnice konstrukcyjne, przetworniki cyfrowoanalogowe możemy podzielić na przetworniki:
*
*
*
z napięciowymi źródłami odniesienia
z przełączaniem prądów;
mnożące
oraz inne rodzaje przetworników.
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.
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.
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.
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 (2n, gdzie n oznacza długość słowa kodowego, może też być
nazywana rozdzielczością przetwornika).
Kształt idealnej charakterystyki przejściowej nie zależy
od liczby bitów przetwornika, a wartość maksymalna Ufs
nie jest nigdy osiągana przez sygnał wyjściowy. Wartość
maksymalna sygnału wyjściowego wynosi:
U max 
2n - 1
2
n
U fs
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.
Parametry charakterystyczne
przetworników
Całkowy błąd przetwarzania określa się korzystając ze wzoru:
U  max (U rz - U k )
gdzie: Urz oznacza rzeczywistą wartość napięcia wejściowego,
Uk przypisaną jej wartością wynikającą z interpretacji zapisu
cyfrowego, zaś funkcję maksimum oblicza się w całym rzeczywistym
zakresie przetwarzania.:
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:
(
)
U max  q 2n - 1
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.
Częstotliwość przetwarzania (Max Sampling Rate) fprz określa
się jako maksymalną liczbę przetworzeń napięcia wejściowego
w wartości zakodowane w jednostce czasu.
Czas przetwarzania Tprz 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:
-1
f prz  Tprz
Praca przetwornika z częstotliwością porównywalną z fprz
wprowadza dodatkowe błędy przetwarzania, których przyczyną są
właśnie procesy przejściowe.
Współczynnik różniczkowej nieliniowości przetwornika
wyznaczamy korzystając z zależności:
r% 
1

max ( i ) 100%
i
przy czym
 i  U i - U i -1
1 n
  i
n i 1
gdzie U0 oznacza początkowe napięcie zakresu przetwarzania a
wartości U1, U2, ..., Un oznaczają napięcia wejściowe przy których
następuje kolejny przyrost o 1 zakodowanej wartości wyjściowej.
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.
Parametry charakterystyczne
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.
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.
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.
Regulatory bezpośredniego działania
• Regulator temperatury
Termostat samochodowy – regulacja
temperatury wody w układzie chłodzenia
silnika
1 – mieszek sprężysty,
2 – grzybek,
3 – gniazdo zaworu
Regulatory bezpośredniego działania
• Zasadniczym elementem regulatora bezpośredniego
działania – zawór regulacyjny:
– Dn – średnica nominalna [mm],
– Kv100 – nominalny współczynnik przepływu
[m3/h],
• Standardowe zawory:
– Dn/Kv100 = 20/5, 25/6.5, 32/12, 40/18, 50/37,
65/54.
Regulatory bezpośredniego działania
• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:
– dla wody lub innych cieczy
• maksymalny współczynnik przepływu Kv(h)max
• Nominalny współczynnik przepływu Kv100:
• Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu
regulacyjnego na podstawie Kv100
Regulatory bezpośredniego działania
• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:
– dla wody lub innych cieczy
• maksymalny współczynnik przepływu Kv(h)max
• Nominalny współczynnik przepływu Kv100:
• Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu
regulacyjnego na podstawie Kv100
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/hmax:
przy maksymalnym
przepływie
przy minimalnym
przepływie
Regulatory bezpośredniego działania
• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:
– dla pary wodnej lub suchego powietrza
• Maksymalny współczynnik przepływu:
gdzie: Gmax – maksymalny przepływ czynnika w obiekcie [kg/h],
mmin=f(p2/p1) - współczynnik wyznaczony z tablic dla maksymalnego
spadku ciśnienia występującego na zaworze regulatora, zmin=f(p1min, 1) –
współczynnik wyznaczony z tablic w zależności od temperatury dla
minimalnego ciśnienia jakie może wystąpić przed zaworem regulatora.
Regulatory bezpośredniego działania
• Kolejność postępowania przy doborze zaworu
regulacyjnego:
– czynnikiem roboczym są pary i gazy
• maksymalny współczynnik przepływu:
gdzie: p1min – minimalne ciśnienie bezwzględne przed zaworem
[Pa], ρ – gęstość gazu przy p1 i Θ=0oC [kg/m3]
Regulatory RTB – cechy szczególne
utrzymuje stałą wartość temperatury
 wysoka jakość regulacji
 nie wymaga konserwacji
 regulacja bez udziału energii zewnętrznej

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.
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.
Komputer w układach
automatycznej regulacji
Cyfrowe układy regulacji.
 Układ sterowania temperatury pieca.



Sterowanie temperaturą w kabinie pasażerskiej
samochodu.
Regulator cyfrowy P i analogowy PI
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).
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
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).
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 komputer. 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
Cyfrowe układy regulacji
temperatury
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
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.
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
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.

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
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
Zadania układów regulacji
• Uogólniony schemat strukturalny układu
sterowania
Zadania układów regulacji
• 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.
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)
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)
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.
Zasady układów regulacji
• Podstawowe zasady sterowania
– Sterowanie w układzie zamkniętym ze
sprzężeniem zwrotnym.
Układ regulacji
jednoobwodowy
Układ regulacji
kaskadowej
Zasady układów regulacji
Układ regulacji z pomiarem zakłóceń
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).
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
Wizualizacja - cele
wykresy
animowane ekrany
raporty
alarmy z instrukcjami
ich usuwania
zanalizowane dane
zmiany nastaw
korekty pracy systemu
usuwanie awarii
Uzasadnienie stosowania
wizualizacji
•
•
•
•
•
lepsza wydajność produkcji
mniejsze zużycie energii
mniejsze koszty
lepszy wgląd w system
szybkie reagowanie w stanach
awaryjnych
• spełnianie norm ISO 9000
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.
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-73022. 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.
186
Zawory - podział
Zawory
Zawory ciśnieniowe
Zawory kierunkowe
Zawory natężeniowe
Zawory bezpieczeństwa
Zawory odcinające
Zawory dławiące
Zawory przelewowe
Zawory zwrotne
Regulatory przepływu
Kolejności działania
Zawory rozdzielcze
Zawory redukcyjne
Zawory różnicowe
Zawory proporcjonalne
187
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.
188
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:
d2
A0  
4
Otwarcie zaworu nastąpi przy ciśnieniu
pod kulką p0 równym: F
p0 
w
A
gdzie FW – siła napięcia wstępnego sprężyny.
189
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
190
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.
191
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:
p01 
Fsw
A
gdzie:
Fsw – siła sprężyny dla położenia
x=0;
A – powierzchnia czołowa suwaka 2.
p – ciśnienie
Q - przepływ
192
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:
p2A-Fs = 0
gdzie Fs — siła sprężyny 2. Stąd:
p2 
Fs
A
193
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 4.13. Uproszczony
warunek równowagi suwaka 1, pomijając siły
tarcia i siły hydrodynamiczne, przedstawia się
następująco:
p1A – p2A – Fs = 0
gdzie:
A – powierzchnia czołowa suwaka 1;
Fs – 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
194
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:
p1A1 – p2A2 = 0
gdzie A1 i A2 – odpowiednie powierzchnie czynne
suwaka 4.
Stąd:
p2 A1

p1 A2
Kanał spływowy 2 ma za zadnie niedopuszczenie
do nadmiernego wrostu ciśnienia p2, jaki mogłyby
wywołać przecieki przez suwak 4, gdyby pobór
cieczy przez odbiorniki z kanału 3 był mniejszy niż
te przecieki.
195
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.
196
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.
197
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.
198
Rozdzielacze suwakowe
199
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
200
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.
201
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:
202
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-73022 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
203
Zawory dławiące
p – ciśnienie
Q - przepływ
204
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.
205
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.
206
Układy automatyki
stosowane w
układach
ciepłowniczych
klimatyzacyjnych ,
solarnych i
grzewczych
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,
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.
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.
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.
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.
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 90-30 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.
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 90-30 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.
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.
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).
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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;
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
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.
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.
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.
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.).
Węzły cieplne
Automatyka regulacyjna węzła
Spis Treści
Węzły cieplne
Automatyka regulacyjna węzła
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.
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
Czujniki temperatury
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
Czujniki służące do pomiaru temperatury:

Termopary

Czujniki rezystancyjne

Czujniki półprzewodnikowe

Pirometry
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Regulacja
Jakie funkcje spełnia
Układy automatyki central klimatyzacyjnych
(wentylacyjnych) spełniają więc dwie podstawowe
funkcje:
 Zabezpieczającą

Sterującą
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.
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.
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)).
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).
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).
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
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
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
.
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.
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.
Układy Solarne
Instalacje
Bibliografia










„Pojazdy samochodowe: napęd i sterowanie hydrauliczne”,
Szydelski Zbigniew
www.danfoss.pl
www.echelon.com
http://www.ztipmc.pk.edu.p
Tyminski „Automatyka- klimatyzacja”
http://www.termen.com.pl/pdf/wezel-cieplny-TMD.pdf
http://www.tehaco.com.pl/pl/produkty-automatyka/Katalogautomatyka.pdf
http://www.solver.katowice.pl/index.php?menu=299&kat=04225&lan
g=pl
Aleksander Szkarowski, Leszek Łatowski „ Ciepłownictwo”
Automatyka Ciepłownictwo Sterowanie - ACSE Sp. z o.o. (Shinko
Technos, Delta Ohm, Halstrup-Walcher)