Mechanizacja - polega na zastosowaniu maszyn do wykonania pracy, której część nie mogłaby być wykonana przez człowieka ze względu na wymaganą szybkość.

Automatyzacja - to zespół środków technicznych mających na celu zastąpienie człowieka przy przetwarzających się lub wymagających bardzo szybkiej reakcji czynnościach intelektualnych. Do czynności tych należą:

• Zbieranie, rozróżnianie i logiczne przetwarzanie informacji

• Podejmowanie właściwych decyzji i ich realizacja

Przedział istniejący - a) praca ręczna b) mechanizacja c) automatyzacja.

Mechanizacja - spowodowała powstanie procesów wymagających szybkiego i precyzyjnego nadzoru.

Automatyka - zajmuje się realizacją sterowania określonymi procesami bez udziału człowieka lub przy jego ograniczonym udziale.

W zależności od przenoszenia rozwiązania można wyróżnić:

- Automatyzacja w dziedzinach poza produkcyjnych (medycyna, handel, komunikacja, żegluga, lotnictwo, kosmonautyka, życie domowe, badania naukowe i ekonomiczne, zarządzanie.

- Automatyzacja procesów produkcyjnych (podst. Gałęzie przemysłu chemicznego, energetyki, hutnictwa, górnictwa

Cel automatyzacji procesów produkcyjnych - uniezależnienie wydajności i kosztów produkcji oraz jakości wytworzonych wyrobów od wkładu oraz kwalifikacji, ciągłej obserwacji personelu obsługującego urządzenia produkcyjne.

Automatyzacja (zmniejszenie produkcji) zapewnia bardziej bezpieczne i dogodniejsze warunki pracy, zwiększa zapotrzebowanie na pracowników nadzoru technicznego, technologów, automatyków, elektroników, informatyków i innych.

Do automatyzacji procesów produkcyjnych zalicza się zagadnienia związane ze sterowaniem i kontrolą blokady zabezpieczeń, sygnalizacja itp. *********.

Proces produkcyjny (przemysłowy) ogół działań zmierzających do przetworzenia surowców w produkty końcowe.

Osiągnięcie celu - kontrola podstawowych parametrów procesu, które mają decydujący wpływ na jego przebieg.

W procesie przemysłowym wyróżnia się procesy:

• technologiczne (nieciągłe, ciągłe, okresowe)

• kontroli jakości

• transportowej

• magazynowania

Automatyzacja konwencjonalna ( procesy jednostkowe) - układy regulacji zastępują człowieka w jego najprostszych czynnościach nadzoru i kontroli:

• strumienia cieczy w rurociągach

• ciśnienia gazów w zbiornikach

• temp. w wymiennikach ciepła itp.

Automatyzacja kompleksowa (procesy kompleksowe) grupa procesów jednostkowych podporządkowana centralnemu układowi sterującemu według ustalonych kryteriów. Przykłady:

• proces metalurgiczny (aglomerowania proces konwertorowy-walcowania)

• system elektroenergetyczny (kocioł-turbina-generator)

Względy ekonomiczne i społeczne automatyzacji. Automatyzacja umożliwia promowanie produkcji masowej

Efekty ekonomiczne - wyrażone wartością pieniężną gdyż wpływają na obniżkę lub wzrost kosztów własnych produkcji:

• wzrost wydajności pracy

• lepsza jakość produkcji dzięki zmniejszeniu strat i przestojów

• zmniejszenie odpadów produkcyjnych i braków

• większa moc przerobowa (zmniejszenie magazynowania)

Efekty pozaekonomiczne - sfera zagadnień społecznych:

• konieczność nieustannego podnoszenia kwalifikacji załogi

• wyeliminowanie ciężkich i monotonnych czynności

• zwiększenie bezpieczeństwa i higieny na stanowiskach pracy

• zmniejszenie ryzyka zagrożenia zdrowia ludzkiego

• podnoszenie kultury pracy

System automatyzacji procesu przemysłowego

Ogólnie przez system rozumie się pewną całość złożoną z różnych części o różnych funkcjach i sposobach pracy mają określony cel lub wiele celów działania (techniczny, przemysłowy, ekonomiczny, administracji, biologiczny)

Systemem automatyzacyjnym procesu przemysłowego nazywa się zespół środków technicznych mających na celu zastąpienie człowieka przy realizacji następujących czynności związanych ze sterowaniem procesu przemysłowego: ********

• zbieranie i przetwarzanie informacji o procesie

• podejmowanie właściwych decyzji - realizacja celu

• sterowanie na podstawie wypracowanych decyzji

• dokumentowanie przebiegu procesu

Urządzenia sygnalizacji - zestaw elementów służących do przekazywania określonych znaków optycznych, dźwiękowych lub innych informujących o aktualnych stanach procesu.

Wprowadzenie urządzeń sygnalizacji:

• zwiększa niezawodność pracy]

• zwiększa bezpieczeństwo pracy

• poprawia rytmiczność cyklów produkcyjnych

• ogranicza czas trwanie zakłócenia

• zapobiega stratom

• oszczędza aparaturę

Układy zabezpieczeń i blokad

W praktyce podział na blokady i zabezpieczeń nie zawsze jest wyróżniony i konsekwentny. Występują one obok siebie i rzadko spełniają podobne funkcje.

Kontrola - pomiar (uzyskanie informacji) Sterowanie - kierowanie urządzeniem lub procesem. Sterowanie - oddziaływanie na dany obiekt w sposób zamierzony mający doprowadzić do spełnienia określonego celu. Regulacja - połączenie sterowanie z pomiarem.

2 sposoby sterowania:1) Otwarty układ sterowania, 2) zamknięty układ sterowania(sprz.zwro)

Układ - połączenie elementów, które współdziałają i wykonują pewne zadanie. Pojęcie ukł. nie jest ograniczone do ukł. Fizycznego. Może być zastosowane do abstrakcyjnych zjawisk dynamicznych, takich jak zjawiska spotykane w ekonomii.

Element automatyki - ukł. w którym wyróżniamy sygnał wej i wyj nazywamy krótko elementem.

Otwarty układ sterowania - sygnał wyjściowy nie wpływa na akcję sterowanie. W otwartym układzie sterowanie sygnał wyjściowy nie jest ani mierzony ani podawany zwrotnie dla porównania z sygnałem wejściowym.

W żadnym układzie otwartym sygnał WY nie jest porównywany z sygnałem WE będącym odniesieniem stąd dokładność układu zależy od wzorcowania.

Układ sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym zamknięty układ sterowania, czyli układ automatycznej regulacji (UAR). Należy zamknąć pętlę oddziaływań tzn. uzależnić sterowanie od skutków, jakie to sterownie wywołuje. Połączenie wielkości regulowanej Y zamykające pętlę regulacji nazywa się sprzężeniem zwrotnym. Układ, który utrzymuje wyznaczony stosunek pomiędzy sygnałem wyjściowym a będącym odniesieniem sygnałem wejściowym poprzez porównywanie ich wykorzystania różnicy jako środka sterowania jest nazywany układem sterowania ze sprzężeniem zwrotnym (układem automatycznej regulacji UAR).

Otwarty układ sterowanie - sygnał wyjściowy nie wpływa na akcję sterowanie.

Ukł sprzężenie zwrotne:

u - s. reprezentujący ste`rowanie(s. nastawiający), w - s. wymuszający, y - s sterujący, z1;z2 - s zakłócający.

Układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym (UAR). Uzależnienie sterowania od sktutków jakie to sterowanie wywołuje.

Automatyczne sterowanie w ukł zamkniętym:

a) stabilizujący, b) programowe, c) nadążane

Automatyczne sterowanie w ukł otwartym:

a) z kompensacją zakłócającą, b) programowe

Klasyfikacja układów automatycznego sterowania.

Zamknięty: a) Układ stabilizujący - układ o stałej wartości zadanej, który ma za zadanie zapobiegać zmianom wielkości regulowanej przy zmniejszających się w czasie zakłóceniach.

b) Układ programowy (śledzący) wartość zadana w(t) jest z góry określoną funkcją czasu czyli zmieniającą się według pewnego programu w = f(t) rozruch silnika maszyny wyciągowej w której obroty silnika mają narastać liniowo.

c) Układ nadążny (śledzący) - zartość zadana w(t) jest funkcją czasu przy czym jest ona nieznana (w = ?); zmiany tej funkcji nie zależą od procesu zachodzącego wewnątrz układu ale związane są ze zjawiskami występującymi na zewnątrz.

Otwarty: a) Układ z kompensacją zakłócenia: likwidacja skutków zakłócenia, są wprowadzane dodatkowe bloki do układu sterowania (korektory zakłóceń).

b) Układ programowe: wartość zadana w(t) jest z góry określoną funkcją czasu, położenia itp. Przykładem mogą być ukł regulacji obrabiarek, wykonujących element, o z góry określonym profilu.

ZASUWA:

Metoda sterowania strumieniem płynu - metoda dławieniowa - zasuwa. Zmiana stopnia otwarcia zasuwy x powoduję zmianę położenia przesłony oraz zmiany pola powierzchni przepływowej zasuwy An = Bx R - nie charakterystyka konstrukcyjna.

W praktyce posługujemy się zredukowanym stopniem otwarcia. Y=x/H100% wówczas równanie charakterystyka konstrukcyjna zasuwy prostokątnej ma postać An = Anmax x/100.

PRZEPUSTNICA: An - bieżące pole przepływu

Zredukowany stopień otwarcia x = (φ/(π/2))100. charakt konstr An = Anmax (1-cos φ). Dla przepływów turbulentnych m*, płynący przez element nastawny, opisuje r - nie wynikające z bilansu energii strugi. m=3600AnαЄ1√2Δpnp1 [kg/h], α - L przepływu, m -L ekspansji.

Na strumień masy mają wpływ:

- parametry termodynamiczne p1,p2,T1, poprzez α1,Є1,p1, Δpn

- parametry konstrukcyjne elementu nastawnego takie, jak wymiary i stopień otwarcia poprzez An. Charakterystyki przepływu|: podstawowej i roboczej.

Podstawowa charakterystyka przepływowa - określazwiązek między strumieniem płynu, a strumieniem otwarcia przy nie zmiennym spadku ciśnienia w elemencie nastawnym Δpn=idem Kv - współ przepływu (wielkość narodowa)

Współ Kv wyraża strumień wody V* w m3/h o gęstości p1=1000 kg/m3 i kinematycznym współ lepkości v1 10^-6 m2/s który przepływa przez element nastawny o średnicy nominalnej Δn przy stopniu otwarcia X i spadku ciśnienia Δpn = 9,81 kPa=idem. *************

Podst par Kv = V* = 3600Anα√2(98100/1000)=50425,71Anα

- dla nasyconej pary wodnej k=0,5

- dla przegrzanej pary wodnej i gazów trójatom (G2) k=0,7

- dla gazów dwuatom (powietrza) k=0,45

- dla gazów jednatom k=0,42

Liczba lokalnego oporu przepływu Z=2 Δpn/w^2p1, Δpn=98100Pa, wn=Kv/3600Anmax

Połączenie równoległe Kv=Kv1+kV2 (stały spadek ciśnienis), Połączenie szeregowe Zn=Zn1+Zn2 (różne spadki ciśnień)

Robocza zwana również regulacyjna charakterystyka przepływowa określa związek między strumieniem płynu, a stopniem otwarcia spadku ciśnienia w elemencie nastawnym. Element nastawny współpracuje:

- z siecią w skład, której wchodzą: rurociąg, kolana, trójniki, armatura odcinająca kryzy itp.

- ze źródłem, a więc wentylatorem, pompa lub regulatorem ciśnienia (reduktorem).

W elementach tych występują straty ciśnienia związane z przepływem, a więc każdą z nich ma własną charakterystykę przepływową: sieć Δps(m*) oraz źródło Δpz(m*).

Do wyznaczania przepływu charakterystyki sieci niezbędna jest znajomość współ jedn pkt tej charakterystyki. Najczęściej znamy max spadek ciśnienia ΔPmax, który odp max strumieniowi przepływu m*max. Dla przepływu turbulentnego jest to zależność paraboliczna.

Δps(m*) = Δpmax(m*/m*max).

Charakterystyka źródeł typu: wentylator pompa można, z dokładnością dla celów inżynierskich, apoksymować wielomianem 2-go stopnia.

maksymalny spadek ciśnienia płynu w sieci (rurociągu, kryzie, palniku, rekuperatorze itp.)

k_N powinno wynosić od 0,2 - 0,4 (20% - 40%)

Sygnały w układach automatycznego sterowania

Sygnał w automatyce - przebieg zmian określonej wielkości fizycznej wyrażający w umowny sposób informację.

Przekazywanie informacji sygnały

Podstawowa cecha sygnału wielkość nośna (fizyczna):

• Ciśnienie powietrza lub oleju

• Napięcie lub natężenie prądu

• Siła

• Przyspieszenie lub przemieszczenie

Właściwości dynamiczne.

Sygnał wejściowy nosi nazwę wymuszenia.

Odpowiedź elementu lub układu na wymuszenie standardowe nazywa się charakterystyką dynamiczną.

Przed podaniem wymuszenia sygnały x(t) i y(t) są wstanie ustalonym

Odpowiedzią skokową układu jednowymiarowego, liniowego nazywamy sygnał otrzymany na jego wejściu po podaniu na jego wejście wymuszenia skokowego przy zerowych warunkach początkowych.

Podstawowe człony automatyki i ich właściwości

Poddając analizie rzeczywisty układ sterowania, należy utworzyć taki jego model, który dobrze odwzorowuje interesujące użytkownika cechy i własności

Elementy lub układy występujące w modelu matematycznym przyjęto nazywać członami układu sterowania.

Członem (poj. Szerokie) może być: kondensator, zawór, miernik, wzmacniacz, obiekt regulacji itp.

Klasyfikacja członów ze względu na własności dynamiczne:

• Proporcjonalny

• Inercyjny (I - rzędu)

• Całkujący

• Różniczkujący

• Oscylacyjny

• Opóźniający

Obiekty regulacji

Obiekty (podobnie jak inne elementy automatyki) klasyfikuje się zwykle ze względu na ich właściwości dynamiczne

Najbardziej ogólna klasyfikacja wyróżnia jedynie cechę samodzielnego osiągania lub nie osiągania stanu równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuszenia skokowego.

Ze względu na końcową wartość odpowiedzi skokowej rozróżnia się dwie grupy obiektów:

1. statyczne (z samowyrównaniem), których wartość odpowiedzi skokowej dąży do wartości skończonej

2. astatyczne (bez wyrównania), których wartość odpowiedzi skokowej dąży do nieskończoności

Regulatory - Wstęp

W procesach technologicznych zadanie układu regulacji polega na utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej (wartość zadana x = const.). Regulację taką nazywa się stałowartością.

Utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej przeszkadzają wielkości zakłócające. Zastosowanie układ automatycznej regulacji ma prowadzić do eliminacji wpływu zakłóceń na wielkość regulowaną.

Odmienną od regulacji stałowartościowej jest regulacja programowa, przy której wartość wielkości regulowanej ma zmieniać się w czasie w ustalony z góry sposób (wartość zadana x=x(t) jest zdeterminowana)

Trzecim rodzajem regulacji jest regulacja nadążna - wartość zadana zmienia się w sposób niezdeterminowany x=x(?)

Regulator - to urządzenie w UAR, które na podstawie wejściowego sygnały błędu e(t) tak kształtuje sygnał wyjściowy układu y(t), by osiągnąć żądany efekt regulacji.

Sygnał błędu e(t) zwany również uchybem regulacji wypracowuje sam regulator albo inne współdziałające z nim urządzenia.

Uchyb regulacji powstaje poprzez porównanie wartości zadanej (wzorcowej) ze zmierzoną wartością wielkości regulowanej.

Zamknięty UAR

Zadaniem regulatora jest takie oddziaływanie na obiekt regulacji sygnałem x_r, aby błąd regulacji e=x-y_m miał wartość jak najmniejszą (e0)

Regulator

W klasycznych sformułowaniach własności regulatorów rozróżnia się następujące zależności x_r(t) od e(t):

• proporcjonalną (P)

• całkową (I)

• proporcjonalno - całkową (PI)

• proporcjonalno - różniczkową (PD)

• proporcjonalno - całkowo - różniczkową (PID)

Podczas sterowania regulator dąży do utrzymania zadanej wartości sygnału regulowanego zależnie od wartości nastaw parametrów występujących w trzech blokach funkcjonalnych.

Regulator proporcjonalny P

W idealnym regulatorze proporcjonalnym sygnał wyjściowy regulatora x_r(t) jest proporcjonalny do sygnału wejściowego.

Zwiększenie wartości wzmocnienia albo zmniejszenie zakresu proporcjonalności przynosi ten sam efekt.

Analizując własności akcji proporcjonalnej w regulatorze można stwierdzić że:

• zastosowanie w układzie tylko regulatora P nie eliminuje błędu - wartość wyjściowa nie osiąga wartości ustalonej; można temu próbować zaradzić zwiększając wartość k_p.

• nastawiając większe wzmocnienie w regulatorze, uzyskuje się szybsze działanie, ale i większe oscylacje przebiegów, a tym samym mniejszą stabilność.

Regulator całkowy I

W idealnym regulatorze całkowym, sygnał wyjściowy xr(t) jest proporcjonalny do całki sygnału wejściowego e(t).

Własności regulatora całkującego:

• reaguje nawet na najmniejsze odchyłki sygnału regulowanego, o ile tylko trwają one wystarczająco długo

• likwiduje do zera ustalony uchyb regulacji

• ze wzrostem i zmniejszeniem wartości T_i rośnie intensywność akcji całkującej regulatora

• akcja całkująca powoduje wydłużenie czasu regulacji w porównaniu
  z regulatorem P; czas regulacji jest tym dłuższy im dłuższy jest czas zdwojenia.

Regulator różniczkowy D

Sygnał wyjściowy idealnego regulatora różniczkowego x_r(t) jest proporcjonalny do pochodnej wejściowego sygnału błędu e(t)

Własności regulatora z akcją różniczkującą:

• regulator reaguje na kierunek i szybkość zmian odchyłki sygnału regulowanego

• skraca czas trwania procesu regulacji

• lepiej tłumi zakłócenia szybkozmienne

PID

W praktyce stosuje się 3 typy regulatorów:

• proporcjonalny P - szybki, ale nie likwiduje błędu ustalonego

• proporcjonalno - całkowy PI - likwiduje błąd ustalony, ale ma dłuższy czas regulacji; powstaje z połączenia regulatora P oraz I

• proporcjonalno - całkowo - różniczkowy PID - likwiduje błąd ustalony i jest względnie szybki; z połączenia regulatorów: P, I, D.

Dobór nastaw regulatora

Gdy znana jest charakterystyka dynamiczna albo model matematyczny układu regulacji: obliczenia, programy komputerowe (znany algorytm PID)

Przy braku znajomości modelu obiektu regulacji należy skorzystać z empirycznej metody doboru nastaw (np. Zieglerai Nicholsa)

W metodzie tej najpierw wyznacza się najmniejsze wzmocnienie tzw. Krytyczne k_w, przy którym występują drgania nietłumione i układ jest na granicy stabilności. Mierzy się okres T₀ tych drgań, a następnie oblicza się wartość nastaw korzystając z wzorów:

• Regulator P k_p = 0,5K_kr

• regulator PI k_p = 0,45K_kr

• regulator PID k_p = 0,6K_k

Pomiar

Zagadnienia do przypomnienia

1. Pomiar - to zespół czynności wykonywanych w celu ustalenia miary określonej wielkości fizycznej lub umownej, jako iloczynu jednostki miary oraz liczby określającej wartość liczbową tej wielkości, inaczej mówiąc porównywanie wartości danej wielkości z jednostką miary tej wielkości.

2. Układ pomiarowy

3. Pomiar lokalny

4. czujnik - jest to urządzenie dostarczające informację o wartości mierzonej wielkości. W tym ujęciu tak zwany czujnik składa się z: czujnika, przetwornika oraz często układu kondycjonowania sygnału i telemetrycznego.

5. Sygnał standardowy

Zbiór wartości przyjmowanych przez daną wielkość fiz. w kolejnych momentach czasu (przebieg), będący nośnikiem informacji; ten z parametrów charakteryzujących daną wielkość fizyczną (np. dla s. elektr.: napięcie, prąd lub częstotliwość), w którym odwzorowana jest informacja, nosi nazwę parametru informacyjnego; s. wykorzystuje się w technice pomiarowej, automatyzacji, łączności, technice radiowej i tv oraz wielu innych dziedzinach.

6. Sygnał cyfrowy - to sygnał, którego dziedzina i zbiór wartości są dyskretne. Jego odpowiednikiem o ciągłej dziedzinie i ciągłym zbiorze wartości jest sygnał analogowy.

7. Pomiar cyfrowy

Odwzorowanie zbioru różnych wartości określonego parametru (np. napięcia, amplitudy drgań mechanicznych itp.), zwykle uzyskiwanych w wyniku pomiarów, za pomocą kodów liczbowych (tzw. słów kodowych); stosowany gł. przy przetwarzaniu sygnałów ciągłych na sygnały dyskretne (dyskretyzacja sygnału); sygnał ciągły mogący przyjmować nieskończenie wiele wartości sprowadza się do zbioru skończonego, którego liczność nie może być większa od liczby słów kodowych, jakie mogą wystąpić w reprezentacji cyfrowej; wykorzystywany szeroko w miernictwie, w cyfrowym zapisie dźwięku, także obrazu i realizowany przy pomocy przetworników analogowo - cyfrowych.

---