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

POZYCJONER

CAM

(ŁĄCZNIK

KRZYWKOWY)

Czujnik zbliżeniowy

indukcyjny lub optyczny

ENKODER

(PRZYROSTOWY)

Tarcza metalowa

uzębiona

ENKODER

INKREMENTALNY,

PRZYROSTOWY

(REWERSYJNY,

WZGLĘDNY)

ENKODER

ABSOLUTNY

(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 (A i B). Ponadto

czasami dodaje się czujnik do
określania zerowego położenia (Z).

Tarcza kodowa

Półprzewodnikowe inkrementalne
enkodery magnetyczne

10

Pomiar prędkości obrotowej oraz położenia osi napędowej. Procesor połączony z
matryca czujników pola magnetycznego, czujników Hall'a, określa położenie linii sił
pola magnetycznego (biegnących pomiędzy biegunami magnesu) względem układu
scalonego.

•Pomiar bezkontaktowy
• Programowalna rozdzielczość w zakresie 7-10 bitów (10 bitów daje 512 impulsów na
obrót, 0,35o na impuls). Są do 4056 impulsów.
• Praca w trybie wyjść kwadraturowych

(dwa przesunięte względem siebie przebiegi prostokątne)

• Praca w trybie impuls/kierunek
• Praca w trybie komutatora silników brushless
• Napięcie zasilania 3,3V oraz 5V
• Synchroniczny szeregowy interfejs komunikacyjny
• Niezalene wyjście PWM, gdzie wypełnienie jest proporcjonalne do kata obrotu
• Niezalene wyjście indeksujące o programowalnej szerokości oraz pozycji
wystąpienia
• Dokładny pomiar przy obrotach dochodzących do 10 tys/min
• Możliwość wykrycia zmiany odległości magnesu od czujnika (wykorzystanie np.
jako przycisk) od 0,5 do 1,8 mm.

Półprzewodnikowe absolutne
enkodery magnetyczne



Do precyzyjnego określenia wartości absolutnej pozycji służy przetwornik magnetyczny MCD firmy Posital. Rejestruje pozycję nawet przy zaniku zasilania.



W wykonaniu jednoobrotowym zapewnia 12-bitową rozdzielczość (4096 rozróżnialnych pozycji). Czujnik w wersji wieloobrotowej rejestruje do 8192 obrotów
(13 bitów). Produkowane są też modele o większej pojemności licznika obrotów.



Aktualne wartości pozycji absolutnej są zapisywane cały czas w pamięci wewnętrznej enkodera, nawet po odłączeniu zasilania, a wyniki pomiaru są
dostępne natychmiast po uruchomieniu czujnika. Wewnątrz enkodera MCD znajduje się drut Wieganda z cewką nawiniętą wokół niego, który wytwarza
energię potrzebną do rejestracji obrotów poprzez ruch obrotowy – nie zachodzi tutaj potrzeba ciągłych obrotów, nie jest też wymagana ich minimalna liczba.

11

12

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

13

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 10100 k

14

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

15

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.

16

Pomiar i regulacja temperatury



przyrządy rozszerzalnościowe,



termoelementy (ang. thermocouples),



termometry rezystancyjne (ang. RTD
Resistance Thermometers Device),



czujniki półprzewodnikowe,



pirometry i urządzenia termowizyjne.

17

Termoelementy

(termopary, termoogniwa)

E=aT+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

18

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 1000C 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  200C 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

19

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

20

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

21

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

22

Urządzenia wyjściowe

a)

Elektromechaniczne przekaźniki,

styczniki

Napięcie diody powinno być
co najmniej 3 razy większe
od maksymalnego napięcia
występującego w obwodzie.

23

Ważność sygnalizacji stanu

10

5

15

nominalna wartość prądu

cewki,dławiki,zwalniaki

żarówki żarowe

silniki

przekaźniki

x 1015

x 1020

x 510

x 45

t

I

+ 24V

0

10k/0.5W

10k/0.5W

90250 V

lub

240 k

24

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

25

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)

26

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)

Napędy
prądu stałego

27

c)

BLDC

PMDC

Silnik
komutatorowy

28

Napędy prądu przemiennego

t

t

t

SPZ

+

_

R

T

S

Prostownik

(+ przerywacz)

Inwerter o regulowanej
częstotliwości f
0200Hz (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.

c) PMAC (PMSM)

synchroniczne

prądu przemiennego z magnesami trwał

ymi.

PMAC (PMSM)

synchroniczne

prądu przemiennego z magnesami trwałymi.

29

W pierwszej strefie regulacji, w zakresie
prędkości obrotowych od zera do prędkości bazowej
n

b

, silnik pracuje przy stałym stosunku napięcia

zasilania do częstotliwości U

1

/f, czyli przy stałym

strumieniu magnetycznym, a moment
elektromagnetyczny T silnika jest w przybliżeniu
liniowo zależny od prądu zasilania I

1

. Jest to obszar

pracy ze stałym momentem.
Przy prędkości bazowej n

b

, napięcie na zaciskach

silnika U

1

osiąga wartość maksymalną U

1max

, jaką

może wygenerować przekształtnik
energoelektroniczny, zasilany np. z baterii
akumulatorów.
Powyżej prędkości bazowej n

b

, silnik pracuje w

drugiej strefie regulacji, w której zwiększenie
prędkości obrotowej możliwe jest dzięki
odpowiedniemu osłabianiu strumienia
magnetycznego w szczelinie powietrznej.
Przy stałej wartości prądu zasilania I

1

, moc

mechaniczna P

m

silnika jest stała w drugiej strefie

regulacji prędkości obrotowej

30

Dziękuję za uwagę