Podstawowe pojęcia

z

AUTOMATYKI

Politechnika Rzeszowska

im. Ignacego Łukasiewicza

Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji

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

OBIEKT REGULACJI

wielkości zakłócające

1

Y

W

2

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

sygnał wyjściowy

Element

automatyki

Zmiana sygnału

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 k

d

. 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.

e

u

= x(t) − y

u

= e

w

u + e

x

u

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 e

2

do wartości pierwszego uchybu

przejściowego e

1

i wyrażony w procentach.



Bezwzględne - jest to stosunek wartości największego uchybu

przejściowego e

1

, o zwrocie przeciwnym niż uchyb

początkowy e

0

, 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 T

0

– 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.

56

Zespoły wykonawcze w układach

automatyki:



Sterowniki



Siłowniki



Nastawniki



Przekaźniki



Zawory

57

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.

58

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.

59

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

60

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.

61

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.

62

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

63

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.

64

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

65

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.

66

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.

67

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

68

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.

69

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.

70

Regulator P

Regulator P (ang. proportional controller) - w automatyce, regulator składający się z

jednego członu typu P (proporcjonalnego), którego transmitancję określa

wzmocnienie:

Gp(s)=Kp

Na podstawie sygnału podawanego na wejście regulatora, wytwarza on proporcjonalny

sygnał sterujący, przy czym celem jest utrzymanie wartości wyjściowej układu na

pewnym z góry zadanym poziomie, który jest zwany wartością zadaną (dążenie do

eliminacji uchybu regulacji).

Układy regulacji z regulatorem typu P charakteryzują się niezerowym uchybem

ustalonym w przypadku, gdy transmitancja zastępcza układu posiada jedynie

bieguny niezerowe - tym większym im większe jest wzmocnienie regulatora.

Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem:

gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub

zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora.

o

p

u

K

K

B

e







1

|

|

71

Regulator P

72

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:

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.

















s

T

K

s

G

i

p

PI

1

1

)

(

73

Regulator PI

74

Regulator PD

Regulator PD (ang. proportional-derivative controller) - w automatyce, regulator

składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp oraz różniczkującego

D (fizycznie nierealizowalnego) o czasie wyprzedzenia Td. Transmitancję idealnego

regulatora PD określa się wzorem:

Działanie członu różniczkującego przeciwdziała szybkim zmianom sygnału błędu, co

wpływa stabilizująco na działanie układu regulacji. Pozwala to w pewnej mierze na

zwiększenie intensywności działania pozostałych parametrów regulatora.

Regulatory typu PD dają niezerowy uchyb ustalony - tym większy im większe jest

wzmocnienie regulatora. Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem:

gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub

zakłócenia (wówczas B = A·Ko), Kp - wzmocnienie regulatora.

[1]

)

1

(

)

(

s

T

K

s

G

d

p

PD





o

p

u

K

K

B

e







1

|

|

75

Regulator PD

76

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:





















dt

t

d

T

dt

t

T

t

K

t

U

d

i

p

)

(

)

(

1

)

(

)

(







77

Regulator PID

Transmitancja operatorowa idealnego regulatora PID:

Idealne różniczkowanie jest nierealizowalne fizycznie.
Transmitancja operatorowa rzeczywistego regulatora PID:

gdzie:
kp - współczynnik wzmocnienia
Ti - czas zdwojenia
Td - czas wyprzedzenia
s - zmienna zespolona w przekształceniu

Laplace'a

Kd - stała różniczkowania



















s

T

s

T

K

s

G

d

i

p

PID

1

1

)

(

































1

1

1

)

(

s

K

T

s

T

s

T

K

s

G

d

d

d

i

p

PID

78

Regulator PID

79

Siłowniki



DEFINICJA:

Siłowniki hydrauliczne są to w istocie silniki wyporowe dla

ruchu prostoliniowego lub obrotowego ograniczonego. Różnią się

od silników tym, że zamiast ciągłego ruchu wykonują ruchy

zwrotne: posuwisto-zwrotne lub obrotowo-zwrotne. Siłowniki dla

ruchu prostoliniowego są nazywane cylindrami hydraulicznymi,

przy czym ich klasyfikację i terminologię podaje norma PN-73/M-

73004. 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.

80

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).

81

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.

82

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.

83

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.

84

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.

85

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

86

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°.

87

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

88

W teorii siłowników są używane
następujące podstawowe określenia



Objętość skokowa teoretyczna siłownika V

t

jest to objętość cieczy, jaką trzeba

doprowadzić teoretycznie (to jest pomijając straty objętościowe), aby uzyskać pełny

skok H siłownika. Dla cylindra hydraulicznego):

V= AH

[m

3

]

gdzie:

A — powierzchnia czynna tłoka (m

3

); H — skok tłoka (m).



Objętość skokowa rzeczywista siłownika Vrz jest to objętość cieczy, jaką trzeba w

rzeczywistości doprowadzić do siłownika, aby otrzymać pełny skok tłoka H.

Wymienione wyżej zależności wiąże ze sobą następująca zależność:

V

rz

=V

t

+V

str

[m

3

]

gdzie V

str

— objętość cieczy tracona w ciągu jednego skoku (straty objętościowe

spowodowane np. przeciekami).



Sprawność objętościowa siłownika ŋ

vsł

jest to stosunek objętości skokowej

teoretycznej do objętości skokowej rzeczywistej:



Siła siłownika F

sł

[N] jest to siła otrzymywana na tłoczysku (lub nurniku) siłownika



Prędkość siłownika v

sł

[m/s] jest to prędkość przesuwu tłoczyska siłownika.

89



Moc wejściowa siłownika N

sł

jest to moc doprowadzana do siłownika w postaci energii

hydraulicznej.

N

sł

=Q

sł

(p

3

–p

4

)

[W]

gdzie:

Q

sł

— natężenie przepływu cieczy doprowadzanej do siłownika (m3/s);

p

3

— ciśnienie na wejściu (Pa); p

4

— ciśnienie na wyjściu (Pa).



Moc wyjściowa siłownika N

esł

jest to moc otrzymywana z siłownika w postaci energii

mechanicznej. Można ją określić za pomocą zależności:

N

esł

= F

sł

v

sł

[W]



Sprawność ogólna siłownika ŋ

sł

jest to stosunek mocy wyjściowej siłownika (moc otrzymywana)

do mocy wejściowej (moc doprowadzana):

sł

esł

N

N





90

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

91

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).

92

Nastawniki - rodzaje

Nastawniki elektromechaniczne i elektromagnetyczne przekształcają

energię elektryczną na mechaniczną.

93

Nastawniki - rodzaje

Nastawniki hydrauliczne i pneumatyczne przetwarzają energię

sprężonego gazu lub cieczy na energię mechaniczną

94

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.

95

Nastawniki - rodzaje

96

Nastawniki - rodzaje

97

Nastawniki - rodzaje

98

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.

99

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.

100

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.

101

Przekaźniki kontaktronowe

Czasy własne zadziałania przekaźników pośredniczących, wykonanych jako

elektromagnetyczne ze zworą przyciąganą, zawierają się zwykle w przedziale 20-

100 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.

102

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:

103

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).

104

Przekaźniki czasowe

Do uzyskiwania zwłok czasowych przy działaniu

zabezpieczeń stosuje się przekaźniki

pomocnicze czasowe, których czas działania

jest nastawialny. Z chwilą wzbudzenia

przekaźnika następuje obrót zwory elektro-

magnesu powodujący naciąg sprężyny

napędzającej mechanizm zegarowy. Kółko

zębate 1 napędza kółko zębate 2, na osi

którego zamocowany jest zestyk ruchomy.

Utrzymanie stałej prędkości ruchu tego zestyku,

niezależnej od wartości siły naciągu sprężyny F,

jest możliwe dzięki zastosowaniu urządzenia

hamującego złożonego z wychwytu 3 oraz kółek

zębatych 4, 5, 6. Wychwyt 3 jest wyposażony w

ciężarki do regulacji momentu bezwładności, a

więc i stałej czasowej jednego wahnięcia.

Nastawienia żądanego czasu

zadziałania przekaźnika dokonuje się przez

odpowiednie nastawienie przeciwstyku 9, który

może być dowolnie przesuwany wzdłuż

podziałki nastawienia czasu.

105

Przekaźniki kątowe

Przekaźnik kątowy jest to przekaźnik pomiarowy, w którym wielkością pomiarową jest kąt

fazowy między wielkościami zasilającymi, sinusoidalnie zmiennymi. Wielkościami

zasilającymi w przekaźnikach kątowych przeznaczonych do stosowania w układach

jest prąd i napięcie.

Zadaniem przekaźników kątowych jest działanie przy określonym kierunku przepływu

mocy, tj. wielkości proporcjonalnej do wielkości zasilających w obiekcie

zabezpieczonym podczas zwarć.

Od przekaźników kątowych nie wymaga się dokładności pomiaru mocy, natomiast stawia

się im wymaganie dotyczące czułości w stwierdzaniu kierunku jej przepływu. W

związku z tym wymaganiem, przekaźnik kątowy powinien działać w przypadku, gdy

kąt fazowy między wielkościami zasilającymi jest zawarty w zakresie granicznych

kątów rozruchowych przekaźnika. Granicznymi kątami rozruchowymi przekaźnika

kątowego nazywa się najmniejszą i największą wartość kąta fazowego przy

określonych wartościach obydwu wielkości zasilających, które mogą doprowadzić do

zadziałania przekaźnika. W myśl tej definicji, warunki rozruchu przekaźnika kątowego

można sprecyzować następująco:



Tzw. Moc rozruchowa przekaźnika, proporcjonalna do iloczynu prądu i napięcia;

musi być nie mniejsza od minimalnej mocy rozruchowej przekaźnika S

rmin

, czyli:

S

r

>=S

rmin



Kąt fazowy φ zawarty między wielkościami zasilającymi, czyli prądem i

napięciem, musi mieścić się w zakresie zawartym między granicznymi kątami

rozruchowymi przekaźnika tj. φ

rmin

<= φ<= φ

rmaks

106

Przekaźniki kątowe

Charakterystyka rozruchowa przekaźnika

kątowego jest to zależność wartości

rozruchowej jednej z wielkości

zasilających – przy stałej wartości

drugiej wielkości zasilającej – od kąta

fazowego φ zawartego między tymi

wielkościami, czyli np.: U

r

= f(φ) przy I

= const, lub I

r

= f(φ) przy U = const.

Charakterystyki rozruchowe przekaźnika
kątowego a) U

r

= f(φ) przy I = const

b) S

r

= f (φ); α – kąt charakterystyczny

przekaźniak

107

Przekaźniki kątowe budowa

Przekaźniki posiada dwa oddzielne obwody

prądowy (1) i napięciowy (2). Każdy obwód

złożony jest z dwóch uzwojeń umieszczonych

na przeciwsobnych nabiegunnikach rdzenia

(3). Przy przepływie prądu przez uzwojenia

wytwarzane są strumienie magnetyczne w

osiach wzajemnie prostopadłych do

płaszczyzny rysunku. Strumień magnetyczny

wytworzony przez prąd płynący w

uzwojeniach napięciowych Φ

U

indukuje w

ramce siłę elektromotoryczną. Siła ta

powoduje przepływ prądu I

r

w ramce

znajdującej się w polu magnetycznym

wytworzonym przez strumień pochodzącym

od prądu płynącego w uzwojeniach

prądowych przekaźnika Φ

I

. W wyniku

oddziaływania tego pola na prąd płynący w

ramce powstaje moment obrotowy

wychylający ramkę w kierunku zależnym od

kierunku przepływu mocy. Wychylenie ramki

powoduje zmianę położenia styku ruchomego

zestyku przełączanego (5), przez co uzyskuje

się zamknięcie jednego i otwarcie drugiego

obwodu sterowniczego.

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

• pasywny -energia sygnału wejściowego przy pomocy energii

dostarczonej z zewnątrz zamieniana na wielkość wyjściową

y=f(x)

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

Przykład czujników:

ciśnienia

anemometr

przesunięcia

pojemnościowy

poł. kontowego

łącze selsynowe

prędkości obrot.

przetwornik fotoelektryczny

wibracji(drgań)

tensometry

temperatury

termopara, termistor

strumienia magn.

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

Błąd podstawowy definiuje się jako największe

odchylenie rzeczywistej charakterystyki statycznej od
charakterystyki pożądanej

Błąd nieliniowości. Nieliniowość charakterystyki definiuje

się jako największe odchylenie rzeczywistej

charakterystyki statycznej od charakterystyki idealnej

w postaci linii prostej .

Błąd nieliniowości określa wyrażenie:

Błędy przetworników pomiarowych .

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

.

• Wprowadzenie
• Próbkowanie sygnału

analogowego

• Kwantowanie sygnału
• Sposoby kodowania
• Błędy przetworników

 Przetworniki A/C

Większość urządzeń pomiarowych lub rejestratorów

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

Wprowadzenie

Sygnały dyskretne - próbkowane pod względem czasu powstają przez
próbkowanie sygnałów analogowych w dyskretnych przedziałach czasu
bez kwantowania amplitudy.

Sygnały kwantowane są sygnałami dyskretnymi pod względem
amplitudy, przyjmującymi skończoną liczbę stanów.

Sygnały cyfrowe uzyskuje się, gdy sygnał wejściowy jest próbkowany
w dyskretnych przedziałach czasowych, zaś amplituda jest kwantowana
na dyskretne poziomy ze zbioru
wartości dopuszczonego przez konkretne urządzenie. Sygnały te są
określone przez dobrze zdefiniowane poziomy nazywane poziomami
logicznymi. W urządzeniach cyfrowych są to zazwyczaj dwa poziomy,
odpowiadające cyfrom 0 oraz 1 w kodzie binarnym.

Przetwarzanie ciągłego sygnału analogowego na sygnał cyfrowy polega
na dyskretyzacji sygnału w czasie czyli jego próbkowaniu,
dyskretyzacji wartości sygnału czyli kwantowaniu oraz na kodowaniu
tak uzyskanego sygnału dyskretnego.

Z punktu widzenia projektanta i użytkownika

skomputeryzowanego systemu pomiarowego istotny jest
wybór przetworników w taki sposób, aby ich parametry
odpowiadały przewidywanej dla nich klasie zastosowań.
Jedną z takich cech charakterystycznych przetwornika A/C
jest rodzaj stosowane kodu. Pozostałymi parametrami są:
fizyczny charakter sygnału analogowego (uni- bądź bi-
polarny) i dopuszczalny zakres jego zmian na wejściu
przetwornika.

Do najważniejszych parametrów charakteryzujących

możemy zaliczyć:
• rzeczywisty zakres przetwarzania,
• całkowy błąd przetwarzania,
• współczynnik różniczkowej nieliniowości przetwornika
• częstotliwość przetwarzania

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:
X

0

– 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 a

k

jest indywidualnym stanem bitu, mogącym przyjmować tylko wartość 0 lub 1. Kod ten

umożliwia reprezentację tylko liczb ułamkowych nieujemnych, stąd też jest to kod unipolarny.

Kod, w którym każdej jego pozycji jest przyporządkowana określona waga, tzn. podstawa 2 z
potęgą 20 do 2n lub 2-1 do 2-n, nazywa się kodem ważonym. Wartość liczbowa takiego kodu
jest równa sumie wag na tych wszystkich pozycjach, dla których a

k

= 1, pozwala zatem wyrazić

całkowite wartości liczbowe z zakresu [0; 2n -1].

Niedostatkiem naturalnego binarnego kodu pozycyjnego jest to, że liczba 0 ma w nim dwie
różne reprezentacje kodowe, oraz fakt, że dodanie według zasad arytmetyki binarnej dwóch
niezerowych liczb o przeciwnych znakach a jednakowej wartości bezwzględnej nie daje w
wyniku wartości zerowej.

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 U

i

z napięciem odniesienia U

r

wytwarzanym w przetworniku c-a. W pierwszej

kolejności następuje porównanie napięcia wejściowego z połową napięcia
pełnego zakresu przetwarzania. Rezultat tego porównania ustala w rejestrze
wartość cyfrową najstarszego bitu słowa wyjściowego oraz wartość
najstarszego bitu wejścia przetwornika c-a. W przypadku przetwornika n-
bitowego pełny cykl przetwarzania obejmuje n porównań.

Zaletą jest możliwość
budowania przetworników
wielobitowych o dużej
szybkości

przetwarzania

, gdyż

czas przetwarzania jest równy
nT, gdzie T jest czasem jednego
cyklu porównania. Można
uzyskać wartość T rzędu 100ns.

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 cyfrowo-
analogowe 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 (2

n

, 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 U

fs

nie jest nigdy osiągana przez sygnał wyjściowy. Wartość
maksymalna sygnału wyjściowego wynosi:



dla przetwornika unipolarnego. Dla wygody i prostoty
definicji zakres przetworników definiuje się jako zakres
nominalny, nie zaś jako rzeczywistą wartość maksymalną
sygnału wyjściowego wytwarzanego przez przetwornik.

fs

n

n

U

U

2

1

2

max

-



Parametry charakterystyczne

przetworników

Całkowy błąd przetwarzania

określa się korzystając ze wzoru:

gdzie: U

rz

oznacza rzeczywistą wartość napięcia wejściowego,

U

k

przypisaną jej wartością wynikającą z interpretacji zapisu

cyfrowego, zaś funkcję maksimum oblicza się w całym rzeczywistym
zakresie przetwarzania.:

(

)

k

U

U

-





rz

U

max

Rzeczywisty zakres przetwarzania

(Maximum Working Voltage)

jest to wartość napięcia wejściowego, której odpowiada maksymalna
wartość zakodowana na wyjściu przetwornika (przy założeniu, że
najniższej wartości zakodowanej odpowiada punkt początkowy
zakresu przetwarzania). Jeśli q oznacza skok kwantowania (zdolność
rozdzielczą przetwornika) zakładając, że jest on stały w całym
zakresie przetwarzania, a symbolem n – liczbę znaków w wyrazie
kodowym, to dla przetwornika o idealnej (równomiernej)
charakterystyce rzeczywisty zakres przetwarzania dany jest wzorem:

lość kanałów

(Number of Channels) – Ilość sygnałów

analogowych które karta pomiarowa jest w stanie przetworzyć.

Dopuszczalne napięcie na wejściu

(Overvoltage Protection) –

najwyższe napięcie jakie może być przyłożone do karty bez jej
uszkodzenia. Zwykle podaje się dwie wartości: dla karty zasilonej
i nie zasilonej.

( )

1

2

max

-



n

q

U

Częstotliwość przetwarzania

(Max Sampling Rate) f

prz

określa

się jako maksymalną liczbę przetworzeń napięcia wejściowego
w wartości zakodowane w jednostce czasu.

Czas przetwarzania

T

prz

jest to czas upływający pomiędzy

momentem podania na wejściu przetwornika sygnału inicjującego
odczyt napięcia a momentem ustalenia się na wyjściu zakodowanej
wartości napięcia.
Ze względu na to, że każdy akt przetworzenia napięcia w kod
cyfrowy

powoduje

powstanie

krótkotrwałego

procesu

przejściowego, zachodzi nierówność:

Praca przetwornika z częstotliwością porównywalną z f

prz

wprowadza dodatkowe błędy przetwarzania, których przyczyną są
właśnie procesy przejściowe.

1

-



prz

prz

T

f

Współczynnik różniczkowej nieliniowości

przetwornika

wyznaczamy korzystając z zależności:



przy czym





gdzie U

0

oznacza początkowe napięcie zakresu przetwarzania a

wartości U

1

, U

2

, ..., U

n

oznaczają napięcia wejściowe przy których

następuje kolejny przyrost o 1 zakodowanej wartości wyjściowej.







n

i

i

n

1

1





1

-

-



i

i

i

U

U



( )

%

100

max

1

%





i

i

r





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.

Wyjście analogowe może być scharakteryzowane poprzez jego
rodzaj (możemy mieć wyjścia napięciowe lub prądowe), polaryzację,
zakresy napięć lub prądów.

Parametry statyczne to:
• dokładność bezwzględna (lub błąd dokładności bezwzględnej),
•dokładność względna,
•błąd przesunięcia zera,
•błąd skalowania,
•współczynniki termiczne zera i skali,
•rozdzielczość względna lub bezwzględna.

Parametry charakterystyczne

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:

– D

n

– średnica nominalna [mm],

– K

v100

– nominalny współczynnik przepływu

[m

3

/h],

• Standardowe zawory:

– D

n

/K

v100

= 20/5, 25/6.5, 32/12, 40/18, 50/37,

65/54.

Regulatory bezpośredniego działania

• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:

– dla wody lub innych cieczy

• maksymalny współczynnik przepływu K

v

(h)

max

• Nominalny współczynnik przepływu K

v100

:

• Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu

regulacyjnego na podstawie K

v100

Regulatory bezpośredniego działania

• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:

– dla wody lub innych cieczy

• maksymalny współczynnik przepływu K

v

(h)

max

• Nominalny współczynnik przepływu K

v100

:

• Wybór regulatora oraz wyznaczenie średnicy zaworu

regulacyjnego na podstawie K

v100

Regulatory bezpośredniego działania

• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:

– dla wody lub innych cieczy

• sprawdzenie czy dobrany zawór regulacyjny działa w

całym zakresie przepływu

• stopień otwarcia zaworu h/h

max

:

przy maksymalnym

przepływie

przy minimalnym

przepływie

Regulatory bezpośredniego działania

• Kolejność postępowania przy doborze zaworu regulacyjnego:

– dla pary wodnej lub suchego powietrza

• Maksymalny współczynnik przepływu:

gdzie: G

max

– maksymalny przepływ czynnika w obiekcie [kg/h],

m

min

=f(p

2

/p

1

) - współczynnik wyznaczony z tablic dla maksymalnego

spadku ciśnienia występującego na zaworze regulatora, z

min

=f(p

1min

, 

1

) –

współczynnik wyznaczony z tablic w zależności od temperatury dla
minimalnego ciśnienia jakie może wystąpić przed zaworem regulatora.

Regulatory bezpośredniego działania

• Kolejność postępowania przy doborze zaworu

regulacyjnego:

– czynnikiem roboczym są pary i gazy

• maksymalny współczynnik przepływu:

gdzie: p

1min

– minimalne ciśnienie bezwzględne przed zaworem

[Pa], ρ – gęstość gazu przy p1 i Θ=0

o

C [kg/m

3

]

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 kom-

puter. CAS wartość zadająca zdalna; 10)

przycisk przełącznik kanałów kwitowanie

alarmów; // przyciski 12) przycisk zmiany

reżimu pracy: U.I — przycisk zwiększanie

wartości wielkości wyjściowej: 11.2) przycisk

zmniejszanie wartości wielkości wyjściowej:

14.1) kieszonka na tabliczkę wielkości

fizyczne: 14.2) kieszonka na tabliczkę —

symbol obwodu

Cyfrowe układy regulacji
temperatury

Regulatory znajdują szerokie zastosowanie

w wielu gałęziach przemysłu np. do

regulacji temperatury w piecach

przemysłowych, suszarniach, w

maszynach do przetwórstwa tworzyw

sztucznych oraz innych urządzeniach w

układach automatycznej regulacji.

Cyfrowe regulatory temperatury RGT 105

(analogowa nastawa) RGT450

przeznaczone są do regulacji i stabilizacji

temperatury w różnych urządzeniach i

układach automatycznej regulacji.

RGT 105

RGT450

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

• Uogólniony schemat strukturalny układu

sterowania

Zadania układów regulacji

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

wykresy

animowane ekrany

raporty

alarmy z instrukcjami
ich usuwania

zanalizowane dane

zmiany nastaw
korekty pracy systemu
usuwanie awarii

Wizualizacja - cele

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

.

186

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.

187

Zawory - podział

Zawory

Zawory ciśnieniowe

Zawory kierunkowe

Zawory natężeniowe

Zawory bezpieczeństwa

Zawory przelewowe

Kolejności działania

Zawory redukcyjne

Zawory odcinające

Zawory zwrotne

Zawory rozdzielcze

Zawory dławiące

Regulatory przepływu

Zawory różnicowe

Zawory proporcjonalne

188

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.

189

Zawory przelewowe jednostopniowe



Zawory przelewowe kulkowe należą do

najprostszych typów zaworów przelewowych.

Ciecz pod ciśnieniem doprowadzana jest pod

kulkę. Gdy siła wynikająca z ciśnienia

działającego na określoną powierzchnię kulki

1 przewyższy siłę sprężyny 2, kulka uniesie

się otwierając przepływ cieczy. Powierzchnia

rzutu na płaszczyznę prostopadłą do osi

zaworu części kulki, na którą działa ciśnienie

w okresie, gdy zawór jest zamknięty, wynosi:

Otwarcie zaworu nastąpi przy ciśnieniu

pod kulką p

0

równym:

gdzie F

W

– siła napięcia wstępnego sprężyny.

4

2

0

d

A





A

F

p

w



0

190

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

191

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.

192

Zawory kolejności działania

Przykład schematu budowy zaworu

kolejności działania pokazano na

rysunku. Na element sterujący zaworu

(suwak 2) działa tu nie różnica ciśnień za

i przed zaworem (jak w zaworze

przelewowym), lecz ciśnienie przed

zaworem. Ciśnienie otwarcia zaworu

wynosi:

gdzie:

F

sw

– siła sprężyny dla położenia

x=0;

A – powierzchnia czołowa suwaka 2.

A

F

p

sw



01

p – ciśnienie
Q - przepływ

193

Zawory redukcyjne

Zawory redukcyjne służą do ustalania ciśnienia za

zaworem niezależnie od ciśnienia panującego przed

zaworem, przy czym ciśnienie za zaworem jest

zawsze mniejsze lub co najwyżej równe ciśnieniu

przed zaworem. Zawory tego rodzaju pozwalają na

zasilanie odbiorników pracujących na niskie

ciśnienie z instalacji wysokiego ciśnienia. Pod

względem liczby dróg dzielą się na dwudrogowe i

trzydrogowe, a pod względem liczby stopni na

jedno- i dwustopniowe.

Na suwak 1 działa z lewej strony siła sprężyny 2, a

z prawej strony siła wynikająca z działania ciśnienia

p2 za zaworem na powierzchnię czołową A suwaka.

Uproszczone równanie równowagi suwaka (z

pominięciem sił tarcia i sił hydrodynamicznych) jest

następujące:

p

2

A-F

s

= 0

gdzie F

s

— siła sprężyny 2. Stąd:

A

F

p

s



2

194

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:

p

1

A – p

2

A – F

s

= 0

gdzie:

A – powierzchnia czołowa suwaka 1;

F

s

– siła sprężyny

Charakterystyka zaworu różnicowego jest w

zasadzie tak sama, jak zaworu przelewowego, z

tym że zamiast ciśnienia występuje tu różnica

ciśnień przed i za zaworem. W punkcie B

następuje otwarcie zaworu.

p – ciśnienie
Q - przepływ

195

Zawory ciśnieniowe proporcjonalne

Zadaniem zaworu proporcjonalnego jest
utrzymywanie stałego stosunku ciśnienia na wejściu
i wyjściu zaworu. Uproszczone równanie sił
działających na suwak 4 (z pominięciem sił
hydrodynamicznych i sił tarcia) jest następujące:

p

1

A

1

– p

2

A

2

= 0

gdzie A

1

i A

2

– odpowiednie powierzchnie czynne

suwaka 4.

Stąd:

Kanał spływowy 2 ma za zadnie niedopuszczenie
do nadmiernego wrostu ciśnienia p

2

, jaki mogłyby

wywołać przecieki przez suwak 4, gdyby pobór
cieczy przez odbiorniki z kanału 3 był mniejszy niż
te przecieki.

2

1

1

2

A

A

p

p 

196

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.

197

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.

198

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.

199

Rozdzielacze suwakowe

200

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

.

201

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.

202

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:

203

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

204

Zawory dławiące

p – ciśnienie
Q - przepływ

205

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.

206

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.

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).

Spis Treści

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

Czujniki służące do pomiaru temperatury:



Termopary



Czujniki rezystancyjne



Czujniki półprzewodnikowe



Pirometry

Temperatura danego ciała jest wielkością fizyczną, określającą średnią

energię kinetyczną jego molekuł.

Temperatura należy do najczęściej mierzonych wielkości fizycznych. W

zależności od zakresu mierzonej temperatury, wymaganej dokładności, rodzaju
badanego obiektu stosuje się odpowiednie metody i przyrządy.

Metody pomiaru temperatury dzielimy na:
•Stykowe
•Bezstykowe

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/Katalog-
automatyka.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)