WYKŁAD 3
Urządzenia wejściowe
i wyjściowe do sterowników
JANUSZ KWAŚNIEWSKI AGH Katedra Automatyzacji Procesów
2
Budowa toru pomiarowego
Wejście
Przetwornik pomiarowy
Przetwornik wtórny,
przetwornik danych
Wejścia np.:
w module
sterownika
Przetwornik pierwotny,
przetwornik informacji,
czujnik
Linia przesyłowa
y
wyjściowe
y
zmierzone
y
0 zadane
STEROWNIK
Program
ELEMENTY WYKONAWCZE
np. stycznik załączający silnik,
cewka zaworu hydraulicz., itp.
PRZETWORNIK
POMIAROWY
( CZUJNIK )
OBIEKT
STEROWANIA
np. prasa wulkaniz.
MODUŁ
WEJŚĆ
MODUŁ
WYJŚĆ
Algorytm
np. PID
LINIA PRZESYŁOWA
3
Podziały
przetworników
Czujnik a przetwornik
4
Nieprzeciętność czujników
człowieka
Zjawisko przerwy na kawę
(ang. cafe-break effect)
C
u
k
ie
r
c
z
y
s
ó
l?
• Zjawisko przyjęcia
(ang. coctail-party effect)
Ilona Filipek
Zjawisko wysokiego mostu
(ang high-bridge effect)
Zjawisko makro-
mikro
(ang. macro-micro
effect)
Widzi las a nie
widzi drzew
Czujniki (wzroku, słuchu, smaku, węchu itd.)+
zaawansowane przetwarzanie (w oparciu o wcześniejszą wiedzę)
= inteligentny przetwornik
5
Przetworniki
analogowo-amplitudowe,analogowo-
częstotliwościowe, cyfrowe
f
sygnał
o zmiennej
częstotliwości
x
ciągła
zmienna
stanu
PRZETWORNIK ANALOGOWO -
AMPLITUDOWY
u, i
x
PRZETWORNIK NAPIĘCIE / PRĄD
NA CZĘSTOTLIWOŚĆ
b )
a )
f
u, i
x
ciągła
zmienna
stanu
PRZETWORNIK ANALOGOWO -
CZĘSTOTLIWOŚCIOWY
f
x
f
sygnał
o zmiennej
częstotliwości
u, i
ciągły
sygnał
wyjściowy
x
ciągła
zmienna
stanu
PRZETWORNIK PIERWOTNY
u, i
x
PRZETWORNIK WTÓRNY
u, i
u, i
x
ciągła
zmienna
stanu
PRZETWORNIK ANALOGOWO -
AMPLITUDOWY
u, i
x
b )
a )
x
ciągła
zmienna
stanu
PRZETWORNIK CYFROWY
d
x
PRZETWORNIK ANALOGOWO -
CYFROWY
u, i
d
wektor informacji
cyfrowej
wektor informacji
cyfrowej
6
Przetworniki inteligentne
kształtowania charakterystyk przetwarzania często
zdalnego,
automatycznego sterowania procesem porównywania ze
wzorcem,
automatycznego ustawiania zakresu pomiarowego
(samoadaptacji),
zapamiętywania i kompresji danych bez utraty informacji w
określonym przedziale czasu,
wstępnego statystycznego opracowania danych,
sterowania procesem wizualizacji (organizacji pamięci,
ustawiania przecinka, jaskrawości, generowania opisów),
samotestowania (detekcją i diagnostyką błędów),
samonaprawialności,
dwustronnego komunikowania się z innymi
urządzeniami przy użyciu standardowego protokołu–
cecha obowiązkowa we wszystkich inteligentnych
przetwornikach.
7
Inteligentny przetwornik
INTELIGENTNY
PRZETWORNIK
POMIAROWY
PAMIĘĆ ZE STAŁĄ LUB
ZMIENNĄ BAZĄ
WIEDZY
Auto-test
Auto-
kalibracja
Elementy
wykonawcze
Ustawianie
wzmocnień
Przetwornik
analogowo-
cyfrowy
MULTI-
PLEKSERY
WZMAC-
NIACZE
MATRYCA
CZUJNIKÓW
:
:
:
O
B
IE
K
T
M
IK
R
O
PR
O
C
E
SO
R
M
A
G
IS
T
R
A
L
A
8
Cyfrowe przetworniki wejściowe
Łącznik, przełącznik, wyłącznik (ang. switch) - jest podstawowym
elementem każdego pulpitu sterującego. Jego stan zmieniany jest przez
człowieka.
Wyłączniki krańcowe (ang. LS Limit Switch) są odmianą powyższych
łączników - zmieniają swój stan pod wpływem siły wymuszanej przez element
(podzespół) przemieszczający w obiekcie. Najczęstsze położenia są to położenia
skrajne tego elementu, stąd też jego nazwa wyłącznik krańcowy. Maksymalne
częstotliwości elektryczne przełączania są rzędu 30 operacji na minutę.
Czujniki zbliżeniowe (ang. proximity switch): indukcyjne, ultradźwiękowe,
optyczne, pojemnościowe. Mogą one być również wykorzystywane jako
wyłączniki krańcowe, jednak z tą zaletą, że na drodze bezstykowej i bez
ograniczenia liczby niezawodnych załączeń.
Enkodery, przetworniki obrotowo-impulsowe są wykorzystywane do określania
przemieszczenia i prędkości kątowej. Głównym elementem składowym tych
przetworników jest tarcza kodowa. W zależności od jej budowy mamy
odpowiedni typ przetwornika
Zadajniki cyfrowe, skrzydełkowe, rozetowe (ang. thumbwheel switch)
umożliwiają wprowadzanie do sterownika cyfry w zależności od liczby
segmentów zadajnika. Stosuje się wersję z kodem, 1 z 10, ale częściej z kodem
BCD lub zanegowanym BCD
Klawiatury są programowane i podłączane podobnie jak zadajniki cyfrowe
9
Przetworniki obrotowo-impulsowe
krzywki ustawiane
lub montowane
Wyłącznik krańcowy
ŁĄCZNIK
KRZYWKOWY
Czujnik zbliżeniowy
indukcyjny lub optyczny
ENKODER
PRZYROSTOWY
Tarcza metalowa
uzębiona
ENKODER
REWERSYJNY
ENKODER
BEZWZGLĘDNY
tu 4 bitowy
4 odbiorniki światła
8
4
2
1
Musi mieć dwa rzędy
asymetrycznie rozmieszczonych
otworów i dwa czujniki światła,
aby móc wykryć kierunek obrotów.
Ponadto czasami dodaje się czujnik
do określania zerowego położenia.
Tarcza kodowa
10
Podłączenie zadajnika i klawiatury
8 4 2 1
8 4 2 1
8
3
9
COM
Segment 3
cyfra 800
O 1.2
O 1.1
O 1.0
Segment 2
cyfra 30
Segment 1
cyfra 9
I 0.5
I 0.4
I 0.3
I 0.2
MODUŁ WYJŚĆ CYFROWYCH, najlepiej tranzystorowych
MODUŁ WEJŚĆ CYFROWYCH
A
6
2
3
7
B
F
E
1
5
9
D
0
4
8
C
8 4 2 1
COM
O 1.2
O 1.1
O 1.0
I 0.5
I 0.4
I 0.3
I 0.2
MODUŁ WYJŚĆ CYFROWYCH, najlepiej tranzystorowych
MODUŁ WEJŚĆ CYFROWYCH
O 1.0
Niezbędny program do „kroczącej jedynki”
na kolejnych wyjściach cyfrowych
11
Analogowe przetworniki wejściowe
a) Pomiar napięć większych niż zakres wejściowy:
przekładniki napięciowe (wtórna strona 100V),
dzielniki napięcia
U
wej
U
wyj
R
2
R
1
2
1
2
R
R
R
U
wej
wyj
U
R
2
typowo przedziału 10100 k
12
OBCIĄŻENIE lub
PRZETWORNIK
Wyjście
unipolarne
4 20 mA
Do innych
pętli
4 mA
+
-
a)
ZASILACZ
24 V
Wyjście
unipolarne
4 20 mA
b)
UZIEMIONE
OBCIĄŻENIE
ZASILACZ
24 V
Analogowe przetworniki wejściowe
b) Zastosowanie pętli prądowej: 0 do 20 mA i 4 do 20 mA
+U
wej
-U
wyj
R
I
wej
I
wyj
wej
max
wej
I
U
=
R
mA
20
V
5
=
250
R
P=R I
2
=250 0,022=0,01 W
13
c) Pomiar dużych prądów: przekładniki prądowe, boczniki (60 mV)
Analogowe przetworniki wejściowe
U
wyj
C
DZ
R
R
R
R
1
R
2
R S
T
R
+
-
U
wyj
Przykładowo dla przekładnika o mocy 10 VA maksymalna wartość rezystora wynosi:
dla przekładnika o prądzie wtórnym 1 A - 10 /10 W (10 V)
dla przekładnika o prądzie wtórnym 5 A - 0.4 /10 W (2 V)
Przetworniki hallotronowe:
• w układzie otwartym (proste),
• z zerowym strumieniem magnetycznym,
• dwurdzeniowym obwodem magnetycznym.
14
Pomiar i regulacja temperatury
przyrządy rozszerzalnościowe,
termoelementy (ang. thermocouples),
termometry rezystancyjne (ang. RTD
Resistance Thermometers Device),
czujniki półprzewodnikowe,
pirometry i urządzenia termowizyjne.
15
Termoelementy
(termopary, termoogniwa)
E=aT+b(T)
2
+c(T)
3
napięcie Seebecka - nieliniowy
miedź
miedź
metal A
metal B
E
CIEPŁA
SPOINA
ZIMNA
SPOINA
T
1
T
2
50
40
10
20
30
60
0
[mV]
E
500
1000
1500
[ C]
T
E J T
K
R
S
B
16
Typy termopar
Oznaczenie
Rodzaj
termoelement
u
Zakres
C
Zastosowania, uwagi
E
Ni Cr 10 - Cu
Ni
Nikiel chrom -
konstantan
0
900
S
Pt Rh 10 - Pt
platyna rod -
platyna
(platynorod)
0
175
0
Powyżej 1000C do
dokładnych
pomiarów używany
w szczelnych
osłonach
R
Rt Rh 13 - Pt
platyna rod -
platyna
0
175
0
B
Rt Rh 30-Pt Rh
6
platyna rod -
platyna rod
0
180
0
Chemicznie odporny na S;
0 200C nie wymaga
stabilizacji zimnej spoiny
K
Ni Cr - Ni Al.
nikiel chrom -
nikiel
aluminium
(chromel-
alumel)
-100
135
0
Odporny na działanie
atmosfery
utleniającej
J
Fe - Cu Ni
żelazo -
konstantan
-100
700
Stosowany w
atmosferze
redukcyjnej i
utleniającej
T
Cu - Cu Ni
miedź -
konstantan
-100
400
Stosowany w
laboratoriach
17
Sposoby podłączenia
(mostek Wheatstone'a)
termoelementów, tensometrów
TRZY PRZEWODY
Wyjście
Zasilanie
R
1
r
p
Wyjście
Zasilanie
CZTERY PRZEWODY
R
3
R
2
R
4
R
4
R
3
R
2
R
1
r
p
r
p
r
p
r
p
r
p
(R
1
+ r
p
) R
3
=(R
4
+ r
p
) R
2
Zmiany oporności przewodów r
p
nie zaburzają warunku równowagi
(R
1
+ 2 r
p
) R
3
=(R
4
+ 2 r
p
) R
2
Zmiany oporności przewodów r
p
nie zaburzają warunku równowagi
18
Sterowanie
temperaturą
:
dwu- i trójstanowe
urządzenia
grzewcze
włączone
urządzenia
grzewcze i chłodzące
i chłodzące
wyłączone
urządzenie chłodzące
włączone
dolny limit
temperatury
górny limit
temperatury
temperatura
niska temperatura średnia temperatura wysoka temperatura
wartość zadana
t
załączony
wyłączony
histereza=
0,5÷2% zakresu
regulacji
t
Z
ak
re
s
re
gu
la
cj
i
Stan
grzałki
T
19
Sterowanie
temperaturą:
PD i PID
T
przedział proporcjonalności
t
załączony
wyłączony
czas załączenia
okres proporcjonalności
d =
okres proporcjonalności
Stan
grzałki
d 90%
d 50%
d 10%
T
wartość zadana przedział proporcjonalności
t
załączony
wyłączony
Z
ak
re
s
re
gu
la
cj
i
Stan
grzejnika
50% załączony dla
wartości zadanej
t
Wydłużony okres proporcjonalności
T
wartość zadana przedział proporcjonalności
t
Stan
grzejnika
załączony
wyłączony
t
Z
ak
re
s
re
gu
la
cj
i
20
Urządzenia wyjściowe
a)
Elektromechaniczne przekaźniki,
styczniki
Napięcie diody powinno być
co najmniej 3 razy większe
od maksymalnego napięcia
występującego w obwodzie.
21
Ważność sygnalizacji stanu
10
5
15
nominalna wartość prądu
cewki,dławiki,zwalniaki
żarówki żarowe
silniki
przekaźniki
x 1015
x 1020
x 510
x 45
t
I
+ 24V
0
10k/0.5W
10k/0.5W
90250 V
lub
240 k
22
Urządzenia wyjściowe
b)
Przekaźniki półprzewodnikowe.
c)
Solenoidy są wykorzystywane we wszelkiego rodzaju
układach zwalniakowych, zapadkowych itp.
d)
Elektrozawory są podstawowym elementem
automatyki hydraulicznej i pneumatycznej.
e)
Silniki krokowe opisano
f)
Serwomotory powinny się cechować małym
momentem bezwładności, dlatego mają one długie i o
małej średnicy wirniki, a na przedłużeniu wału
umieszczone są w zależności od potrzeb czujniki
pomiaru położenia i obrotów np. hallotronowy czujnik
obrotów lub tarcza obrotowo-impulsowa,
bezszczotkowa lub szczotkowa tachoprądnica
23
Urządzenia wyjściowe
g)
Urządzenia przekształtnikowe (Napędy elektryczne)
• niesterowalne: diody prostownicze (konwencjonalne, szybkie, lawinowe),
• nie w pełni sterowalne (z naturalnym wyłączeniem przy przejściu nap. przez zero):
-jednokierunkowe (tyrystory) i dwukierunkowe (triaki),
• w pełni sterowalne: tranzystory polowe (MOSFET), tranzystory bipolarne (BJT)
oraz tranzystory z izolowaną bramką (ang. IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor)
łączące zalety obu ww. typów
czyli możliwość sterowania sygnałem napięciowym (polowe)
i mają mały spadek napięcia w stanie nasycenia (bipolarne).
Napędy elektryczne dzielimy na:
• napędy prądu stałego
• napędy prądu przemiennego (zmiennego)
24
Napędy prądu stałego
SPS
+
_
R
Prostownik
niesterowany
Przerywacz
stałoprądowy
Filtr
dolnoprzepustowy
t
t
t
S
T
SPS
+
_
Filtr
dolnoprzepustowy
Prostownik
pełnosterowany
R
S
T
a)
b)
25
Napędy prady przemiennego
t
t
t
SPZ
+
_
R
T
S
Prostownik
(+ przerywacz)
Inwerter o regulowanej
częstotliwości f
0200Hz (max.2kHz)
U
Komparator
strumienia
Komparator
momentu
TG
REGULATOR
PID
_
Zadajnik
prędkości
Strumień
rzeczywisty
Moment
rzeczywisty
Selektor
optymalnych
przełączeń
(ADAPTACYJNY)
MODEL SILNIKA
w DSP co 2,5 s
Sprzężenie od
tachogeneratora TG
dla stabilizacji
obrotów
< 0,5% (0,1%)
Hamowanie
strumieniem
Zadajnik
i ogranicznik
momentu
REGULATORY
Obroty
rzeczywiste
a) o sterowaniu skalarnym
(konwencjonalne);
w rozwiązaniu tym utrzymywany jest
stały stosunek pomiędzy napięciem
wejściowym do falownika U
a częstotliwością wyjściową f;
stosowane są one w układach,
gdzie nie wymaga się dużej precyzji kąta
oraz mamy do czynienia
z niewielką dynamiką
(pompy, wentylatory, podajniki),
b) o sterowaniu wektorowym
(strumienia
i ewentualnie momentu);
cechuje je duża precyzja,
doskonała dynamika
i sukcesywnie wypierają
one napędy prądu stałego.
26
Dziękuję za uwagę