AUTOMATY- ĆWICZENIA-PODGÓRNA

Układy sterowania śrubą stałą

1) Funkcje zdalnego sterowania

Aby nastąpił rozruch silnika wykonujemy następujące czynności (podobnie podczas zmiany kierunku obrotów):

przesterowujemy silnik (praca wstecz czy naprzód),

ustawienie rozdzielacza powietrza (powietrze jest podawane na określone cylindry), podanie paliwa.

Aby to wykonać układ zdalnego sterowania wykonuje kolejno: czeka na zwrotną informację że elementy są w krańcowym położeniu(gdy nie to powietrze nie zostaje podane). Podczas tej fazy realizowane jest wolne obracanie (podanie małej ilości powietrza tak żeby silnik zakręcił 2-3 razy co zapewni podanie dawki oleju na cylindry i tłoki). Gdy to zostanie zrealizowane to układ podaje sygnał do zaworów butli i podawane jest powietrze rozruchowe (30 barów). Układ przygotowuje dawkę paliwa ( silnik musi uzyskać ok 8-12% n_ominalnych). Gdy wystąpi przyrost obrotów odcina się podawanie powietrza rozruchowego i (silnik pracuje ok 6 sek na paliwie rozruchowym) następnie kontynuuje się podawanie paliwa. Teraz dopiero można przekazać informacje o udanym rozruchu i podawać zadaną ilość paliwa.

Sytuacje alarmowe

Układ kontroluje czas podawania powietrza i gdy przekroczy wartość zadaną czasu przewidzianego na rozruch przestaje podawać powietrze. Także gdy silnik pracuje chwilę i gaśnie to układ podejmuje 3 kolejne próby (za każdym razem zwiększając ilość paliwa rozruchowego) a gdy dalej nie ma rozruchu to zgłaszany jest alarm.

2)Programowe obciążanie silnika

Założeniem programowego obciążenia silnika jest niedopuszczenie do przeciążenia termicznego i mechanicznego maszyny. Ponieważ najłatwiej jest przeciążyć momentem obrotowym konieczne jest sterowanie obrotami silnika. Należy także nie dopuścić do pracy silnika na zakresie obrotów krytycznych (obszar zakreskowany) gdyż grozi to wejściem w rezonans i zniszczeniem silnika (a nawet wyrwaniem z fundamentów). Może się zdążyć że są takie dwa zakresy. Prędkość ta musi być przekroczona skokowo. Czas T₁ konieczny jest do wejścia w termiczny reżim pracy i jest on nieregulowany. Czas T₂ powinien być większy od 30 min a jest to związane z naprężeniami termicznymi i dynamicznymi na silniku. Uruchomienie w czasie T₃ jest stosowany w sytuacjach awaryjnych z pominięciem obciążania programowego.

3)Funkcje układu bezpieczeństwa

Układ bezpieczeństwa posiada oddzielne niż układ kontrolny czujniki pomiarowe, monitorujące wszystkie główne parametry pracy silnika. Te parametry to przede wszystkim: olej łożysk głównych (temp. i ciśnienie) , instalacja chłodząca (temp. i ciśnienie), układ wydechowy(temperatura). Może także śledzić szereg innych parametrów. Gdy wystąpi sytuacja awaryjna (np przeciążenie) to podejmowana jest decyzja np wyłączenie silnika. Sytuacje jakie mogą zaistnieć: redukcja przeciążenia - slow down, zatrzymanie silnika - shut down. Dodatkowo stosuje się funkcję z podtrzymaniem czyli po zaistnieniu awarii należy potwierdzić parametr zatrzymujący (awarię).

4) Elementy stanowiska sterowania

Oprócz takich elementów jak manetki telegrafu ,regulatory prędkości obrotowej, obrotomierze, sterowanie sterami strumieniowymi, są także specjalne przyciski Emergency Run i Emergency Stop.

Emergency Run służy do odłączenia układu bezpieczeństwa i programowalnego obciążenia silnika gdy zachodzi taka konieczność (sytuacja awaryjna). Po jego użyciu silnik nie może być zatrzymany przez układ zabezpieczający. Na ogół dotyczy odłączenia wszystkich układów bezpieczeństwa oprócz przekroczenia obrotów o 11% od wartości maxymalnej i rzadziej smarowania łożysk.

Emergency Stop to przycisk pozwalający na zatrzymanie silnika z ominięciem wszystkich modułów pośrednich (układów sterowania silnikiem)

STEROWNIKI PROGRAMOWALNE PLC:

Są wyposażone w układ wejściowy i wyjściowy. Wejściowy w sterownikach o malej mocy obliczeniowej jest to układ binarny. Reaguje na impuls prądu 0 lub +- 24V (0,1). Wejściowy również binarny. W tych układach jednostka centralna, układy 1/0 i zasilacz są w jednej obudowie (8 input i 6 output). Jeden sterownik dużej mocy obliczeniowej załatwia cały system alarmowy statku. Inne sterowniki mogą pracować z sygnałami analogowymi ciągłymi np. (ciśnienia lub napięcia). Sterownik w pamięci posiada algorytm sterowania: FAZY PRACY: 1) sczytuje stan swoich wejść i zapisuje w pamięci. 2) wykonuje swój program na podstawie zapisanych danych, 3) zmienia w pamięci stan wyjść. 4)zmienia fizyczne ustawienia wyjść. 5)powrót do początku.

REGULATORY PNEUMATYCZNE:

Regulatorem w automatyce nazywamy aparat, który wytwarza sygnał sterujący procesem technologicznym.

W regulatorze następuje:--porównanie aktualnej wartości zmiennej kontrolowanej z wartością zadaną tej zmiennej (określenia wartości uchybu regulacji), --wytworzenie sygnału wyjściowego o wartości zależnej od wartości uchybu regulacji, czasu występowania uchybu i szybkości jego zmian. RYSUNEK-1

Sygnał wartości zadanej (porównywany z sygnałem wartości bieżącej) jest wytwarzany z reguły w regulatorze przez tzw. nadajnik wartości zadanej. Nadajnik ten jest częścią IZA. stacyjki sterowania ręcznego stanowiącej przeważnie wydzielony konstrukcyjnie zespół regulatora. W skład stacyjki sterowania ręcznego wchodzą: urządzenia do ręcznego sterowania obiektu, mierniki mierzące wartości, wielkości regulowanej, wartość zadaną, sygnał wyjściowy regulatora oraz przełączniki rodzaju pracy regulatora. Podstawowymi rodzajami pracy są: praca automatyczna i praca ręczna. Odpowiada im sterowanie obiektu sygnałem wyjściowym z regulatora (praca automatyczna) i z nadajnika sygnału sterowanego przez człowieka (praca ręczna).

URZĄDZENIA PNEUMATYCZNE

Wielkość regulowana musi być wprowadzona do regulatora i porównana z wartością zadaną.

Rysunek 2

PP- przetwornik pomiarowy (transmiter), R- regulator, O-obiekt, EW-element wykonawczy.

PODZESPOŁY W PNEUMATYCE

W pneumatycznych urządzeniach automatyki przeważają systemy siłowe, w których porównywanie i porównywanie i sumowanie syg. pneumatycznych odbywa się po uprzednim przetworzeniu ich na sygnały siłowe. Do zmiany ciśnień na siły służą membrany oraz mierniki sprężyste. Mieszki są wykonywane z mosiądzu lub brązu, ich właściwości charakt. to powierz. czynna i sztywność.

Bardzo ważną rolę w urządzeniach pneumatycznych odgrywają stałe i zmienne opory pneumatyczne. Są to elementy ograniczające przepływ powietrza i w związku z tym powodujące spadki ciśnienia. Opór pneumatyczny składa się z dyszy i przesłony, jest stosowany powszechnie tam gdzie istnieje potrzeba zmiany wartości przesunięcia na wartość ciśnienia. Zespół dysza przesłona jest używany zwykle jako pneumatyczny opór zmienny tłumiący wypływ powietrza do atmosfery. Rysunek-4.

Sygnał: 0,2-1,0 bar, zasilanie: 1,4bar, przesuwając przesłonę regulujemy ciśnienie kaskadowe.

MIESZEK SPRĘŻYSTY -RYSUNEK 3,

Wykres dla jednego ustawienia przesłony-dyszy. Doprowadzając powietrze do komory (zbiorników) pneumatycznych otrzymamy człon, którego charakterystykę skokową przedstawi wykres. Charakterystyka ta pokazuje zależność ciśnienia od odl. dysza-przesłona

Rysunek-5

DWA MIESZKI POŁĄCZONE płytką z zaworem pływu. Przez zawór kulkowy wchodzi powietrze zasilające do mieszka dolnego. Działanie na zasadzie bilansu siłowego pomiędzy ciśnieniem kaskadowym a ciśnieniem wyjściowym.

Rysunek 6

PRZETWORNIK: urządzenie informujące regulator o tym co się dzieje z wartością regulowaną. Przetwornik zbudowany jest z czujnika pomiarowego tzn. z tej części układu, na którą bezpośrednio działa wielkość mierzona. Przetworniki pomiarowe są niezbędne ponieważ znaczna różnorodność parametrów mierzonych w różnego rodzaju obiektach powoduje że sygnały wyjściowe też są bardzo różnorodne. Rysunek-7

BUDOWA PRZETWORNIKA:

1-dźwignia i jej ruchoma podpora, 2-wzmacniacz typu dysza, 3-zasilanie, 4-wzmacniacz mocy, 5-wyjście. Układ musi mieć własne sprzężenie zwrotne.

CHARAKTERYSTYKA PRZETWORNIKA POMIAROWEGO:

Rysunek-8

1-regulacja zakresu. 2-dwustopniowe przetwarzanie sygnału, 3-mieszek, 5-regulacje.

Oprócz sprzężenia zwrotnego mamy wewnętrzne sprzężenie zwrotne w przetworniku. Przetwornik zmienia charakter w zależności od czujnika. Rysunek-9

CHARAKTER PRZETWORNIKA W ZALE OD CZUJNIKA

1-ciśnienie/ciśnienie (P/P), 2-różnica ciśnień/ciśnienie (ΔP/P), 3-natężenie prądu/ ciśnienie (strumień elektromagnetyczny)-(I/P)

REGULACJA DWUPOŁOŻENIOWA: to taka regulacja, w której obiekt zasilany jest dwoma poziomami energii- np. max.- zerowym. Do sterowania urz. Wykonawczymi przelicza się syg. błędu w dwuwartościowy syg. sterujący x. Regulator, który to przelicza zwie się dwupołożeniowym. Rysunek-14

CECHY CHARAKTERYSTYCZNE REGULACJI: --wielkość regulowana (stabilizowana) ciągle oscyluje nawet przy braku zakłóceń, --amplituda oscylacji nie zależy od wyboru wartości zadanej między min. a max. zawsze tyle samo, w przybliżeniu można ją wyznaczyć ze wzoru 2A= J_max *τ/2T +H. Średnia wartość regulowana najczęściej nie zgadza się z wartością zadaną, zgadza się tylko gdy y₀=1/2*y_MAX

DZIAŁANIE REGULATORA: (zasada przekształcenia ε w x )

Rysunek-15

Jeśli prostymi sposobami nie da się poprawić jakości do wymaganej to stosujemy regulację dwupołożeniową z korekcją dynamiki. Korekcja ta polega na takim dodawaniu energii do obiektu, aby średnia wartość energii doprowadzonej była na poziomie potrzebnym do utrzymania y₀.

SPOSOBY POPRAWY JAKOŚCI REG DWUSTAWNEJ: --miarą jakości regul. jest amplituda, jakość tym lepsza im ↓ różnica y₀-y_ŚR ,

--jakość tym lepsza im krótszy czas regulacji.

ELEMENTY REGULATORA: 1) STACYJKA OPERACYJNA SKŁADA SIĘ Z: --przełącznika rodzaju pracy: A-regulacja automatyczna, R- sterowanie ręczne. Odpowiada im: sterowanie obiektu sygnałem wyjściowym z regulatora (A) i nadajnika sygnału sterowanego przez człowieka (R). -zadajnika służącego do nastawiania ciśnienia p₀, reprezentującego wartość zadaną wielkości regulowanej. -zadajnika służącego do ręcznego (zdalnego) sterowania położeniem tłoczyska siłownika tzn. otwarciem zaworu. -miernika mierzącego wartości: wielko regulowanej, wartości zadanej, sygnału wyjściowego regulatora. 2)WSKAŹNIK: ukł. skal i wskazówek jest taki, że wart. zadane sąsiadujących ze sobą przyrządów tworzą „zieloną linię” pod którą ukryte są- w przypadku równości wartości rzeczywistych. Z zadanymi- wart rzeczywistych. Jeśli powstają w jakimś obwodzie odchylenia regulacji to czerwona wstążka wskazówka wart. rzeczywistych wysuwa się spod zielonej linii.

BEZUDERZENIOWE: ze sterowania ręcznego i automatycznego lub odwrotnie aby nie wprowadzić skokowej zmiany ciśnienia na element wykonawczy lub inne urządzenie połączone wpływ na rozruch i awarię.

REGULACJA DWUSTAWNA- DWUPOŁOŻENIOWA: rodzaje regulacji: dwustawna, nastawna, krokowa, ciągła

ZASTOSOWANIE: 1) do układów, w których nie wygórowano kryteriów jakości (sprzęt gospodarstwa domowego, motoryzacja, proste ukł. przemysłowe), 2) do stabilizacji temp., napięć, poziomów. 3) do sterowania obiektami inercyjnymi dla których τ/ T ≤0,2, bądź do bardzo wolnych obiektów całkujących.

Rysunek-13

W p.p., pochodna= max- najszybszy wzrost funkcji. Im większe stałe czasowe tym obiekt wolniej zmienia się. Procesy się ustalają jeśli trwają więcej niż 4x stałe czasowe (4x 2÷3mm). Stała czasowa- co najmniej 5 razy większe od τ, jeśli to nie jest spełnione to stosujemy specjalny typ regulacji dwupołożeniowej z korekcją dynamiczną lub regulację ciągłą.

SCHEMAT BLOKOWY UKLADU REGULACJI STABILIZACJI POŁOŻENIA STATKU:

Rysunek-10

Ψ-sygnał wyjściowy- ustawienie kadłuba wzgl. południka, Ψ₀- sygnał kursu zadanego, β- wychylenie płetwy sterowej (rzeczywiste), β₀- zadana wartość wychylenia steru.

RODZAJE STEROWANIA: A-całkowicie automatyczny, R_N- ręczno-nadążne (podstawowe), S_A- sterowanie awaryjne.

REGULATOR KURSU- wyznacza ile należy wychylić ster. MASZYNA STEROWA- urz. wykonawcze, które dzięki energii z zew. może obrócić ster. ŁĄCZE SELSYNOWE- (przetwornik związany z żyrokompasem).

UKŁAD STEROWANIA UMOŻLIWIA: 1) sterowanie ręczne- polega na wychyleniu steru na dowolny kąt. 2) sterowanie automatyczne- umożliwia utrzymywanie statku na stałym zadanym kursie, realizowane po podniesieniu dźwigni manewrowej do góry. 3) Sterowanie rezerwowe- realizowane jest za pomocą przycisków po przełączeniu na sterowanie rezerwowe.

SCHEMAT REGULATORA KURSU:

RYSUNEK-11

β_OP- proporcjonalne wychyl steru, β_OW- wychyle steru proporcjonalne do prędkości kątowej, β_OI- wychyl steru proporcjonalne do całki

KRYTERIUM EKONOMICZNE- w danych warunkach eksploatacyjnych przy stałej dawce paliwa statek powinien płynąć najszybciej . tego kryterium używamy gdy pływamy na wodach nieograniczonych.

KRYTERIUM PRECYZYJNEGO STEROWANIA- sprawdza się je metodami wprowadzania. Skokowych zmian wartości zadanej. Przyjmuje się, że regulator kursu powinien wprowadzać statek na nowy kurs z przeregulowaniem nie większym niż 10% a wprowadzonej poprawki. Średni błąd kursu nie powinien być większy od 1% ΔΨ≤ 1⁰.

Rysunek-12

Działanie wiatru skompensować można poprzez: wyznaczenie poprawki na wiatr, wychylić zero steru na przeciwną burtę.

KRYTERIUM- ZGRUBNA OCENA: 1) --autopilot nie może przeciążyć maszyny sterowej, --nie można spowodować by na skutek jej pracy zagrzała się, --maszynka sterowa produkuje sygnał alarmowy i wtedy należy przejść na sterowanie ręczne. 2) Średnie amplitudy myszkowania: nie powinny być większe od 1⁰ do stanu morza 3; 2-3⁰ do stanu morza 6; nie więcej niż 5⁰ przy wyższych stanach morza. Jeżeli wypada więcej niż 5⁰ to nie możemy pływać autopilotem. Zrealizowanie wybranego kryterium zależy od algorytmu przeliczania błędu kursu.

OGOLNE ZASADY DOBORU NASTAW REGULATORA KURSU:

Właściwości dynamiczne statku nie są stałe, lecz zależne od zakładów, rozmieszczenia statku, od pracy jednej lub dwóch śrub na statkach dwuśrubowych, od głębokości wody... w związku z tym, że nie jest możliwe stałe dobranie optymalnych nastaw regulatora PID nawet dla danego statku, a wszystkie autopiloty mają możliwość nastaw poszczególnych parametrów ukł. regulującego. Możemy regulować: 1) dopuszczalny kąt myszkowania (czyli szer, strefy martwej). 2) współcz. proporcjonalności członu proporcjonalnego. 3) współczynnik ustalający wpływ prędkości odchyleń statku na wyprzedzanie w ruchach steru. ZASADA: im morzez jest bardziej wzburzone tym większe ustawia się wychylenie steru odpowiadające określ.odchyleniom statku od kursu (większy współ. C₁) i mniejszy C₃. współczynnik C₂ nastawia się w zależności od właściwości dynamicznej statku. Równanie regulatora PID:

Y^*= C₁Θ+C₂ ∫ΘdC₃ dQ/dt

Y^*- sygnał zadany o kąt steru, C₁Q- człon proporcjonalny (P),

C₂∫ Qdt- człon całki, C₃dQ/dt- człon różniczkujący, C₁,C₂,C₃- wspól. uwzględniający wpływ po przez nastawę.

---