ELEMENTY UKŁADU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI

Wprowadzenie

Typowa struktura jednowymiarowego układu zamkniętego automatycznej regulacji przedstawiona jest na rys. S-I.1. Obok obiektu regulacji występują w niej zawsze, w mniej lub bardziej rozbudowanej formie, trzy elementy:

• układ pomiarowy,

• regulator,

• element wykonawczy.

Rys. S-I.1. Typowa struktura jednowymiarowego układu regulacji

Układ pomiarowy dostarcza informacji o stanie obiektu regulacji. W przypadku jednowymiarowego obiektu, będzie to wartość wielkości regulowanej.

Regulator ma za zadanie na podstawie informacji o stanie obiektu oraz wartości zadanej wypracowywać na bieżąco sygnał sterujący, minimalizujący uchyb regulacji.

Element wykonawczy jest urządzeniem, poprzez który regulator według zadanego algorytmu sterowania wpływa na obiekt regulacji. Tym sposobem realizowany jest fizycznie sygnał sterujący.

Z technicznego punktu widzenia układ automatycznej regulacji może być układem:

• elektrycznym (elektronicznym),

• hydraulicznym,

• pneumatycznym (pneumonicznym),

• mechanicznym.

Najczęściej jest układem mieszanym.

Ogólne uwagi o obiektach regulacji

W technice istnieje bardzo dużo różnego rodzaju obiektów, które podlegają lub mogą podlegać sterowaniu. Przykładami obiektów regulacji są: turbina parowa, kocioł parowy, silnik elektryczny, silnik spalinowy, zbiornik cieczy, piec elektryczny lub gazowy, obrabiarka sterowana numerycznie oraz wiele innych, w których występuje zależność wielkości wyjściowej od wejściowej.

Omówimy jedynie najprostsze obiekty regulacji, zawierające jedną wielkość wejściową - sterowanie u (lub u^*), jedną wielkość wyjściową (regulowaną) y oraz zakłócenie z. Centralnym zagadnieniem obiektów regulacji jest odpowiednie dopasowanie obiektu do układu regulacji automatycznej, co sprowadza się do sterowania obiektu w co najmniej trzech układach pokazanych na rys. S-I.2. Można również odwrócić zagadnienie i przedstawić jako zadanie najlepszego dopasowania układu regulacji automatycznej do obiektu o właściwościach podanych na rys. S-I.2.

Rys. S-I.2. Podstawowe sposoby przyłączenia obiektu do układu automatycznej regulacji: a) najprostszy układ; b) układ z pomocniczą wielkością wyjściową (regulacja kaskadowa); c) układ z dodatkową wielkością zakłócającą wprowadzaną do regulatora (otwarty lub otwarto-zamknięty układ regulacji)

Najprostszy obiekt regulacji zawiera tylko jedną wielkość wejściową u sterującą obiektem, oraz jedną wielkość wyjściową, regulowaną y, którą jednocześnie doprowadza się do regulatora, jako źródło informacji o stanie obiektu - rys. S-I.2a. Drugi układ, rys. S-I.2b, różni się od poprzedniego dodatkową pomocniczą wielkością wyjściową y_p doprowadzoną do regulatora z obiektu regulacji. Dzięki temu istnieją dwa źródła informacji o stanie obiektu. Daje to możliwość realizacji tzw. kaskadowych układów regulacji. W trzecim układzie (rys. S-I.2c), do regulatora jest podawana dodatkowa informacja o wartości zakłóceń z. Daje to możliwość realizacji otwartych układów regulacji lub układów otwarto-zamkniętych. Oczywiście w zależności od przyjętego układu obiektu regulacji musi być odpowiednio dopasowany układ regulacji automatycznej. Trzeba się jednak zastrzec, że nie zawsze jest możliwe doprowadzenie do regulatora dodatkowej wielkości pomocniczej y_p oraz zakłócenia z.

Obiekty jednowymiarowe ze względu na możliwość lub niemożliwość wyznaczenia charakterystyki statycznej dzielą się na dwie grupy: na obiekty statyczne i na obiekty astatyczne.

Statyczne obiekty regulacji są układami fizycznymi o schemacie strukturalnym, jak na rys. S-I.2, w którym można wyznaczyć charakterystykę statyczną wielkości wyjściowej, regulowanej y w zależności od wielkości wejściowej, sterowania u w stanie ustalonym, tzn., gdy
. Krótko można powiedzieć, że są to takie obiekty regulacji, dla których istnieje charakterystyka statyczna

Przykładami statycznych obiektów regulacji są maszyny elektryczne, jeżeli wielkością wyjściową (regulowaną) y jest siła elektromotoryczna, lub napięcie albo prąd a także prędkość kątowa wirnika, zaś wielkością wejściową (sterowaniem) u jest inny prąd lub napięcie podawane do maszyny elektrycznej. Innym przykładem może być złożony obwód elektryczny RLC, w którym występuje zależność pomiędzy wielkością wyjściową napięcia, prądu lub mocy a wielkością wejściową - zasilaniem obwodu. Kolejny przykład to wszelkiego rodzaju obiekty cieplne.

W obiektach statycznych zachodzi zjawisko samowyrównywania.

Astatyczne obiekty regulacji są układami fizycznymi, w których nie istnieje charakterystyka statyczna. Przykładem obiektu astatycznego jest silnik elektryczny, w którym wielkością wyjściową, regulowaną jest położenie kątowe wirnika silnika elektrycznego a wielkością wejściową, sterowaniem jest prąd lub napięcie zasilające. W obiekcie regulacji tego rodzaju nie można wyznaczyć charakterystyki statycznej, ponieważ wielkość wyjściowa y - kąt położenia wirnika jest całką wielkości wejściowej u - prądu lub napięcia zasilania.

Innym przykładem obiektu astatycznego jest zbiornik cieczy, w którym wielkością wyjściową y jest poziom cieczy h, a wielkością wejściową u jest natężenie dopływu cieczy Q.

Rys. S-I.3. Przykłady obiektów regulacji : a) piec elektryczny; b) zbiornik cieczy; c) prądnica

Piec elektryczny jako obiekt regulacji jest przedstawiony na rys. S-I.3a. W obiekcie tym sterowaniem u jest moc wydzielana w grzejniku R, wielkością regulowaną y jest temperatura Θ a zakłóceniem z jest temperatura otoczenia Θ_z . W podobny sposób działa chłodziarka, w której zamiast grzejnika R jest doprowadzone chłodziwo, proporcjonalne do dostarczonej mocy elektrycznej P. Na rys. S-I.3b jest przedstawiony zbiornik cieczy, w którym sterowaniem u jest dopływ cieczy Q₁, wielkością regulowaną y jest poziom cieczy h, a zakłóceniem z jest odpływ Q₂. Jako trzeci przykład, na rys. S-I.3c jest pokazana prądnica jako obiekt regulacji, w której sterowaniem u jest prąd I_w wzbudzenia prądnicy, wielkością regulowaną y jest napięcie U twornika prądnicy, natomiast zakłóceniem z jest obciążenie R. Łatwo zauważyć, że szczegółowe rysunki obiektów (rys. S-I.3) odpowiadają strukturalnym znaczeniom obiektów przedstawionych na rys. S-I.2.

Dla zwiększenia uniwersalności poszczególnych modułów układu i umożliwienia wykorzystywania ich do sterowania różnych (praktycznie dowolnych) procesów, a także w celu stworzenia możliwości realizacji układów mieszanych stosowana jest pewna unifikacja rozwiązań. W szczególności przejawia się ona w przyjęciu pewnych standardów dotyczących poziomów sygnałów wejściowych i wyjściowych typowych bloków automatyki.

I tak:

• w układach elektrycznych do przesyłania informacji w postaci analogowej przyjęto poziomy:

• dla sygnałów napięciowych - 0÷5V, 0÷10V,-5÷+5V

• dla sygnałów prądowych - 0÷5mA, 0÷20mA, 4÷20mA

Typowe napięcie zasilania - 24V

• w układach pneumatycznych: 0,2÷1,0 atm.

Typowe ciśnienie zasilania - 1,4 atm.

Ćw. S-I.1

UKŁADY POMIAROWE

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problemami pomiarowymi w układach automatycznej regulacji (UAR), z obowiązującymi w tym zakresie standardami, sposobami rozwiązywania niektórych problemów pomiarowych i tendencjami rozwoju.

Zadanie do wykonania

1. Zapoznać się szczegółowo z programowalnym przetwornikiem temperatury KFAP 2201

2. Zapoznać się szczegółowo z programowalnym przetwornikiem temperatury UP420 (wychwycić różnice pomiędzy obydwoma typami przetworników)

3. Zapoznać się z możliwościami i przeznaczeniem Kalibratora INMEL 60

Uwaga ! Zadanie zrealizować w oparciu o dokumentację techniczną w/w urządzeń.

PODSTAWY TEORETYCZNE

Sterowanie i regulacja zaczyna się od pomiaru. Tylko w układach otwartych sygnał sterujący zmienia się według z góry ustalonego programu np. w zależności od czasu, bez względu na rzeczywistą wartość wielkości wyjściowej. W układach zamkniętych regulacji, tj. zarówno w układach programowych, układach regulacji nadążnej (układy śledzące), jak i w układach regulacji stałowartościowej (układy stabilizujące) dla wypracowania sygnału sterującego x (rys. S-I.1) konieczna jest informacja o uchybie regulacji ε będącym różnicą pomiędzy tym co chcemy uzyskać (wartością zadaną w) a tym co w danej chwili mamy (wartością wyjściową y).

Praktyczna realizacja UAR często oparta jest o rozbudowany moduł regulatora, który oprócz funkcji regulacyjnej, pełni również funkcję zadajnika wartości zadanej oraz bloku porównującego wartość zadaną w z wartością pomierzoną y*. Innym razem zadajnik wielkości zadanej w i sumator (blok porównujący) stanowią oddzielny element UAR. Niezależnie od rozwiązań konstrukcyjnych dla wyliczenia bieżącej wartości uchybu regulacji

konieczna jest znajomość bieżącej wartości wielkości regulowanej. Informacji tej dostarcza układ pomiarowy UP.

Miejsce układu pomiarowego w układzie automatyki pokazane jest na rys. 1.1, na którym wg Polskich Norm oznaczono pomiary temperatury. Pomiary innych wielkości fizycznych zaznaczono na rysunku symbolicznie.

W elektrycznych układach automatyki pomiary wielkości regulowanej y upraszczają się znacznie, ponieważ w całym układzie występują te same wielkości fizyczne, jak prąd, napięcie, rezystancja elektryczna i inne. Dlatego jako elementy pomiarowe znajdują zastosowanie różnego rodzaju dzielniki napięcia, czwórniki, obwody rezonansowe, mostki pomiarowe, transformatory, autotransformatory i inne elektryczne elementy pomiarowe znane z elektrotechniki.

Rys. 1.1. Miejsce elementu pomiarowego w układzie regulacji automatycznej oraz oznaczenia symboliczne elementów pomiarowych

Własności każdego czujnika pomiarowego, niezależnie od jego zasady działania są przedstawiane przede wszystkim za pomocą charakterystyki statycznej czujnika

Oprócz tego każdy element określany jest klasą dokładności przetwarzania jednej wielkości w drugą, która określa dokładność pomiarową czujnika. W Polsce klasy dokładności są następujące: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4 - oznaczają one procentową dokładność pomiaru danej wielkości y za pomocą danego elementu pomiarowego.

Ponadto każdy czujnik pomiarowy jest charakteryzowany zakresem przetwarzania jednej wielkości w drugą, w którym to zakresie jest utrzymywana dana dokładność pomiarowa czujnika.

Następną cechą czujników pomiarowych są właściwości dynamiczne najczęściej przedstawiane za pomocą stałych czasowych czujnika, rzadziej za pomocą charakterystyk częstotliwościowych.

Najczęściej stosowane w automatyce czujniki pomiarowe.

Elementy pomiarowe - czujniki są określane wg normy PN-64/52003 jako przyrządy pomiarowe pierwotne. W normie tej podaje się nazwę elementu i jego symbol. Ponadto przytaczane są przykłady stosowania elementów pomiarowych, gdzie wg normy określa się nazwę pomiaru i symbol.

Ze względu na rodzaj mierzonej wielkości nieelektrycznej rozróżnia się wiele typów czujników pomiarowych różniących się zasadą działania, zakresem pomiaru, dokładnością, konstrukcją oraz wielkością i postacią sygnału pomiarowego. Obecnie w nowoczesnych urządzeniach automatyki przyjęte jest posługiwanie się zunifikowanymi, standardowymi sygnałami pomiarowymi. Stosowanie takiego podejścia umożliwia przekształcanie różnych wielkości fizycznych w zastępcze standardowe wielkości elektryczne, o zunifikowanych zakresach. Z kolei umożliwia to produkcję przyrządów (urządzeń elektronicznych, wzmacniaczy itp.) o standardowych wielkościach wejściowych i wyjściowych, dopasowanych do regulatorów, rejestratorów, mierników i zastosowania ich w dowolnych pożądanych układach pomiarowych.

Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi obejmują następujące wielkości fizyczne i chemiczne:

1. Pomiary temperatury. Spośród elektrycznych metod pomiarów temperatury najbardziej odpowiednie są pomiary wykonywane za pomocą czujników typu termometrów oporowych oraz ogniw termoelektrycznych.

Termometry oporowe są stosowane do pomiaru temperatury w zakresie od -200°C do +800°C.

Zasada działania oparta jest na znanym prawie fizycznym, według którego rezystywność (oporność elektryczna) danego metalu zmienia się w dużym przybliżeniu w stałym stosunku w funkcji zmiany temperatury.

Termometry oporowe w zasadzie powinny być zasilane ze źródła napięcia stałego stabilizowanego. Zmiana temperatury drutu oporowego termometru oporowego wywołuje określoną zmianę wartości rezystancji w obwodzie elektrycznym, co można zmierzyć dowolną metodą elektryczną, np. mierząc wartość rezystancji za pomocą mostka Wheatstone'a. Znając wykres lub zależność R = kΘ oraz zależność prądu I lub napięcia U od R, odczytując następnie wartość I lub U w układzie pomiarowym, można wprost określić temperaturę Θ, ponieważ U = f [R(Θ)].

Dla ilustracji na rys. 1.2 jest przedstawiona typowa charakterystyka termometru oporowego platynowego (Pt), który służy do pomiaru temperatury Θ w zakresie od -200°C do 800°C.

Rys. 1.2. Charakterystyka statyczna Rys. 1.3. Charakterystyki statyczne

y^* = f(y) czyli R_Pt= f (Θ) termometru trzech termoelementów: 1. Fe - Konstan.;

oporowego platynowego (Pt) 2. NiCr - Ni; 3. PtRh-Pt

Termometry termoelektryczne są stosowane do pomiarów temperatury w zakresie od -200°C do +1800°C z dokładnością ±1,5% maksymalnej wartości zakresu pomiarowego. Pomiar temperatury metodą termoelektryczną jest oparty na znanym zjawisku powstawania siły elektromotorycznej w miejscu spojenia dwóch różnych metali, np. żelaza i konstantanu, pod wpływem różnicy temperatury między miejscem pomiarowym - spoiną (gorącymi końcami) a końcówkami przewodów termoelementu, umiejscowionymi w stałej temperaturze odniesienia: otoczenia lub termostatu. Różnica temperatur powoduje powstanie sem (siły elektromotorycznej), której wartość jest w przybliżeniu wprost proporcjonalna do różnicy temperatur oraz zależy od rodzaju zastosowanych w termoelemencie metali. Jako temperaturę odniesienia przyjmuje się w praktyce następujące wartości temperatury: 0°C, 20°C lub 50°C. Obecnie produkowane są również układy scalone zapewniające automatyczną kompensację temperatury zimnych końców termoelementu.

Jako typowy przykład wartości sem w funkcji temperatury Θ termometrów termoelektrycznych często stosowanych w automatyce, na rys. 1.3 zostały pokazane trzy charakterystyki statyczne sem = f (Θ) odpowiednich termoelementów. Charakterystyki zostały wyznaczone przy temperaturze odniesienia Θ₀ = 0°C. Jak widać z wykresów, największą wartość sem przy temperaturze 900°C uzyskuje się dla termoelementu Fe - konstantan. Jej wartość nie przekracza 60 mV. Pozostałe charakterystyki o mniejszych wartościach sem na końcu zakresu pomiarowego stają się nieliniowe, co wyraźnie widać na rys. 1.3.

2. Pomiary ciśnień (manometria).

Pomiary te obejmują szeroki zakres wartości ciśnień: od pomiaru próżni (próżniomierze, wakuometry) do ciśnień bardzo wysokich (różnego rodzaju manometry). Większość stosowanych próżniomierzy i manometrów służy do pomiarów statycznych i do tej kategorii elementów pomiarowych zaliczyć można: manometry hydrostatyczne, manometry pływakowe, dzwonowe, manometry typu wagi pierścieniowej, manometry puszkowe, mieszkowe, przeponowe, tłokowe oraz manometry ze sprężyną rurkową (Bourdona). Wszystkie wymienione rodzaje manometrów charakteryzują się dużą stałą czasową i dlatego praktycznie nadają się do pomiarów statycznych lub bardzo wolno zmiennych przebiegów dynamicznych.

Dla przebiegów o małych stałych czasowych a więc szybko zmiennych są stosowane manometry elektryczne. Podczas pomiaru ciśnienia metodą elektryczną jest wykorzystywanych kilka zjawisk fizycznych, w których wielkość fizyczna ciśnienia p jest przetwarzana na wielkość elektryczną, jak np. na siłę elektromotoryczną, na zmianę rezystancji elektrycznej lub na zmianę indukcyjności. W ostatnich latach są stosowane coraz częściej czujniki magnetostrykcyjne, w których pod wpływem ciśnienia (siły) następuje zmiana indukcyjności. Czujniki tego rodzaju wymagają zasilania prądem przemiennym i są nazywane presduktorami.

W dużym zakresie pomiarów ciśnień są również stosowane czujniki działające na zasadzie powstawania siły elektromotorycznej w kryształach kwarcu pod wpływem ciśnienia. Elementy pomiarowe tego rodzaju noszą nazwę piezoelektrycznych i charakteryzują się bardzo małymi stałymi czasowymi.

3. Pomiary położenia kątowego - drogi i przesunięcia.

W wielu obiektach regulacji wielkością wyjściową, regulowaną y jest położenie kątowe, droga albo przesunięcie. Pomiary wymienionych wielkości są spotykane w serwomechanizmach, obrabiarkach sterowanych, w kopiarkach i innych urządzeniach automatyki. Ponadto mogą one służyć do pośrednich pomiarów innych wielkości fizycznych, jak np. siły, ciśnienia, prędkości oraz przyśpieszenia, dlatego odgrywają one bardzo dużą bardzo ważną rolę w automatyce.

Położenie kątowe może być mierzone metodą elektryczną za pomocą łącza selsynowego lub potencjometru obrotowego. Układ zawierający potencjometr obrotowy jest zasilany napięciem stabilizowanym. Bezpośrednią wielkością mierzoną w takim układzie jest kąt istniejący w obiekcie regulacji; wartość tego kąta jest przekazywana mechanicznie na suwak potencjometru obrotowego. Warto zaznaczyć, że zakres pomiarowy kąta przy stosowaniu potencjometrów wieloobrotowych może wynosić
, przy czym n ≤ 10.

Czujniki tensometryczne oporowe mogą służyć do pomiaru przesunięcia liniowego, jednak ich działanie wymaga stosowania pewnej siły F. Oprócz tensometrów do pomiaru przesunięcia liniowego rzędu mikrona lub ułamka mikrona są stosowane czujniki indukcyjne lub pojemnościowe. W porównaniu z czujnikami indukcyjnymi, czujniki pojemnościowe są bardziej stabilne i niezawodne w działaniu.

4. Pomiary prędkości obrotowej, liniowej i przyspieszenia liniowego.

Często w obiektach regulacji zachodzi potrzeba pomiaru prędkości obrotowej n [obr/min], prędkości liniowej v [m/s] i przyspieszenia liniowego a [m/s²]. Szczególnie w automatyce napędów, obrabiarkach i innych obiektach dokładne pomiary powyższych wielkości mechanicznych mają decydujące znaczenie ze względu na dokładność pracy i stabilność układów automatyki. Istnieje wiele sposobów pomiarów prędkości obrotowej n. Do najważniejszych elementów pomiarowych prędkości obrotowej n należą prądnice tachometryczne prądu stałego i mierniki cyfrowe prędkości obrotowej.

Pomiar prędkości obrotowej n wirujących elementów mechanicznych , jak np. wałów silników, jest dokonywany często za pomocą czujnika tachometrycznego będącego w zasadzie bardzo małą prądnicą. Przy zastosowaniu odpowiednich przełożeń można dokonywać pomiarów prędkości obrotowej w zakresie od kilkuset do 100 000 obr/min przy dokładności lepszej niż 1%. Działanie prądnicy tachometrycznej oparte jest na wykorzystaniu zasady powstawania siły elektromotorycznej prądu stałego lub przemiennego proporcjonalnej do prędkości obrotowej magnesu stałego lub elektromagnesu (wzbudzenie obce).

Oprócz tachometrów prądu stałego znajdują również zastosowanie tachometry prądu przemiennego. Działają one z większą niezawodnością i nie wnoszą zakłóceń komutatorowych. Tachometry prądu zmiennego wymagają niekiedy układów prostowniczych.

Coraz częściej do bardzo dokładnych pomiarów prędkości obrotowej są stosowane tachometry cyfrowe.

Prędkość liniową lub kątową łatwo jest zmierzyć, np. za pomocą tachometru prądu stałego. Następnie, łącząc wyjście tachometru z wejściem analogowego członu różniczkującego, można otrzymać na wyjściu członu wartość przyspieszenia. W celu uzyskania położenia liniowego l lub kątowego α wystarczy połączyć wyjście tachometru z analogowym członem całkującym, na wyjściu którego otrzymuje się l lub α.

Oprócz wyżej wymienionych pomiarów podstawowych wielkości fizycznych występujących w automatyce, jak temperatura, ciśnienie, położenie, prędkość, przyśpieszenie, dokonywanych metodami elektrycznymi, przeprowadza się wiele pomiarów innych wielkości fizyko-chemicznych. Można zatem wymienić pomiary przepływu, poziomu, wilgotności, analizy gazów, cieczy, poziomów stężeń (wartość pH) i energii. W wielu publikacjach z dziedziny miernictwa wielkości nieelektrycznych i automatyki można znaleźć wiadomości zarówno na temat metod pomiarowych jak i elementów oraz przyrządów pomiarowych.

Obecnie najczęściej stosowanymi rozwiązaniami UAR są układy elektryczne lub mieszane, tzn. elektryczny + np. część hydrauliczna lub pneumatyczna (nieelektryczna część najczęściej odnosi się do elementu wykonawczego).

Pomimo istnienia kilku standardowych zakresów sygnałów elektrycznych w warunkach przemysłowych najczęściej stosuje się sygnał prądowy 4… 20 mA lub odwrócony 20… 4 mA.

Sygnał prądowy jest bardziej odporny na zakłócenia przemysłowe od sygnału napięciowego. Zerowa wartość sygnału może świadczyć albo o poziomie wielkości mierzonej, któremu odpowiada zerowa wartość sygnału, albo o przerwie w obwodzie pomiarowym; dla uniknięcia takiej niejednoznaczności nie wykorzystuje się zerowego poziomu sygnału dla przesyłania informacji o mierzonej wielkości. Zerowa wartość sygnału przez niektóre układy pomiarowe jest interpretowana jako uszkodzenie linii pomiarowej.

Na dzień dzisiejszy obserwuje się (przynajmniej na rynku Europejskim) ujednolicenie funkcjonalne i konstrukcyjne układów pomiarowych. Powszechnie stosuje się inteligentne, programowalne przetworniki pomiarowe, zadaniem których jest przetworzenie sygnału z współpracującego z nim czujnika pomiarowego na standardowy sygnał prądowy.

Opiszemy dwa takie przetworniki.

Programowalny przetwornik temperatury UP420

Główne cechy

• Uniwersalne wejście programowane

• Wysoka dokładność

• Montaż na szynie 35 mm lub głowicy czujnika

• Linearyzacja charakterystyki

• Kompensacja wewnętrzna lub zewnętrzna

• ISO 9001

Opis

UP420 przeznaczony jest głównie do współpracy z rezystancyjnymi i termoelektrycznymi czujnikami temperatury do zdalnego pomiaru, rejestracji lub regulacji temperatury w układach automatyki przemysłowej. Może być stosowany również do pomiaru i przetwarzania rezystancji i napięcia.

Przetwornik charakteryzuje się:

• linearyzacja charakterystyki czujnika temperatury w pełnym zakresie,

• cyfrowym przetwarzaniem wielkości wejściowej (rezystancja, napięcie, temperatura), na proporcjonalny standardowy sygnał wyjściowy prądowy 4 … 20 mA lub odwrócony 20 … 4 mA,

• możliwością przeprogramowania z jednego typu wielkości mierzonej i zakresu pomiarowego na inny,

• programowany może być na dowolny podzakres pomiarowy (ograniczony jedynie minimalną szerokością podzakresu)

• pomiar może być przeprowadzony z kompensacją wewnętrzną lub zewnętrzną zimnych końców (termoelementy), albo z kompensacją lub bez wpływu rezystancji przewodów doprowadzających (linia trójprzewodowa, dwuprzewodowa),

• wysoką dokładnością w pełnym zakresie temperatury otoczenia,

• zwarcia i przerwa w obwodzie czujnika powoduje osiąganie przez przetwornik granicznych wartości sygnału wyjściowego,

• przetwornik UP-420 przystosowany jest do montażu w głowicy czujnika temperatury

Programowanie przetwornika odbywa się przy pomocy komputera PC i przystawki programującej PPUP.

DANE TECHNICZNE PRZETWORNIKA UP-420

Wielkość mierzona (przetwarzana)	temperatura, rezystancja, napięcie
Czujnik współpracujący	Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500, Ni1000 Cu100, Cu500, Cu1000, B, J, K, N, R, S, T wg PN
Typ kompensacji	wewnętrzna lub zewnętrzna (Pt 100 kl. A)
Podłączenie czujnika rezystancyjnego	linia 2- lub 3-przewodowa
Sygnał wyjściowy	4… 20 mA lub 20… 4 mA, linearyzacja temperat.
Maksymalny prąd wyjściowy	< 22 mA
Minimalny prąd wyjściowy	około 3.5 mA
Napięcie zasilania	Uz = 8.5… 36 V DC
Rezystancja obciążenia obw. wyjściowego	Robc = (Uz - 8.5 V)/0.02 A
Temperatura otoczenia	-10… +70°C
Nominalna temperatura spoin odniesienia	20°C
Wpływ zmian rezystancji obciążenia obwodu	<±0,15%/0,5kΩ
Wpływ zmian temperatury otoczenia	<±0,2%/10°C
Wpływ zmian napięcia zasilania	<±0,15%/10V
Wpływ rezystancji linii trójprzewodowej przy przewodach symetrycznych	<10Ω niema wpływu
Błąd kompensacji zimnych końców	<±1°C
Pobór mocy	<1 W
Tłumienie	0, 10, 17, 25 s

ZAKRESY POMIAROWE I DOKŁADNOŚĆ

Wielkość mierzona	Charakterystyka termometru elektrycznego	Zakres pomiarowy	Minimalna szer. zakresu pomiar.	Błąd przetwarzania bp
Temperatura	Pt100, Pt500, Pt1000 Ni100, Ni500, Ni1000 Cu100, Cu500, Cu1000 K J T N S R B	°C -200 do 650 -50 do 200 -50 do 200 -50 do 1200 -50 do 800 -50 do 350 -50 do 1200 200 do 1700 50 do 1700 600 do 1700	°C 50 35 50 100 100 100 200 400 400 400	+(0,25°C+0,15%) „ - ” - ±(1°C+0,2%) „ - „ - „ - +(2,5°C+0,2%) „ - „ -
Rezystancja R-A Rezystancja R-B Rezystancja R-C		10 do 300 Ω 50 do 1500 Ω 100 do 3000Ω	20Ω 100Ω 200Ω	±(0,1Ω+0,15%) ±(0,5Ω+0,15%) ±(1,0Ω+0,15%)
Napięcie		-3 do 45 mV	3 mV	+(25μV+0,1%)

Programowalny przetwornik temperatury KFAP 2201

Główne cechy

• Przetwornik dwuprzewodowy 4… 20 mA do Pt100

• Linia 2, 3 lub 4 przewodowa

• Dokładność 0,1% zakresu

• Korekcja błędu czujnika

• Kompensacja rezystancji przewodów

• ISO 9001

OPIS

Przetwornik temperatury KFAP 2201 przystosowany jest do przetwarzania sygnału Pt100 na standardowy sygnał prądowy 4… 20 mA. Podłączenie czujnika Pt100 do przetwornika może być wykonane w technice 2, 3 lub 4 przewodowej. Za pomocą przystawki i komputera PC może zostać zaprogramowane: korekcja błędu czujnika, rodzaj linii połączeniowej, rezystancja przewodów, zakres pomiarowy, tłumienie. Przetwornik jest przystosowany do montażu w głowicy czujnika.

DANE TECHNICZNE PRZETWORNIKA KFAP 2201

Wejście
Zakres pomiarowy	-200… 850°C
Minimalny zakres	25°C
Sygnał wejściowy	Pt100 wg IEC/DIN/EN 60 751-2
Dokładność <250°C >250°C	<0,25°C 0,1%
Prąd czujnika	0,3 mA
Linia czujnika	2, 3 lub 4 przewodowa
Maksymalna rezystancja przewod. w technice 2-przew.	20Ω na przewód
Korekcja błędu czujnika	10°C
Wyjście
Sygnał wyjściowy	4… 20 mA
Napięcie zasilania	8… 36 V
Dopuszczalne obciążenie	RL≤(VCC - 8)/23kΩ
Limit sygnału	23mA/3.5mA
Dryft temperaturowy	0,003%/°C
Temperatura pracy	-40… 85°C
Wilgotność	<98% bez kondensacji
Wymiary	φ 40×19mm

Linia 2, 3 lub 4 przewodowa

Przetworniki pomiarowe współpracujące z czujnikami rezystancyjnymi mogą dawać możliwość podłączania czujnika do przetwornika na jeden z trzech sposobów:

• przy pomocy linii dwuprzewodowej,

• przy pomocy linii czteroprzewodowej, lub

• przy pomocy linii trójprzewodowej.

Omówimy bliżej ten problem.

Pomiar temperatury z wykorzystaniem czujnika rezystancyjnego opiera się o następujące założenie (rys.1.4a): czujnik zasilany jest ze źródła prądowego, wymuszającego przepływ prądu i_pom o stałej wartości (dla KFAP 2201 i_pom= 0,3 mA) w obwodzie pomiarowym. Pomiar spadku napięcia na zaciskach czujnika, którego oporność zależy od mierzonej temperatury pozwala określić jej wartość.

Spadek napięcia mierzony miliwoltomierzem o bardzo dużej oporności wewnętrznej wynosi:

Jeśli zapewnimy stałą wartość prądu pomiarowego i_pom oraz zerową (lub pomijalnie małą) oporność przewodów łączących czujnik z opornikiem R_p, to zakładając liniową charakterystykę czujnika rezystancyjnego, możemy stwierdzić jednoznaczną zależność pomiędzy spadkiem napięcia Δu i mierzoną temperaturą Θ. Przypadek, kiedy R_p = 0 przedstawiony jest na rys. 1.4b (czujnik znajduje się w typowej osłonie przemysłowej, a przetwornik w główce pomiarowej tej osłony).

W przypadku, kiedy przewody łączące czujnik z przetwornikiem są długie, sytuacja znacznie się komplikuje. Wyobraźmy sobie, że w piwnicach budynku znajduje się zbiornik gorącej wody, której temperaturę mierzymy czujnikiem rezystancyjnym, współpracującym z przetwornikiem (np. KFAP 2201) znajdującym się na czwartym piętrze. Dodatkowo przewody łączące poprowadzimy na zewnątrz budynku.

Rys. 1.4. Pomiar temperatury przy pomocy czujnika rezystancyjnego: a) zasada pomiaru; b) dwuprzewodowe podłączenie czujnika do przetwornika

Oporność przewodów łączących w takim przypadku wprowadza dodatkowy spadek napięcia Δu_p, wartość którego zmienia się wraz ze zmianami temperatury przewodów (zima-lato, deszcz-słońce itp.). W celu uniknięcia omówionych błędów pomiarowych stosuje się 4-ro lub 3 przewodowy sposób przyłączania czujnika do przetwornika.

Linia 4 przewodowa. Oprócz dwóch przewodów 1,2 pomiarowych (jak na rys. 1.4a) mamy do dyspozycji dodatkowe przewody 3,4 przy pomocy których podłączony jest miernik spadku napięcia do zacisków czujnika pomiarowego (rys. 1.5a). Ponieważ w przewodach 3,4 prąd nie płynie, (oporność wejściowa miliwoltomierza jest bardzo duża), miernik wskazuje spadek napięcia na czujniku.

Linia 3 przewodowa. Współczesne przetworniki pomiarowe pozwalają przyłączyć czujnik pomiarowy przy pomocy trzech przewodów zapewniając jednoczesną kompensację niekorzystnych wpływów oporności przewodów pomiarowych. Idea 3 przewodowej linii przedstawiona jest na rys. 1.5b. Wewnątrz przetwornika znajduje się dwa jednakowe źródła prądowe oraz wzorcowy opornik R_w. Napięcia na zaciskach źródeł prądowych: obwodu wzorcowego z oporem R_w , Δu_w i obwodu pomiarowego, w którym jest czujnik pomiarowy R_c, Δu_c są odpowiednio równe

Miliwoltomierz mierzy różnicę tych napięć

Jeśli znana jest wartość natężenia prądu pomiarowego i_pom oraz wartość oporu wzorcowego R_w (dla KFAP 2201 i_pom= 0,3mA, R_w = 100Ω), to możemy określić jednoznacznie R_c a więc pośrednio mierzoną temperaturę Θ.

Rys. 1.5. Podłączenie czujnika rezystancyjnego do przetwornika pomiarowego w sposób kompensujący szkodliwy wpływ długich przewodów łączących: a) linia 4-ro przewodowa; b) linia 3 przewodowa

Zakres pomiarowy, minimalny zakres pomiarowy

Jednym z parametrów, który można programować w omawianych przetwornikach jest zakres pomiarowy. Rozważmy przetwornik KFAP 201. Przystosowany on jest do współpracy z czujnikiem rezystancyjnym Pt100 (Pt - platyna, 100 - 100 Ω w temperaturze 20 °C). Zakres pomiarowy czujnika Pt100 wynosi: -200 ÷ +800 °C. Na wyjściu przetwornika KFAP 2201 współpracującego z czujnikiem Pt100 w pełnym zakresie będziemy mieli sygnał prądowy 4 mA dla mierzonej temperatury -200°C i 20 mA przy temperaturze +800°C. Można programowo ograniczyć zakres pomiarowy przetwornika, np. do przedziału: -50 ÷ +150°C. Oznacza to, że przetwornik KFAP 2201 współpracując z czujnikiem pomiarowym Pt100 będzie miał na wyjściu sygnał prądowy 4 mA dla mierzonej temperatury -50°C oraz 20 mA dla temperatury +150°C. Uwaga! Wskazania przetwornika dla temperatury poniżej -50°C będą równe 4 mA, a dla temperatur wyższych niż 150°C - 20 mA. Zawężenie przedziału pomiarowego zwiększa rozdzielczość pomiaru, co pozwala uzyskać zwiększenie jego dokładności.

Maksymalne zawężenie zakresu pomiarowego jest ograniczone minimalnym zakresem pomiarowym, poniżej którego w danym typie przetwornika nie można zejść. Minimalny zakres pomiarowy przetwornika KFAP 2201 wynosi 25°C.

Z przedstawionych danych wynika, że zestawem pomiarowym: czujnik Pt100 - przetwornik KFAP 2201 można mierzyć np. temperaturę otoczenia w zakresie od 0°C do 25°C (0°C - 4mA, 25°C - 20mA). Ponieważ jednak w naszej strefie klimatycznej temperatury powietrza wahają się w szerszym zakresie, to omawiany zestaw pomiarowy można zaprogramować np. na zakres: od -30°C do +50°C. Temperaturę otoczenia na podstawie sygnału wyjściowego przetwornika I_wyj wyznaczać będziemy z zależności

Zintegrowany układ pomiarowy do bezstykowego pomiaru kąta obrotu

AS5030

Właściwości użytkowe:

 bezstykowy pomiar dla 360 stopni (duża niezawodność w porównaniu z kontaktowymi układami)

 dwa 8 - bitowe cyfrowe wyjścia

 programowalna przez użytkownika pozycja kąta 0 stopni,

 dopuszczalna duża prędkość obrotu: do 30 000 obr/min,

 możliwość połączenia kilku układów scalonych,

 szeroki zakres wielkości wejściowej pola magnetycznego: 20-80mT (duża tolerancja na zmianę odległości magnesu od układu- dodatkowo sygnalizowana zapaleniem diody, oraz przesunięcia magnesu w poziomie)

 odporność na zewnętrzne pole magnetyczne

 szeroki zakres temperatur: -40^oC do +125^oC

 niewielkie wymiary (5,3mm x 6,2mm), bezołowiowy układ,

 napięcie zasilające 3,3 do 5V

Ćw. S-I.2

REGULATORY

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z regulatorami stosowanymi obecnie w przemyśle. W szczególności chodzi o regulatory:

• analogowe (ARC-1w, ARC-2w, ARC-3w, stacyjka zadająca ADS-41),

• cyfrowe (RWP-95),

• logiczny sterownik programowalny PLC (GE Fanuc).

Program ćwiczenia

1. Na podstawie instrukcji poszczególnych regulatorów analogowych należy zapoznać się z przeznaczeniem i danymi technicznymi tych regulatorów. W szczególności chodzi ilość i rodzaj sygnałów wejściowych i wyjściowych.

2. Zapoznając się z budową omawianych regulatorów należy sprawdzić, jakie, w jaki sposób i w jakim zakresie nastawia się parametry tych regulatorów.

3. Na podstawie instrukcji określić przeznaczenie stacyjki sterującej ADS-41.

4. Na podstawie dokumentacji i oględzin zapoznać się z budową, możliwościami, przeznaczeniem oraz sposobem programowania regulatora cyfrowego RWP-95.

5. Na podstawie dokumentacji i oględzin zapoznać się z budową, możliwościami, przeznaczeniem oraz sposobem programowania programowalnego sterownika logicznego PLC firmy GE Fanuc.

PODSTAWY TEORETYCZNE

Zadaniem regulatora w układzie automatycznej regulacji jest wytworzenie sygnału sterującego obiekt regulacji w taki sposób, żeby osiągnąć cel sterowania, przy istnieniu zakłóceń działających na obiekt regulacji.

Celem sterowania albo celem regulacji najczęściej jest: nadążanie lub przestawianie.

Nadążanie polega na spełnieniu następującego warunku

(2.1)

przy zmieniającej się w sposób ciągły wartości zadanej
wielkości regulowanej.

Przestawianie powinno zapewnić spełnienie warunku

(2.2)

przy zmieniającej się w sposób skokowy - nieciągły wartości zadanej
wielkości regulowanej.

W celu sterowania, określanym jako nadążanie mieści się regulacja stabilizacyjna, która przy spełnieniu warunku
= const polega na utrzymywaniu stałej wartości wielkości regulowanej y przy istnieniu zakłóceń z. Również w nadążaniu mieści się regulacja programowa, gdy warunek na wartość zadaną wielkości regulowanej przyjmuje postać:

- określona ściśle, zgodnie z programem sterowania wielkości wyjściowej y.

Przestawienie z jednej wartości
wielkości wejściowej na inną wartość
wielkości wejściowej układu regulacji może następować w układzie zaprojektowanym dla osiągnięcia celu przestawiania.

Najogólniej powyższym zadaniom musi sprostać regulator w układzie regulacji automatycznej, żeby osiągnąć zamierzony cel sterowania.

Regulator jest zlokalizowany w podstawowym jednoobwodowym układzie regulacji automatycznej w sposób pokazany zarówno na rys. S-I.1, jak również (szczegółowiej) na rys. 2.1. Głównymi sygnałami doprowadzonymi do regulatora są:

1. wielkość wejściowa w określająca wartość oraz funkcję czasową wartości zadanej wielkości regulowanej,

2. wielkość regulowana y lub przetworzona na odpowiednią wielkość y*.

Wielkością wyjściową regulatora jest sterowanie u lub w przypadku zespolenia regulatora z elementem wykonawczym - wielkość u*.

Rys. 2.1. Lokalizacja regulatora w układzie automatycznej regulacji

W praktyce istnieje bardzo dużo różnorodnych typów regulatorów działających na przeróżnych zasadach i produkowanych w ogromnych ilościach przez krajowy i zagraniczny przemysł automatyki. W celu właściwej orientacji oraz najlepszego zastosowania regulatorów wprowadza się następującą klasyfikację i podział wszystkich typów i rodzajów regulatorów istniejących na świecie.

Ze względu na sposób działania regulatorów można je sklasyfikować na dwie grupy.

Regulatory o działaniu bezpośrednim nie korzystające z dodatkowego źródła energii pomocniczej. Typowym, historycznym przykładem regulatorów tej grupy jest powszechnie znany regulator odśrodkowy J. Watta stosowany do regulacji obrotów maszyny parowej. Są to regulatory niezwykle proste i tanie o dużej niezawodności działania. Ich wadą jest mała dokładność regulacji i ograniczony zakres zastosowań.

Regulatory o działaniu pośrednim ze źródłem dodatkowej energii pomocniczej. Niezbędnym warunkiem prawidłowego działania tego rodzaju regulatorów jest konieczność zapewnienia odpowiedniego zasilania regulatora. Może to być zasilanie elektryczne, hydrauliczne lub pneumatyczne, z czego znowu wynika dalszy podział regulatorów o działaniu pośrednim.

Omówimy bardziej szczegółowo podstawowe zasady działania regulatorów typowych dla obu grup.

Regulatory o działaniu bezpośrednim - wbrew pozorom mają bardzo szerokie zastosowania i są coraz bardziej udoskonalane pod względem konstrukcyjnym i technologicznym. Mają na przykład ogromne zastosowanie we wszelkiego rodzaju silnikach samochodowych, w których prosty „termostat” - regulator temperatury o działaniu bezpośrednim umożliwia utrzymywanie stałej, odpowiedniej dla pracy silnika spalinowego temperatury w szerokim zakresie zmian temperatury otoczenia - powietrza, będących przykładem zakłóceń działających na obiekt regulacji.

Cechą charakterystyczną regulatorów tego typu jest to, że energia niezbędna do sterowania elementu wykonawczego jest pobierana wprost z obiektu regulacji za pośrednictwem elementu pomiarowego.

O słuszności powyższych stwierdzeń łatwo się przekonać rozpatrując następujące typowe przykłady regulatorów o działaniu bezpośrednim.

Przykład 2.1. Regulator temperatury silnika spalinowego (samochodowego).

Schematycznie regulator temperatury silnika spalinowego przedstawiony jest na rys. 2.2. Wszystkie człony (elementy) składowe opisane są na rysunku.

Rys. 2.2. Regulator temperatury o działaniu bezpośrednim („termostat”) w układzie automatycznej regulacji temperatury silnika spalinowego (samochodowego); a - mały obieg, b - duży obieg, 1 - zawór termostatu, 2 - trzonek zaworu, 3 - mieszek, 4 - przewód łączący obudowę termostatu z pompą wody, 5 - przewód łączący obudowę termostatu z górnym zbiornikiem chłodnicy

Rozpatrzymy proces regulacji. Załóżmy, że w chwili początkowej silnik był zimny (temperatura początkowa np. 20°C). Po uruchomieniu silnika, po pewnym czasie następuje wzrost temperatury silnika a więc i wody w układzie chłodzenia silnika, która jest doprowadzona do regulatora temperatury. Regulator temperatury - „termostat” jest zbudowany z następujących trzech części: z obudowy konstrukcyjnej mocującej elementy regulatora, z mieszka metalowego wypełnionego cieczą rozszerzającą się pod wpływem wzrostu temperatury - jest to element pomiarowy temperatury i z zaworu połączonego mechanicznie z mieszkiem - jest to człon wykonawczy w układzie regulacji. W zakresie temperatury od 0°C do 80°C zawór jest zamknięty. Jeżeli temperatura silnika a więc i cieczy chłodzącej osiągnie temperaturę 80°C, wówczas nastąpi niewielkie otwarcie zaworu i pojawi się przepływ cieczy chłodzącej przez chłodnicę. Przy dalszym wzroście temperatury nastąpi dalsze otwarcie zaworu, które osiąga wartość maksymalną przy temperaturze 90°C. W ten sposób gorąca woda przez otwarty zawór przedostaje się do chłodnicy, w której następuje obniżenie jej temperatury. Następnie już znacznie chłodniejsza, np. o temperaturze 50°C wraca ponownie do obiektu obniżając jego temperaturę. Pompa wodna przyśpiesza (wymusza) obieg cieczy chłodzącej zapewniając odpowiedni kierunek przepływu. Jeżeli wskutek dopływu chłodzącej cieczy do obiektu - silnika, znacznie obniży jego temperaturę, np. do 75°C, wówczas nastąpi zamknięcie zaworu aż do momentu osiągnięcia temperatury 80°C, gdy znowu zostanie otwierany zawór. W ten sposób następuje automatyczna regulacja temperatury silnika a więc utrzymywanie jej na stałym poziomie w przedziale od 80°C do 90°C. Regulator jest wymienny i nie podlega naprawie, lecz jedynie wymianie w przypadku uszkodzenia. Wynika to w pierwszej kolejności z faktu, że zarówno wartość zadana w na poziomie 85°C jak i zakres dopuszczalnych wahań wielkości wyjściowej y w przedziale ±5°C wynikają z konstrukcji zarówno elementu pomiarowego (mieszka) jak i elementu wykonawczego (zaworu); są one ustawiane fabrycznie i nie podlegają regulacji.

Przykład 2.2. Regulator poziomu cieczy.

Przykład pływakowego regulatora poziomu cieczy przedstawiony jest na rys. 2.3. Działanie regulatora polega na zamykaniu lub otwieraniu zaworu regulującego dopływ cieczy do zbiornika, pod wpływem zmian poziomu cieczy. Energia obiektu za pośrednictwem pływaka jest dźwigniowo przenoszona do zaworu. Jeżeli poziom podwyższa się, wówczas pływak podnosi się do góry i w położeniu krańcowym zamyka całkowicie dopływ cieczy do zbiornika.

Rys. 2.3. Pływakowy regulator poziomu cieczy o działaniu bezpośrednim w układzie automatycznej regulacji poziomu cieczy w zbiorniku

W obu przykładach działanie regulatora jest możliwe dzięki przekazaniu energii bezpośrednio z obiektu do regulatora, w celu uruchomienia elementu wykonawczego - w obu przykładach, zaworu.

Regulatory o działaniu pośrednim bez względu na rodzaj zasilania i rozwiązanie konstrukcyjne można podzielić na dwa rodzaje: na regulatory o działaniu ciągłym i na regulatory o działaniu nieciągłym.

Z liniową teorią regulacji najściślej są związane regulatory o działaniu ciągłym, a więc takie regulatory, w których zainstalowane podstawowe elementy, jak wzmacniacze, elementy pomocnicze i korekcyjne działają w zasadzie w sposób ciągły. W układach regulacji automatycznej można wyróżnić trzy zasadnicze rodzaje regulatorów: regulatory o działaniu proporcjonalnym - typu P, regulatory o działaniu całkującym - typu I oraz regulatory o działaniu różniczkującym - typu D. Ponadto istnieją regulatory stanowiące kombinacje typów podstawowych, a więc regulatory PI, PD oraz PID.

Regulatorów analogowych (o działaniu ciągłym) o algorytmie regulacji bardziej złożonym niż algorytm PID w praktyce nie spotyka się. W przypadku, gdy wymaganiom dobroci regulacji nie można sprostać stosując regulator PID, w technice analogowej szuka się rozwiązań innymi sposobami niż dobór bardziej złożonego algorytmu regulacji , a mianowicie:

• przez modyfikację właściwości dynamicznych obiektu regulowanego na podstawie metod techniki systemów, np. wprowadzając dodatkowe sprzężenia zwrotne od pomocniczych wielkości, jak to występuje w przypadku regulacji kaskadowej;

• przez modyfikację właściwości zakłóceń przy wykorzystaniu techniki systemowej, stosując np. układy regulacji z kompensacją zakłóceń.

Zaprezentowane rozumowanie prowadzi do trzech podstawowych struktur regulacji analogowej (korespondujących z rys. S-1.2), schematy których przedstawione są na rys. 2.4:

1. Jednopętlowy układ regulacji, którego zadaniem jest stabilizacja zmiennej regulowanej na wartości zadanej wprowadzanej za pomocą nastawnika ręcznego. Różnica zmian wartości zadanej i zmiennej regulowanej zostaje przetworzona w analogowym układzie liczącym regulatora zgodnie z algorytmem P, PI lub PID i po wzmocnieniu steruje element wykonawczy.

2. Dwupętlowy układ regulacji, mogący zależnie od struktury obiektu i budowy regulatora R₁ być:

• układem regulacji kaskadowej, jeżeli zmienna u^* wpływa na zmienną wyjściową y, a regulator R₁ jest regulatorem o wartości zadanej wprowadzanej ręcznie, tworzącym pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego dla zmiennej wyjściowej y;

• układem regulacji nadążnej, jeżeli zmienna wyjściowa y zależy wyłącznie od zakłóceń, a regulator R₁ jest wzmacniaczem o nastawianym współczynniku wzmacnienia.

3. Jednopętlowy układ regulacji z kompensacją zakłóceń. W układzie tym sygnał sterujący element wykonawczy EW zostaje - w porównaniu z układem a) - dodatkowo uzależniony od niektórych zakłóceń.

Rys. 2.4. Podstawowe struktury analogowych układów regulacji: a) jednopętlowy układ regulacji; b) regulacja kaskadowa; c) regulacja z kompensacją zakłóceń

Regulatory o działaniu nieciągłym. Istnieje bardzo duża grupa regulatorów tego typu, których istotą działania jest dyskretne, nieciągłe sterowanie x(t) przyjmujące wartości: 0, +1 w regulatorach dwupołożeniowych lub -1, 0, +1 - w regulatorach trójpołożeniowych, w zależności od wartości uchybu ε(t). Do tej grupy zaliczane są również regulatory krokowe i regulatory impulsowe.

Układy regulacji tego typu (z regulatorami przekaźnikowymi) należą do grupy układów nieliniowych. Jednak w niektórych przypadkach, dzięki objęciu elementu przekaźnikowego sprzężeniem zwrotnym lub dołączeniu do regulatora członu wykonawczego o działaniu całkującym, można również analizować przybliżone (uśrednione) własności układu metodami liniowymi.

Zakres zastosowań regulatorów przekaźnikowych jest dość szeroki. Zwłaszcza regulatory dwu- i trójpołożeniowe, ze względu na prostą budowę i niską cenę, chętnie stosowane są np. w układach regulacji elektrycznych urządzeń grzejnych, gdzie rola ich sprowadza się do załączania lub wyłączania obwodu grzejnego w zależności od temperatury obiektu (żelazko z termostatem, lodówka, komora cieplna, piec hartowniczy itp.).

Istotne jest również poznanie własności regulatorów impulsowych, których rozpowszechnienie wiąże się z coraz szerszym wykorzystaniem mikroprocesorów w układach automatycznej regulacji (sprzyja temu np. silnik krokowy jako impulsowy element wykonawczy).

STEROWANIE BINARNE (wprowadzenie dla PLC)

Sterowanie binarne jest sterowaniem zmiennych procesowych binarnych, realizowane w zależności od:

• innych zmiennych procesowych binarnych,

• bieżącego czasu,

• zmiennych binarnych wprowadzonych do systemu cyfrowego przez operatora lub nadrzędny system cyfrowy.

Zmiennymi procesowymi binarnymi są najczęściej:

• stany liczników i przekaźników włączających napędy elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne,

• stany wyłączników i odłączników układów elektroenergetycznych,

• stany zaworów odcinających i regulacyjnych,

• stany dozowników i transporterów,

• stany zwrotnic transporterów taśmowych i zwrotnic kolejowych,

• stany sygnalizatorów dwupołożeniowych wartości granicznych zmiennych procesowych analogowych,

• stany pracy maszyn i urządzeń,

• wyniki przetwarzań realizowanych przez algorytmy generujące zmienne binarne, np. algorytmy stwierdzające, czy pewne zdarzenie wystąpiło już zadeklarowaną liczbę razy, czy też nie.

Podstawowym źródłem trudności występujących przy projektowaniu układów sterowania binarnego jest bardzo duża liczba zmiennych procesowych binarnych, od których zależy przebieg sterowania i również duża (aczkolwiek mniejsza od poprzedniej) liczba zmiennych binarnych sterujących. Trudności te występują szczególnie w takich obiektach przemysłowych jak bloki energetyczne, które są aktualnie wyposażone w najbardziej rozbudowane i złożone układy sterowania binarnego, przeznaczone do realizacji sterowania rozruchu i odstawiania bloku. Np. w bloku energetycznym o mocy 300 MW znajduje się ok. 1500 sygnalizatorów dwupołożeniowych ruchowych, 300 sygnalizatorów dwupołożeniowych stanów awaryjnych i 400 elementów wykonawczych, w tym 200 zaworów odcinających sterowanych magnetycznie. Algorytm sterowania binarnego dla tak dużego układu można by - teoretycznie rzecz biorąc - skonstruować z pewnej minimalnej liczby operacji logicznych, korzystając z teorii układów przełączających kombinacyjnych i sekwencyjnych. Algorytm taki byłby jednak nieprzejrzysty, bardzo trudny do zrozumienia i sprawdzenia, bardzo trudny do modyfikacji. Jedynym możliwym rozwiązaniem tej trudności jest narzucenie algorytmowi sterowania binarnego pewnej struktury, wprowadzającej porządek w chaotyczność związków logicznych, które należy zrealizować między binarnymi zmiennymi procesowymi.

Postęp w rozwoju teorii sterowania binarnego jak i w rozwoju elektroniki, doprowadził do tego, że szereg firm od kilku lat produkuje nowy rodzaj regulatorów, a mianowicie logiczne sterowniki programowalne.

Sterowniki programowalne PLC

Programowalne sterowniki logiczne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers), nazywane także sterownikami programowalnymi, należą do szeroko rozumianej rodziny komputerów. Praca PLC polega na monitorowaniu wejść analogowych i cyfrowych, podejmowaniu decyzji w oparciu o program (algorytm działania) użytkownika oraz odpowiednim sterowaniu wyjściami.

Sterowniki PLC zbudowane są z modułów wejściowych, jednostki centralnej (CPU) oraz modułów wyjściowych.

Sterownik akceptuje różnorodne sygnały wejściowe; cyfrowe i analogowe (po zastosowaniu dodatkowych modułów), pochodzące z zewnętrznych czujników. Sygnały te są następnie przetwarzane na jednolitą postać binarnych sygnałów logicznych akceptowalnych przez CPU. Jednostka centralna podejmuje decyzje i wykonuje funkcje sterowania bazując na algorytmie sterowania (instrukcjach programowych zawartych w pamięci). Moduły wyjściowe przetwarzają funkcje sterowania z CPU do postaci sygnałów binarnych (lub analogowych - po zastosowaniu dodatkowych modułów) wykorzystywanych w procesie sterowania.

Dane techniczne sterownika GE FANUC serii 90 MICRO IC693UDR005.

Ogólna charakterystyka sterownika:

• 16 wejść dyskretnych dla napięcia wejściowego 24VDC,

• 11 wyjść dyskretnych, przekaźnikowych, izolowanych, I_{wyj max} = 2A,

• 1 wyjście tranzystorowe 24 V,

• 2 analogowe potencjometry nastawcze,

• 2 porty komunikacyjne RS-422 (protokół SNP),

• zegar czasu rzeczywistego,

• zasilanie prądem przemiennym 85÷265 VAC o częstotliwości 47÷63 Hz

Charakterystyka CPU

• procesor H8/3003, szybkość 9.83 MHz,

• 6 kB pamięci Flash dla programu sterującego napisanego przez użytkownika,

• 32 kB pamięci RAM podtrzymywanej przez 1 tydzień w temperaturze 25°C (kondensator),

• 256 rejestrów z danymi,

• 1024 przekaźniki wewnętrzne,

Sterowniki programowalne PLC firmy GE Fanuc programuje się przy pomocy oprogramowania Logicmaster 90 wykorzystującego język drabinkowy. Pozwalają one także na współpracę z oprogramowaniem InTouch przewidzianym do wizualizacji automatyzowanego procesu.

Ogólne informacje dotyczące oprogramowania Logicmaster 90.

Oprogramowanie Logicmaster 90 służy do konfigurowania i programowania sterowników serii 90-30, 90-20 i 90 Micro produkcji firmy General Electric-Fanuc.

Konfigurowanie jest procesem przypisywania adresów logicznych i innych parametrów sprzętowych modułom systemu. Może ono zostać dokonane za pomocą oprogramowania konfiguracyjnego przed lub po zaprogramowaniu sterownika.

Programowanie polega na opracowaniu programu sterującego dla konkretnego zastosowania sterownika. Ponieważ sterowniki GE Fanuc serii 90-30, 90-20 i 90 Micro posiadają wspólny zestaw instrukcji, mogą być obsługiwane przy pomocy tego samego oprogramowania.

Aby uruchomić oprogramowanie Logicmaster 90, należy dysponować komputerem z zainstalowanym systemem operacyjnym DOS w wersji 3.1 lub późniejszej.

Program sterujący stanowi realizację algorytmu wiążącego sygnały wejściowe, które dopływają do sterownika, z sygnałami wyjściowymi, służącymi do sterownia urządzeniami wykonawczymi.

Oprogramowanie Logicmaster 90 umożliwia:

• wyświetlanie aktualnego czasu trwania pełnego cyklu pracy sterownika oraz jego składowych. Cykl pracy sterownika jest to czas wymagany na jeden kompletny cykl pracy programu sterującego, obsługę wejść/wyjść, okien komunikacyjnych oraz wykonanie innych funkcji,

• włączenie/wyłączenie trybu pracy ze stałym czasem trwania pełnego cyklu pracy sterownika.

Ćw. S-I.3

ELEMENTY WYKONAWCZE

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi typami elementów wykonawczych.

Program ćwiczenia

1. Zapoznanie się z siłownikiem pneumatycznym

2. Zapoznanie się z silnikiem dwufazowym^*

3. Zapoznanie się z silnikiem krokowym

4. Zapoznanie się z siłownikiem elektrycznym^*

5. Zapoznanie się z falownikiem

PODSTAWY TEORETYCZNE

W układzie regulacji automatycznej, zazwyczaj moc dostarczana z regulatora do obiektu, jako sterowanie u, jest niewystarczająca do sprawnego, właściwego kierowania obiektem regulacji.

Rys. 3.1. Lokalizacja elementu wykonawczego w układzie regulacji automatycznej

Z tego powodu istnieje konieczność zastosowania pomiędzy regulatorem a obiektem regulacji specjalnego członu, zlokalizowanego w układzie regulacji, jak na rys. 3.1, który powszechnie nazywamy elementem wykonawczym. Istotne są w elemencie wykonawczym: podawane z regulatora sterowanie u oraz wielkość wyjściowa elementu wykonawczego u^* a także zasilanie elementu wykonawczego strumieniem energii lub strumieniem odpowiedniego materiału (w procesach przemysłowych, technologicznych), jak to jest pokazane na rys. 3.1. Należy podkreślić, że w układach regulacji automatycznej małych mocy na ogół wystarczająca jest moc wyjściowa regulatora i nie ma wówczas potrzeby stosowania oddzielnego elementu wykonawczego, ponieważ w takim przypadku regulator jest równocześnie elementem wykonawczym.

Spośród wielu rodzajów elementów wykonawczych, ze względu na ich funkcje, znaczenie i działanie w układzie regulacji automatycznej można wyróżnić trzy podstawowe rodzaje: elementy wykonawcze o działaniu nastawczym, elementy wykonawcze o działaniu napędowym i elementy wykonawcze o działaniu wzmacniaczy mocy.

1. Elementy wykonawcze o działaniu nastawczym są najściślej związane z obiektem regulacji, ponieważ w samym obiekcie bezpośrednio wpływają na zasilanie go energią lub strumieniem odpowiedniego surowca albo materiału. Do tego rodzaju elementów zaliczane są np. zawory lub zasuwy w rurociągach doprowadzających gaz lub ciecz do obiektu regulacji, dozowniki pyłu węglowego doprowadzanego do palenisk w kotłach i innych instalacjach grzewczych, pompy o zmiennym wydatku oraz w układach elektrycznych: dławiki nasycane, autotransformatory lub odpowiednie układy tyrystorowe.

Każdy element wykonawczy o działaniu nastawczym posiada charakterystykę statyczną

przy danym zasilaniu odpowiednio dostosowaną do trzech następujących charakterystyk: obiektu regulacji, charakterystyki regulatora i charakterystyki zasilania.

Przykłady elementów wykonawczych o działaniu nastawczym - różnego rodzaju zawory, są pokazane na rys. 3.2. Wszystkie elementy wykonawcze o działaniu nastawczym powinny umożliwiać sterowanie ręczne i możliwość zadziałania awaryjnego. Dość często w układach automatyki jest stosowany układ równoległy - rys. 3.2a, z jednym zaworem sterowanym automatycznie a drugim nastawianym ręcznie - niesterowanym, umożliwiającym wybór punktu pracy na charakterystyce statycznej obiektu. Na rys. 3.2b i 3.2c są pokazane dwa przykłady schematów konstrukcyjnych zaworów: zwykłego i mieszającego.

Rys. 3.2. Przykłady elementów wykonawczych o działaniu nastawczym:

a) układ równoległy z zaworem sterowanym i z zaworem niesterowanym; b) schemat konstrukcyjny zaworu jednogniazdowego zwykłego oraz c) zaworu mieszającego

2. Elementy wykonawcze o działaniu napędowym są stosowane w celu uzyskania odpowiednich przesunięć, prędkości i przyspieszeń, zarówno kątowych jak i liniowych, w różnych typach obiektów działających w atmosferze bezwybuchowej i w atmosferze wybuchowej, zwłaszcza w przemyśle chemicznym.

Istnieje kilka zasadniczych typów elementów tego rodzaju, realizowanych w wersji pneumatycznej, hydraulicznej i elektrycznej.

W realizacji pneumatycznej spotykane są elementy wykonawcze membranowe, tłokowe i wirnikowe, do których niezbędne jest zasilanie powietrzem lub gazem o odpowiednim ciśnieniu. Maksymalna moc tego rodzaju elementów wykonawczych przekracza nawet 10 kW.

Elementy wykonawcze w realizacji hydraulicznej działają najczęściej na zasadzie silnika tłokowego, którego podstawowy schemat jest pokazany na rys. 3.3. Doprowadzone do silnika ciśnienie cieczy, najczęściej oleju, oznaczone na rys. 3.3 jako p₁ i p₂ - jest rzędu 10 kG/cm², umożliwia przesunięcie liniowe l w granicach od 0 do 100 mm lub 500 mm przy sile rzędu 1000kG. Przesunięcie kątowe α - rys. 3.3 jest mniejsze od 360°, chociaż w specjalnym wykonaniu możliwy jest nieograniczony, rewersyjny obrót wału silnika.

Rys. 3.3. Zasada działania silnika hydraulicznego jako elementu wykonawczego o działaniu napędowym

Zarówno silniki pneumatyczne jak i hydrauliczne znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i przemysłu. Zazwyczaj tego rodzaju elementy wykonawcze napędowe są sterowane z regulatorów pneumatycznych lub hydraulicznych albo elektrohydraulicznych.

Elementy wykonawcze o działaniu napędowym realizowane w wersji elektrycznej są silnikami prądu stałego lub prądu zmiennego. Cechą charakterystyczną silników elektrycznych stosowanych w tego rodzaju elementach automatyki jest duży moment rozruchowy, mały moment bezwładności oraz możliwość zasilania silnika w stanie zahamowanym bez obawy przegrzania i uszkodzenia uzwojenia silnika w stanie zahamowanym bez obawy przegrzania i uszkodzenia uzwojenia silnika pod wpływem temperatury. Moce silników elektrycznych stosowanych w automatyce są małe - od kilkunastu do kilkuset watów.

3. Elementy wykonawcze o działaniu wzmacniaczy mocy są szczególnymi elementami w układach automatycznej regulacji. W rzeczywistości są to różnorodne układy wzmacniaczy elektronicznych, elektromaszynowych, pneumatycznych, hydraulicznych i elektropneumatycznych. Elektroniczne wzmacniacze mocy, a w szczególności wzmacniacze półprzewodnikowe (zwłaszcza w postaci układów scalonych), mają coraz większe znaczenie w automatyce. Zastosowanie tyrystorów umożliwiło wielokrotne powiększenie mocy wyjściowej wzmacniaczy elektronicznych i pozwoliło na sprzężenie tych wzmacniaczy z wykonawczymi elementami grzejnymi dużych mocy, jak również umożliwiło sterowanie silników wykonawczych dużych mocy oraz transformatorów i autotransformatorów tak dużych mocy, jakich nie znała automatyka sprzed kilkunastu lat. W wielu układach automatyki przemysłowej i specjalnej, jak np. w radiolokacji stosowane są dość często elektromaszynowe wzmacniacze typu amplidyn i rototroli.

Pneumatyczne i hydrauliczne wzmacniacze mocy stanowią odrębną dziedzinę i są powszechnie stosowane w pneumatycznych i hydraulicznych układach automatyki. Z zastosowań wzmacniaczy pneumatycznych zrodził się pomysł łączenia w jedną całość wzmacniaczy elektronicznych ze wzmacniaczami pneumatycznymi. W ten sposób powstały wzmacniacze elektropneumatyczne z wejściem elektrycznym i wyjściem pneumatycznym zazwyczaj o ciśnieniu w zakresie od 0,2 do 1 kG/cm².

Szczególnie w nieliniowych układach automatyki można zaobserwować ewolucję elektronicznych wzmacniaczy mocy, które sprzężone z przekaźnikami lub stycznikami, a w ostatnich latach z układami tyrystorowymi, umożliwiają coraz szersze zastosowania elektroniki w różnych dziedzinach regulacji automatycznej.

Siłownik pneumatyczny o przesunięciu liniowym

Siłownikiem (serwomotorem) nazywamy urządzenie wykonawcze w układach regulacji przetwarzające sygnał sterujący na przesunięcie liniowe o dużej sile lub obrotowe o dużym momencie. Siłowniki służą zwykle do nastawiania grzybka zaworu, klapy regulacyjnej, zasuwy lub innych elementów nastawczych.

Siłowniki pneumatyczne o przesunięciu liniowym przetwarzają sygnał pneumatyczny na przesunięcie liniowe trzpienia siłownika. W zależności od rodzaju przetwarzania pneumo-mechanicznego - ciągłego lub dyskretnego - dzielą się na:

- siłowniki pneumatyczne analogowe,

- siłowniki pneumatyczne dyskretne.

Omówimy bliżej analogowe siłowniki pneumatyczne. Grupę tą tworzą siłowniki membranowe oraz siłowniki tłokowe pracujące w układzie otwartym (ze sprężyną zwrotną) lub w układzie zamkniętym (z ustawnikiem pozycyjnym). Przetwarzają sygnał analogowy pneumatyczny p_x na przesunięcie liniowe y tłoczyska siłownika.

Siłowniki pracujące w układzie otwartym występują w dwóch typowych rozwiązaniach konstrukcyjnych:

- siłowniki o działaniu prostym (rys. 3.4a,b),

- siłowniki o działaniu odwrotnym (rys. 3.4c,d).

Rys. 3.4. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych siłowników

W siłownikach o działaniu prostym przy wzroście ciśnienia p_x trzpień wysuwa się na zewnątrz obudowy, natomiast w siłownikach o działaniu odwrotnym cofa się. Sygnał wejściowy pneumatyczny p_x podaje się do komory wejściowej 1 siłownika (rys. 3.4a). Przy wzroście ciśnienia trzpień 2 przesuwa się w dół, ściskając sprężynę zwrotną 3.

W stanach ustalonych zależność między sygnałem wejściowym (ciśnieniem p_x) a sygnałem wyjściowym (przesunięciem trzpienia y) jest proporcjonalna. Przesunięcie trzpienia y w siłowniku nieobciążonym wynika z równowagi sił wytwarzanych przez ciśnienie p_x i ugiętą sprężynę.

Przy zakresie sygnału ciśnieniowego pokrywającego się z zakresem sprężyny, dla uzyskania całkowitego przesunięcia trzpienia siłownika trzeba wykorzystać całkowity zakres zmian sygnału p_x. Na pokonanie sił przestawiania nastawnika i sił tarcia w prowadnicach trzpienia, siłownik nie dysponuje żadną nadwyżką siły. Dla uzyskania tej nadwyżki konieczne jest w siłownikach sprężynowych stosowanie większych zmian sygnału ciśnieniowego p_x niż zakres sprężyny lub wykorzystanie do przestawiania nastawnika tylko części przesunięcia trzpienia.

Histereza pochodząca od sił tarcia w prowadnicach trzpienia siłownika nie powinna przekraczać 1 % siły ΔF_max przy czym:

gdzie: p_xmax i p_xmin - granice zakresu zmian ciśnienia, A - powierzchnia czynna membrany.

Siłowniki membranowe mają jedną wspólną wadę: ograniczone przesunięcie trzpienia siłownika w granicach 20 - 100 mm zależnie od czynnej powierzchni membrany.

Silnik dwufazowy

Silniki indukcyjne dwufazowe są stosowane jako tzw. silniki wykonawcze w układach automatycznego sterowania i regulacji. Dwa uzwojenia stojana są na obwodzie przesunięte względem siebie o kąt elektryczny π/2 (rys. 3.5). Jedno z nich, zwane uzwojeniem sterowania, jest zasilane tylko wówczas, gdy silnik ma się obracać, drugie, stale zasilane, jest uzwojeniem wzbudzenia.

Rys. 3.5. Układ silnika indukcyjnego dwufazowego

Wirnik silnika wykonawczego może być wykonany jako klatkowy, często jednak stosuje się budowę kubkową (puszkową); silnik taki ma nieruchomy stojan zewnętrzny i wewnętrzny, a wirnik jest zbudowany w postaci cienkościennego cylindra (rys. 3.6) i wiruje w szczelinie powietrznej między stojanem wewnętrznym i zewnętrznym. Ze względu na wymaganą rezystancję wirnika kubek jest wykonany najczęściej z mosiądzu, brązu lub aluminium z odpowiednimi dodatkami stopowymi (np. krzemu lub fosforu).

Dla uzyskania momentu rozruchowego konieczne jest przesunięcie w fazie prądów sterującego i wzbudzającego. W tym celu stosuje się różne sposoby zasilania silnika:

1. zasilanie napięciami U i U_b przesuniętymi w fazie o kąt π/2 (sterowanie amplitudowe);

2. zasilanie napięciami o stałych amplitudach, lecz ze zmianą kąta przesunięcia fazowego w zakresie od 0 do π/2 (sterowanie fazowe);

3. zasilanie obu uzwojeń z sieci jednofazowej z regulacją amplitudy napięcia sterującego, przy czym w obwód wzbudzenia włączony jest kondensator (sterowanie amplitudowo-fazowe).

Rys. 3.6. Zasada budowy silnika indukcyjnego kubkowego

Pole magnetyczne wytworzone przez prądy sterujący i wzbudzający może być pulsujące, kołowe lub w ogólnym przypadku eliptyczne.

Jeżeli uzwojenie sterowania jest rozwarte lub napięcie sterujące jest równe zeru, to żeby silnik dwufazowy wykonawczy nie był pozbawiony sterowalności, musi on przy dowolnej prędkości obrotowej zatrzymać się nie tylko na skutek działania momentu obciążenia, ale przede wszystkim na skutek działania własnego elektromagnetycznego momentu hamującego. Właściwość tę nazywa się samohamownością silnika.

Warunkiem wystąpienia samohamowności jest odpowiednio dobrana rezystancja wirnika. Przy małej rezystancji wirnika momenty składowe od pól wirujących przy zasilaniu jednofazowym dają łącznie moment silnikowy. Taki przebieg charakterystyki jest niedopuszczalny w silniku dwufazowym. Zwiększenie rezystancji powoduje zwiększenie poślizgu krytycznego przebiegów obu momentów składowych. Warunkiem samohamowności jest, aby współczynnik poślizgu s_m był większy od jedności co można uzyskać przez dobór rezystancji wirnika.

Silniki krokowe

Silnikami krokowymi (skokowymi) są nazywane takie elementy wykonawcze, których zadaniem jest przetworzenie impulsów elektrycznych na odpowiednie przemieszczenie kątowe. Impulsy elektryczne są w odpowiednim układzie elektronicznym przetwarzane na napięcia sterujące, przy czym każdy kolejny impuls powoduje zmianę układu napięć sterujących, zwaną komutacją. Każdy kolejny impuls powoduje obrót silnika o pewien określony kąt, zwany skokiem lub krokiem. Wartość skoku jest stała, zależna tylko od konstrukcji silnika, nie zależy ona ani od czasu trwania impulsu, ani od napięcia tego impulsu (byle było ono większe od określonej wartości progowej). Biegunowość napięcia impulsu decyduje o kierunku obrotu silnika.

Silniki skokowe można zaliczyć do maszyn synchronicznych, gdyż przy określonej częstotliwości impulsów średnia liczba obrotów na jednostkę czasu jest stała i nie zależy w zasadzie od wartości momentu obciążenia.

Ze względu na budowę silniki skokowe można podzielić na dwie podstawowe grupy:

• o wirniku biernym (reluktancyjne),

• o wirniku czynnym.

Zasadę działania silnika skokowego o wirniku biernym ilustruje rys. 3.7. Przy zasilaniu uzwojenia 1 jawnobiegunowy wirnik zajmuje położenie pionowe, jeżeli zasilane jest uzwojenie 2, to wirnik obraca się o kąt π/3 w prawo i ustawia się w osi biegunów, kolejno zasilanie uzwojenia 3 daje dalszy obrót o kąt π/3. Przy zmianie kolejności komutacji prądów wirnik obraca się skokami w przeciwną stronę.

Rys. 3.7 Układ silnika skokowego o wirniku biernym

Silniki skokowe o wirniku czynnym odznaczają się tym, że wirnik ma własne pole magnetyczne, wytworzone przez magnezy trwałe lub przez obce wzbudzenie. W tym przypadku moment i skok wirnika powstaje wskutek wzajemnego oddziaływania dwóch pól magnetycznych: stojana i wirnika.

Zasadę działania typowego jawnobiegunowego silnika skokowego z magnesem trwałym ilustruje rys. 3.8.

Rys. 3.8. Silnik skokowy z magnesem trwałym i komutatorem mechanicznym: a) układ; b) komutacja prądów przy jednokierunkowym obracaniu komutatora

Na stojanie znajdują się trzy uzwojenia połączone w gwiazdę. Wirnik, wykonany z magnesu trwałego, zajmuje każdorazowo położenie określone przepływami uzwojeń stojana. Komutacja prądów może być elektroniczna albo mechaniczna. Komutator mechaniczny (rys. 3.8b) składa się z dwóch działek oddzielonych izolacją, zasilanych za pośrednictwem pierścieni ze źródła prądu stałego. Przekładniki izolacyjne mają szerokość π/6. W zakresie 5π/6 obrotu komutatora każda faza silnika jest zasilana napięciem dodatnim, przez następne π/6 obrotu nie jest zasilana, a przez kolejny kąt obrotu 5π/6 jest przyłączona do ujemnego bieguna źródła wzbudzenia. W ten sposób przy obrocie komutatora dokonuje się komutacja prądów jak na rys. 3.8b (nie uwzględniono tu wartości prądów, a tylko kierunek przepływu), wskutek czego co π/6 kąta obrotu komutatora wirnik silnika dokonuje obrotu o kąt π/6. Położenie komutatora jest więc odwzorowane przez silnik.

Silniki o wirniku czynnym mają niekiedy na wirniku uzwojenie drukowane, zasilane przez pierścienie ślizgowe. Przez wykonanie druku na dwóch stronach tarczy można otrzymać uzwojenie dwufazowe, wówczas magnes trwały lub elektromagnes znajduje się w stojanie. W takim rozwiązaniu uzyskuje się silne pole magnetyczne i małą elektromechaniczną stałą czasową wirnika.

Istnieje wiele różnorodnych odmian silników skokowych. Dążeniem konstruktorów jest uzyskanie dużych momentów synchronizujących przy możliwie małym momencie bezwładności wirnika, zmniejszenie jednego skoku i zwiększenie granicznej częstotliwości impulsów sterujących.

Falowniki

Trójfazowe silniki asynchroniczne są bardzo chętnie wykorzystywane w różnego rodzaju napędach. Decyduje o tym ich prosta budowa i duża niezawodność (patrz siłownik elektryczny). Brak komutatora, pierścieni ślizgowych i szczotek, a więc elementów najszybciej zużywających się w maszynach elektrycznych oraz prosta budowa wirnika powodują, że silniki te, poprawnie eksploatowane, praktycznie nie ulegają uszkodzeniom. Podstawowym niedostatkiem tych silników, uniemożliwiającym ich stosowanie w wielu układach, jest brak łatwego sposobu regulowania prędkości obrotowej. Jedynym, efektywnym sposobem regulowania prędkości obrotowej tych silników jest zmiana częstotliwości trójfazowej sieci zasilającej. Umożliwiają to urządzenia zwane falownikami. Lampowe konstrukcje tych urządzeń były mało przydatne w praktycznym zastosowaniu ze względu na duże gabaryty i małą sprawność. Od pewnego czasu postęp w technologii półprzewodników umożliwia konstruowanie półprzewodnikowych falowników stosunkowo dużej mocy (firma Hitachi produkuje falowniki dla silników o mocy do 7.5 kW). Zastosowanie procesora w konstrukcji falownika SJ-100 pozwoliło uzyskać oprócz podstawowej funkcji (generowanie trójfazowego napięcia przemiennego 220 V o regulowanej częstotliwości w zakresie od 0 do 360 Hz) szereg dodatkowych cech, wśród których wyróżnia się stabilizacja momentu napędowego silnika zasilanego falownikiem dla zakresu częstotliwości od 5 do 50 Hz.

Przeczytać dokumentację techniczną falownika SJ-100, zapoznać się z działaniem falownika, włączając silnik trójfazowy asynchroniczny krótko zwarty do sieci trójfazowej w gwiazdę, trójkąt i poprzez falownik.

Siłownik elektryczny

Zapoznać się z budową i działaniem elektrycznego siłownika przemysłowego, napędzanego silnikiem trójfazowym i współpracującego z zaworem kulowym.

16

---