Automatizační systémy IAutomatizační systémy I

Ing. Josef Madajmadaj@spscv.cz, kabinet Aut – suterénhttp://web.spscv.cz/~madaj

SPŠ Chomutov, VŠDS ŽilinaZVT a.s., LOBB a.s., ZPA a.s.

- 12 (3 x 4) hod skupinová konzultace- 0 hod pracovní seminář- 30 hod / semestr

část 1.část 1.

2

Požadavky ke zkoušcePožadavky ke zkoušceúčast na skupinové konzultaci !semestrální práce – zadání:

– http://web.spscv.cz/~madaj/sempras1.pdfpožadavky na úpravu semestrální práce:

– http://web.spscv.cz/~madaj/uabspr.pdfvzorový titulní list a prohlášení:

– http://web.spscv.cz/~madaj/pr1.doc– http://web.spscv.cz/~madaj/pr2.doc

písemný test na min. 60%,osobní účast na zkoušce

3

Doporučená literaturaDoporučená literatura Balátě, J.: Automatické řízení, BEN, 2003 Kubík a kol.: Teorie automatického řízení, SNTL-ALFA Kol. autorů: Automatizace a automatizační technika, 4 díly,

ČM spol. pro aut., Computer Press, 2000 Švarc, I.: Automatizace, Automatické řízení, VUT Brno, 2003 Rampas: Automatizace I, II, skripta SPŠ a VOŠ Chomutov Šmejkal, Martinásková: PLC a automatizace, BEN, 2002 Šmejkal, I.: PLC a automatizace 2., BEN, 2005 Novák, V.: Základy fuzzy modelování, BEN, 2002 Kol. autorů, Prostředky průmyslové automatizace, VUTIUM, 2006 Shmid, D. a kol.: Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku,

EUROPA-SOBOTÁLES, 2005

Odborné časopisy: Automatizace, Automa, Sdělovací technika

4

Doporučená literaturaDoporučená literaturaBEN edice Senzory neelektrických veličin 5 dílů: Kreidl, M.: Měření teploty – senzory a měřící obvody, BEN, 2005, 1. díl Lysenko, V.: Detektory pro bezdotykové měření teplot, BEN, 2006, 2.díl Bejček, Ďaďo, Platil: Měření průtoku a výšky hladin, BEN, 2006, 3. díl Kreidl, M., Šmíd, R.: Technická diagnostika, BEN, 2006, 4. díl Fukátko, T.: Detekce a měření různých druhů záření, BEN, 2006, 5. díl

Kreidl, M.: Senzory, skripta ČVUT, 1993 Martinek, R.: Senzory v průmyslové praxi, BEN, 2004 Pokorný, M.: Umělá inteligence v modelování a řízení, BEN, 1996 Štulpa, M.: CNC obráběcí stroje a jejich programování, BEN, 2006 Pohorský, J.: HDO – hromadné dálkové ovládání, BEN, 2002 Přibyl, Svítek: Inteligentní dopravní systémy, BEN, 2002

5

Úvod – obsah kurzuÚvod – obsah kurzu Historie, budoucnost, důvody a přínosy Prostředky automatického řízení

– Statické a dynamické vlastnosti,

– Senzory,

– Členy pro přenos, úpravu a zpracování signálu,

– Akční členy, Automatické řízení

– Logické řízení, PLC,

– Spojitá regulace,

– Číslicová regulace, Komunikace v automatizovaných systémech

6

Cíle kurzu – student dokážeCíle kurzu – student dokáže shrnout šíři záběru oboru definovat základní pojmy oboru popsat typické vlastnosti a funkci technických

zařízení v regulačním obvodu vysvětlit fyzikální principy snímačů řešit logické obvody vysvětlit činnost PLC vysvětlit činnost regulačního obvodu popsat vlastnosti a použití spojitých regulátorů popsat vlastnosti a použití nespojitých regulátorů vysvětlit blokové schéma číslicového reg. obvod použít komunikační prvky v automatizaci

7

HistorieHistorieautomatizace fyzické práce Starověk: páky, kladky, kola, pára – např. Herón Středověk – rozvoj mechanismů (čerpadla vody

pro doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce)

Novověk - průmyslová revoluce– Wattův odstředivý regulátor r. 1775 (první regulace)– Jacquardův tkalcovský stav okolo r. 1800

s programovacím děrovaným pásem 1913 první montážní výrobní linka hromadné

výroby (Henry Ford) – automaty ve výrobě

8

Moderní historieModerní historieautomatizace duševní činnosti 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith)

– Tabulating Machine Co,– 1911 Computing-Tabulating-Recording Co,– 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM)

1943 reléový počítač MARK I (Harvard) 1944 elektronkový počítač ENIAC 1947 objev tranzistoru (Schockley Nob.C. 1956) 1958 první integrovaný obvod 1971 první mikroprocesor (Intel 4004)

– pružná automatizace změnou programu 70. léta 20. stol. rozvoj PLC, 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI.

9

Budoucnost a trendyBudoucnost a trendyVyužití poznatků jiných vědních oborůAutomatizace nevýrobních procesůAutomatizace budovLogistikaDiagnostika a zabezpečeníDomácnost a spotřební technikaVliv mikroelektroniky – již dnes patrnýKomunikace, sítěAplikace pro člověka (medicína,

pomoc…)Použití UI pro automatizaci

10

Důvody automatizaceDůvody automatizace Vynucená automatizace (nezáleží na investici)

– ochrana života a zdraví (extrémní podmínky, jedy …)– vyloučení lidského faktoru– nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, hlubiny, cévy …)– limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce)

Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější)– snížení nákladů výrobních, režijních …– zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality– zkrácení doby vývoje a výroby– pružná reakce na požadavky trhu

Ostatní důvody– zvyšování pohodlí člověka– poskytování informací (sledování stavu zařízení, technologie)– ekologie – monitorování prostředí, spalování …– zábavní průmysl, hračky

11

Přínosy automatizacePřínosy automatizace Zkrácení doby výroby a rychlá reakce na

požadavky trhu Zvýšení jakosti, spolehlivosti a přesnosti Snížení výrobních nákladů

– Lepší organizace výrobních procesů– Úspora materiálu, energií, ploch skladů a výroby– Snížení nákladů na nekvalitní produkci– Odstranění drahé lidské práce– Snížení mzdových nákladů– Využití levných sazeb energií (noční proud …)

Optimalizace výrobních nákladů Rychlé a přesné informace o výrobě

12

Rozdělení prostředků - kriteriaRozdělení prostředků - kriteria Vztah k informaci

– získání, přenos, zpracování, uchování, využití Energie

– mechanická, el., pneu., hydraulická, optická Signál

– analogový, nespojitý (v čase, v amplitudě) Konstrukce

– jednoúčelové, stavebnicové, kompaktní Interakce s okolím

– klima, korozivita, explozivita, nebezpečný dotyk Funkce

– ovládání, regulace, signalizace, zabezpečení, vyšší řízení, pomocné

13

Vlastnosti prostředkůVlastnosti prostředků Statické vlastnosti

(závislost mezi vstupem a výstupem v ustáleném stavu)– charakteristika y = f(x), ideál y = k · x + q– nelinearita (typické nelinearity),– linearizace funkce, pracovního pásma a bodu– získání (ne/citlivost, přesnost, chyby)

Dynamické vlastnosti (přechod z jednoho do druhého ustáleného stavu)– diferenciální popis, Laplaceova transformace, 1(t), δ(t)– operátorový přenos F(p)=výstup/vstup– charakteristika frekvenční v log. souřadnicích,– charakteristika frekvenční v komplexní rovině,– charakteristika přechodová (odezva na vstupní signál)– získání přechodové char. (pomalé, stř. a rychlé procesy), chyby

Bloková schémata– sériové, paralelní a zpětnovazební řazení, křížené vazby

14

SnímačeSnímačeZákladní blokové schéma snímače

čidlo, měřící obvod, zesilovač, zpracování signálu (linearizace, rozsah), A/D, μP, R

využití základních el. veličin pro snímačeR = R20 ( 1 + α · Δυ + β · Δυ2 + …),R = ρ · l / S,C = ε0 · εR · S / d,L ≈ ( μ, l ),M ≈ ( μ, l )

nejčastější: teplota, poloha, průtok, hladina

15

Snímače teplotySnímače teploty elektrické

– odpor kovů Pt a Ni (Pt100, Pt500, Ni1000),– odpor polovodičů (termistor) = pozistor, negastor

dilatační– dvojkovy (dva s rozdílnou roztažností = „bimetal“),– plyny,– kapaliny + Hg,

speciální– termoelektrický jev (Pt jako referenční kov),– oscilace Si výbrusu (krystal) f ≈ ∆υ, – pyrometrie, IR, pyroelektrický jev (PIR čidla),– kvantový jev – R, Uf a Iz PN přechodu– termobarvy, žároměrky, tužky

16

Snímače polohySnímače polohy odporové snímače

– rozlišení, linearita, životnost, tepl. koef., provozní moment, šum,– provedení: rotační, přímočaré, víceotáčkové– tvar dráhy, pohyb jezdce, materiál dráhy– zapojení: reostat, potenciometr, můstek

nespojité mechanické snímače (koncové spínače) magnetické bezdotykové snímače

– jazýčkové relé, Wiegandova sonda indukčnostní (tlumivky) a indukční (trafo) snímače

– princip nespojitého indukčnostního snímače selsyny (přenos nebo měření úhlů) kapacitní snímače (normální/diferenciální – spojité/nespojité)

– měřící metody: můstkové, zpětnovazební, rezonanční optické snímače

– měření polohy: absolutní / inkrementální– indikace polohy: jednocestné / reflexní (závory, záclony, mříže)

optické vláknové senzory – využití indexu lomu, mech. vlákna ultrazvukové snímače

17

Snímače průtokuSnímače průtokuměří objemové nebo hmotnostní množstvírychlostní snímače

– průřezové: clona, dýza, trubice Pitot a Venturi– rotametr, turbinkový, indukční, ultrazvukový,

vírový, anemometrickýobjemové snímače

– dávkovací, zvonový, měchový

18

Snímače hladinySnímače hladiny plovákový (+ mechanický převod na R snímač) kapacitní (volba elektrod podle kapaliny) hydrostatický

– vlastnost kapalin (tlak na dně úměrný výšce sloupce) radarové (princip pulzní nebo spojitý) ultrazvukové (echolot) radioizotopové

– s absorpcí záření průchodem materiálu

– se změnou vzdálenosti mezi zářičem a detektorem

19

Přenos signáluPřenos signálu mechanický

– táhla, bowdeny, páky, kladky, ozubená kola, membrány, vlnovce, písty

pneumatický– potrubí (plast, kov), hadice

hydraulický– potrubí (kov), pancéřované hadice– setrvačnost kapaliny = vznik rázů → jen malé délky

elektrický – nf, vf a koax. kabely optický – vlákna (1vid, vícevid, gradient, plast)

zesilovače (an.), tvarovače (dig.), filtry (šum)

20

PřevodníkyPřevodníky signálové

– přirozený fyzikální na jednotný signál (unifikace) mezisystémové

– unifikované signály různých energií navzájem A/D přímé

– paralelní, kompenzační, komparační, A/D s mezipřevodem

– s jednoduchou nebo dvojitou integrací, U/f D/A

– s váhovými odpory, síť R-2R

21

Zpracování signálů zesilovačiZpracování signálů zesilovači spojité, nespojité elektro -nické, -technické, pneu, hydraulické lineární, nelineární ss, nf, vf, širokopásmové symetrické, nesymetrické operační, výkonové, oddělovací elektronkové, tranzistorové, tyristorové,

integrované, magnetické zpětné vazby pro – stabilitu, zkreslení, zesílení,

linearitu, dynamiku, impedanci ztrátový výkon = teplo operační zesilovač: Rin→∞, Rout→0, Au→∞

22

Logické prvkyLogické prvkyelektrotechnické – relé (stykač)

– elektromagnetická, jazýčková, polarizovaná, magnetoelektrická

elektronické– HW logika: hradla RTL, DTL, TTL, hr. pole– SW logika: μP, PC, PLC

pneumatické– statické (využití tlaku média),– dynamické (fluidika – využití vlastností

proudění média) rozvoj v 60. letech 20. stol.

23

Akční členyAkční členyvyužití informace: pohon + regulační orgán pohon – blokové schéma el. motory:

– ss: derivační, sériový, kompoudní– stř: 3f asynchronní, 1f, 1f komutátorový– krokový: s aktivním / pasivním rotorem

pneumatické– membránové, pístové (1 a 2činný)

hydraulické– pístové (pouze 2činný)

regulační orgány– všeobecné: ventily, šoupátka, klapky, žaluzie ...– speciální: zdymadla, rozvodná kola, karburátor– charakteristiky: rychlootvírací, lineární, parabolické ...

24

Automatické řízení - LogickéAutomatické řízení - Logické logická algebra – výroková (Booleova) výrok je tvrzení o kterém je možné rozhodnout

zda platí nebo ne logická proměnná: 1/0, H/L, true/false logické spojky:

– ne (not) = negace

– a, i (and) = součin

– nebo (or) = součet zákony algebry

– dvojitá negace, DeMorganův, absorpce negace, absorpce třetího, agrese a neutralita 0 a 1 atd.

25

Kombinační obvodyKombinační obvodyzadání: slovní, vzorcem, pravd. tabulkou,

seznamem indexů, Karnaughovou mapouzákladní log. funkce: NOT, NAND, NOR,

AND, OR, XORminimalizace: algebraická, numerické

metody (PC), Karnaughovou mapourealizace – schémazásady použití TTL hradel NOR, NANDobvyklé kombinační funkce

– selektor, dvojkový dekodér, multiplexer

26

Sekvenční obvodySekvenční obvody asynchronní / synchronní klopné obvody:

– astabilní (generátory impulsů),

– monostabilní (časování),

– bistabilní: RS, RST, T, D, JK vstupy kl. obvodů: S, R, T, D, J, K, Clk, U/D, výstupy kl. obvodů: Q, /Q, CyU, CyD výstup v binárním nebo dekadickém kódu, využití: registry, asynchronní a synchronní

čítače, μP, paměti, řadiče, stavové automaty

27

Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost