38. Montowanie i testowanie połączeń układów automatyki

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ

Danuta Pawełczyk Jacek Krzysztoforski

Montowanie i testowanie połączeń układów automatyki 311[07].Z7.01

Poradnik dla ucznia

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2006


1

Recenzenci: mgr inż. Anna Górska mgr inż. Grzegorz Śmigielski

Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Danuta Pawełczyk

Konsultacja: mgr inż. Gabriela Poloczek

Korekta: mgr inż. Urszula Ran

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[07].Z7.01 „Montowanie i testowanie układów połączeń automatyki”, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik elektronik.

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006


2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania 7 4.1. Zasady łączenia urządzeń automatyki przemysłowej 7 4.1.1. Materiał nauczania 7 4.1.2. Pytania sprawdzające 17 4.1.3. Ćwiczenia 17 4.1.4. Sprawdzian postępów 19 4.2. Zasady tworzenia dokumentacji połączeń elektrycznych w układach

automatyki

20 4.2.1. Materiał nauczania 20 4.2.2. Pytania sprawdzające 32 4.2.3. Ćwiczenia 33 4.2.4. Sprawdzian postępów 35 4.3. Układy sterowania automatycznego 36 4.3.1. Materiał nauczania 36 4.3.2. Pytania sprawdzające 41 4.3.3. Ćwiczenia 41 4.3.4. Sprawdzian postępów 49 5. Sprawdzian osiągnięć 50 6. Literatura 55


3

1. WPROWADZENIE Poradnik, będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o budowie, zasadzie działania

i przeznaczeniu układów automatyki, montowaniu i testowaniu układów automatyki, tworzeniu dokumentacji, a także ułatwi wykonywanie ćwiczeń, zadań i przygotuje do czekających Ciebie w przyszłości egzaminów.

Poradnik ten zawiera: 1. Wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych umiejętności i wiedzy, które powinieneś mieć

opanowane, aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej. 2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej. 3. Materiał nauczania (rozdział 4), który umożliwia samodzielne przygotowanie się

do wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Obejmuje on również ćwiczenia, które zawierają: − wykaz materiałów, narzędzi i sprzętu potrzebnych do realizacji ćwiczenia, − pytania sprawdzające wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczenia, − sprawdzian postępów.

4. Sprawdzian osiągnięć, w którym znajduje się przykładowy zestaw zadań sprawdzających Twoje opanowanie wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki.

5. Literaturę uzupełniającą. Jeżeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela

o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność. Po przerobieniu materiału spróbuj zaliczyć sprawdzian z zakresu jednostki modułowej.

Jednostka modułowa: „Montowanie i testowanie układów połączeń automatyki”, której treści teraz poznasz, jest jednym z modułów koniecznych do zapoznania się ze sterowaniem procesami technologicznymi z zastosowaniem regulatorów nieciągłych, co w przyszłości pozwoli Ci na zrozumienie działania urządzeń, z jakimi spotykasz się na co dzień, a także pozwoli na podjęcie prac projektowych, montażowych, konserwatorskich związanych z sterowaniem.

Bezpieczeństwo i higiena pracy W czasie pobytu w pracowni, laboratorium musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp

oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki.


4

Schemat układu jednostek modułowych dla modułu

„Montowanie i eksploatowanie układów automatyki elektronicznej”

311[07].Z7.03 Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi

Moduł 311[07].Z7 Montowanie i eksploatowanie układów

automatyki elektronicznej

311[07].Z7.01 Montowanie i testowanie połączeń

układów automatyki

311[07].Z7.02 Badanie układów sterowania

z regulatorami ciągłymi


5

2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− mierzyć podstawowe wielkości elektryczne i parametry elementów elektrycznych, − dobierać metody i przyrządy pomiarowe, − przedstawiać wyniki pomiarów w różnej formie, − interpretować wyniki pomiarów, − wyjaśniać ogólne zasady działania i bezpiecznego użytkowania podstawowych maszyn

i urządzeń elektrycznych, − analizować działanie podstawowych elementów i układów elektronicznych, − klasyfikować elementy i układy automatyki, − rozróżniać podstawowe człony dynamiczne na podstawie charakterystyk skokowych, − określać rolę poszczególnych elementów w układach automatycznej regulacji, − analizować działanie podstawowych układów automatyki, − korzystać z różnych źródeł informacji o elementach, podzespołach i układach elektronicznych

oraz elementach i układach automatyki, − rysować schemat blokowy układu automatycznej regulacji, − klasyfikować układ sterowania, − klasyfikować układy automatycznej regulacji, − klasyfikować regulatory, − charakteryzować parametry sterowników mikroprocesorowych, − uruchamiać i prezentować układ sterowania, − sporządzać charakterystyki statyczne i dynamiczne przetworników pomiarowych

i elementów wykonawczych, − stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy podczas montowania

i uruchamiania elementów i urządzeń automatyki.


6

3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku procesu kształcenia powinieneś umieć:

− rozpoznać na schemacie montażowym elementy układu automatyki, − przyporządkować zaciski urządzenia ich odpowiednikom graficznym na schemacie, − zmontować układ sterowania na podstawie schematu montażowego, − wykorzystać połączenia w istniejącym okablowaniu stałym do sterowania zdalnego, − scharakteryzować zasadę ręcznego sterowania w technice stykowo-przekaźnikowej, − zastosować odpowiednie metody testowania połączeń obwodów zasilania, obwodów

sygnałów binarnych oraz obwodów z sygnałami analogowymi, − zbadać poprawność funkcjonowania kompletnego toru wejściowego od czujnika

pomiarowego do zmiennej wewnętrznej urządzenia programowalnego, − zbadać poprawność funkcjonowania kompletnego toru wyjściowego od zmiennej

wewnętrznej urządzenia programowalnego do urządzenia wykonawczego, − wymusić odpowiednie działanie urządzeń wyjściowych poprzez forsowanie stanu zmiennych

wyjściowych urządzenia programowalnego, − napisać prosty program dla sterownika PLC lub ustalić parametry urządzenia

konfigurowalnego w celu przetestowania układu, − sporządzić dokumentację wykonanych połączeń.


7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Zasady łączenia urządzeń automatyki przemysłowej 4.1.1. Materiał nauczania

Niezmiernie ważnym zagadnieniem dla prawidłowej pracy układu regulacji automatycznej jest odpowiedni dobór poszczególnych jego elementów, tzn. urządzenia pomiarowego, urządzenia wykonawczego i regulatora. Wybór najwłaściwszego dla danych warunków wyposażenia układu regulacji zależy od wielu czynników, z których należy wymienić m.in.:

− rodzaj regulowanej wielkości, − jakość regulacji, − zakresy pomiarowe, − niezawodność układu w warunkach pracy normalnej i awaryjnej, − koszty, − dostępność na rynku. Dobierając poszczególne elementy, w pierwszej kolejności pod kątem ich charakterystyk

statycznych i zakresów wartości wejściowych i wyjściowych, należy mieć na uwadze fakt, że punkt pracy układu regulacji jest określony przez przecięcie się charakterystyki statycznej obiektu regulacji i charakterystyki statycznej regulatora (rys. 1).

Rys. 1. Wyznaczenie punktu pracy układu jednowymiarowego [17, s. 73] 1 – charakterystyka statyczna obiektu, 2 – charakterystyka statyczna regulatora, P – punkt pracy statycznej

Charakterystyki statyczne x =f(y) określają występującą w stanie ustalonym zależność między

wielkością oddziałującą y a wielkością będącą skutkiem tego oddziaływania x. Zakłócenia oddziałujące na obiekt mogą powodować przesuwanie charakterystyki statycznej (podobnie jak przesuwa się punkt pracy na charakterystyce roboczej w układach tranzystorowych pod wpływem zmian temperatury). W najniekorzystniejszym przypadku punkt pracy układu regulacji może się więc znaleźć w obszarze nasycenia charakterystyki regulatora, co uniemożliwi jakiekolwiek oddziaływanie regulatorów na wielkość nastawianą.

Układ regulacji musi być stabilny. Układ niestabilny nie nadaje się do zastosowań praktycznych, gdyż nie jest w stanie zrealizować zadania sterowania, może także spowodować uszkodzenie obiektu regulacji.

Jedną z najbardziej znanych metod sprawdzania stabilności układów jest tzw. kryterium Nyquista. Kryterium to należy do grupy kryteriów częstotliwościowych, opartych na charakterystykach częstotliwościowych układów. Kryterium to dotyczy ważnego przypadku badania stabilności układu zamkniętego (rys. 2) na podstawie charakterystyki Go(jω) układu otwartego.


8

Transmitancję G takiego układu wyraża wzór

G = 0

0

G1G+

przy czym Go – transmitancja układu otwartego.

Rys. 2. Układ regulacji [3, s. 49]

Warunek kryterium Nyquista można sformułować następująco: Układ zamkniętej regulacji jest stabilny, jeżeli charakterystyka amplitudowo-fazowa Go(jω) układu otwartego nie obejmuje punku (-1, j0) przy zmianie częstotliwości od 0 do ∞ (rys.3).

Rys. 3. Kryterium Nyquista [3, s. 64]

Poza sprawdzeniem warunku stabilności na wykresie amplitudowo-fazowym sprawdza się także zapas fazy (∆φ) i zapas wzmocnienia (∆K) dla charakterystycznych punktów, odpowiadających przecięciu przez wykres koła o promieniu jednostkowym i przecięciu osi rzeczywistej w obszarze objętym przez to koło (rys.4).

Rys. 4. Określenie zapasów modułu i fazy [2, s. 31] Korekta przebiegu częstotliwościowej charakterystyki amplitudowo-fazowej układu

otwartego jest dokonywana przy zastosowaniu regulatora o odpowiednio dobranej transmitancji. Najczęściej stosuje się regulatory typu: proporcjonalnego (P), całkującego (I), proporcjonalno -całkującego (PI), proporcjonalno-różniczkującego (PD) oraz proporcjonalno-całkująco- -różniczkującego (PID).

Regulator proporcjonalny P charakteryzuje się tym, że wartość sygnału wyjściowego regulatora jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji. Parametrem nastawialnym regulatora jest wzmocnienie Kp, Zamiast wzmocnienia Kp często używa się jego odwrotność

xp = pK

1 100%, zwaną zakresem proporcjonalności i wyrażoną w procentach. Zakres


9

proporcjonalności jest to przyrost sygnału wejściowego niezbędny do uzyskania pełnego zakresu zmian sygnału wyjściowego.

Regulator całkujący I charakteryzuje się tym, że prędkość zmian sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji. Parametrem charakterystycznym regulatora całkującego jest czas całkowania Ti określony jako czas po którym sygnał wyjściowy po skokowej zmianie uchybu regulacji osiągnie wartość równą wartości skoku.

Regulator proporcjonalno-całkujący PI charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy jest sumą działania proporcjonalnego i całkującego. Regulator ma dwa parametry nastawialne: wzmocnienie Kp czas całkowania Ti.

Regulator proporcjonalno-różniczkujący PD powstaje przez dodanie do działania proporcjonalnego działania różniczkującego. Działanie różniczkujące regulatora polega na tym, że wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do prędkości zmian uchybu regulacji. Parametrem charakterystycznym regulatora jest czas różniczkowania Td.

Działanie układów regulacji z przedstawionymi powyżej regulatorami zależy od doboru parametrów (nastaw) tych regulatorów.

W produkowanych regulatorach uniwersalnych stosowane są najczęściej następujące zakresy zmian poszczególnych parametrów: − zakres proporcjonalności xp w granicach 3 ÷400% − czas zdwojenia Ti w granicach 3 s ÷30 min, − czas wyprzedzania Td w granicach 0÷15 min.

Stosowanie w torze sterowania regulatora ma na celu nie tylko uzyskanie stabilnej pracy układu regulacji, ale również odpowiedniej jakości przebiegu wielkości regulowanej oraz kompensacji zakłóceń.

Dokładność statyczną określa się na podstawie uchybu statycznego. Uchyb statyczny eust jest to maksymalna różnica między wartością sygnału wyjściowego y z obiektu regulacji, a wartością zadaną y0 w stanie ustalonym (rys.5):

yye 0ust −= .

Rys. 5. Przebieg przejściowy wielkości regulowanej w odpowiedzi na wymuszenie skokowe y0(t) = y0ust [19, s. 48]

Jakość dynamiczną określa się na podstawie: czasu regulacji, odchylenia maksymalnego oraz

przeregulowania (rys. 5). W tabeli 1 przedstawiono odpowiedzi układów regulacji ma wymuszenia skokowe,

w zależności od miejsca wprowadzenia wymuszenia skokowego (na wejściu do obiektu lub na wejściu do regulatora) oraz od rodzaju zastosowanych regulatorów – statycznych (P, PD) lub astatycznych (I, PI, PID). Cechą charakterystyczną układów z regulatorami statycznymi jest obecność uchybu statycznego eust. W przypadku stosowania regulatorów zawierających człon


10

całkujący uchyb statyczny nie występuje. Przy stosowaniu regulatorów PI procesy przejściowe zachodzą znacznie wolniej niż przy stosowaniu regulatorów typu P. Stosując regulator PID możemy uzyskać stosunkowo szybki przebieg procesu przejściowego oraz uchyb statyczny równy zero. Tabela 1. Odpowiedzi układu regulacji na wymuszenie skokowe na wejściu obiektu oraz na wejściu regulatora [19, s. 49]

Ocena przydatności danego typu regulatora oparta na przebiegach odpowiedzi skokowej

układu regulacji, wymaga również porównania odpowiedzi skokowych przy różnych wartościach nastaw regulatorów, ponieważ na charakter przebiegów oprócz typu regulatora mają również wpływ wartości nastaw regulatora (rys. 6).


11

Rys. 6. Właściwości dynamiczne układu regulacji z obiektem statycznym: a), b) - wpływ doboru czasu

zdwojenia Ti , c), d), e), f) - wpływ doboru czasu wyprzedzania Td [16, s. 84]

Jeżeli charakterystyka dynamiczna obiektu jest nieznana to nastawy regulatorów dobiera się w sposób doświadczalny metodą opartą na regułach Zieglera i Nicholsa.

Stosując powyższą metodę należy wykonać kolejno następujące czynności: − regulator włączyć tylko na działanie proporcjonalne (nastawnik zespołu całkującego zamknąć

całkowicie - ∞→iT , a nastawnik zespołu różniczkującego otworzyć całkowicie 0Td→ ), − zwiększyć wzmocnienie proporcjonalne kp tak, aby układ doprowadzić do granicy stabilności

(przebieg wielkości regulowanej oscylacyjny o stałej amplitudzie), a nastawioną wartość Xp oznaczyć jako Xp kryt,

− z wyznaczonego przebiegu wielkości regulowanej określić okres drgań Tkryt, − znając Xp kryt i Tkryt obliczyć nastawy regulatora według następujących wzorów:

− dla regulatora typu P kp = 0,5 Kkryt − dla regulatora typu PI kp = 0,45 Kkryt; Ti = 0,85 Tkryt − dla regulatora typu PID kp = 0,6 Kkryt; Ti = 0,5 Tkryt; Td = 0,12 Tkryt.

W przypadku, gdy jest znana charakterystyka dynamiczna obiektu (dla statycznego- inercja

z opóźnieniem – parametry k0, T0, Tz lub dla astatycznego - całkowanie z opóźnieniem -parametry T0, Tc) nastawy regulatorów można obliczyć korzystając ze wzorów zamieszczonych w tabelach 2 i 3.


12

Tabela 2. Dobór nastaw regulatorów w układzie z obiektem statycznym [19, s.51]

Tabela 3. Dobór nastaw regulatorów w układzie z obiektem astatycznym [19, s.52]

Praktycznie, w zależności od wielkości regulowanej oraz właściwości obiektu, dobór regulatorów odbywa się według tabeli 4.

Tabela 4. Dobór regulatora w zależności od wielkości regulowanej i od właściwości obiektu [19 , s. 48]


13

Urządzenie pomiarowe stanowi tę część układu regulacji automatycznej, której zadaniem jest przetworzenie wielkości regulowanej na sygnał dogodny do wprowadzenia do regulatora. Urządzenia pomiarowe może składać się z samego czujnika lub czujnika z przetwornikiem pomiarowym (rys. 7).

UP ≡

Rys. 7. Urządzenie pomiarowe UP; Cz – czujnik, PP – przetwornik pomiarowy [17, s. 74] Sygnałem pochodzącym od czujnika może być siła elektromotoryczna, napięcie przemienne,

rezystancja, siła lub przesunięcie. Postać sygnału wyjściowego urządzenia pomiarowego powinna być dopasowana do technicznego rozwiązania układu wejściowego i porównującego regulatora (pneumatyczny, hydrauliczny lub elektryczny). Zastosowanie przetwornika pomiarowego pozwala przetworzyć wielkość wyjściową z czujnika na wielkość zgodną ze standardem regulatora.

Porównanie wartości wielkości regulowanej z wartością wielkości zadanej odbywa się z reguły za elementem pomiarowym (w regulatorze), dlatego też urządzenie pomiarowe powinno zapewnić osiągnięcie odpowiednio dużej dokładności i jakości przetwarzania.

W czasie eksploatacji obiektu nieraz zachodzi potrzeba zmiany wielkości zadanej układu. Granica przedziału zmian wielkości zadanej określana jest właściwościami procesu i warunkami jego poprawnego prowadzenia. Wynika stąd następne wymaganie, aby zakres pracy urządzenia pomiarowego obejmował cały zakres (przedział) zmian wartości wyjściowej. Natomiast na jakość regulacji duży wpływ mają również właściwości dynamiczne czujnika.

Urządzenie wykonawcze składa się zazwyczaj z trzech elementów: wzmacniacza mocy, elementu napędowego oraz elementu nastawczego (rys. 8).

UW

≡

Rys. 8. Urządzenie wykonawcze UW [17, s. 74] W – wzmacniacz, NP. – element napędowy, NS – element nastawczy

Element napędowy nazywa się często siłownikiem. Zadaniem elementu nastawczego jest

oddziaływanie na strumień materiałowo-energetyczny procesu. Elementem nastawczym może być zawór lub zasuwa w rurociągu, dozownik materiału sypkiego, pompa o zmiennej wydajności, itp.

Prawidłowy dobór elementu nastawczego powinien zapewnić uzyskanie potrzebnego zakresu wartości wielkości nastawiającej. Dla zaworu np. należy tak dobrać jego wymiary, aby sterowanie strumieniem przebiegało w zakresie wartości określonych obciążeniem obiektu. W tym celu należy dopasować wymiary zaworu do oporów hydraulicznych i rozkładów ciśnień w rurociągu.

Element napędowy jest używany wówczas, jeśli element nastawczy oddziaływa na obiekt za pośrednictwem swego położenia (np. zawór) lub prędkość ruchu (np. dozownik pyłu w układzie regulacji temperatury komory nagrzewanej pyłem węglowym). Rolę elementu napędowego spełnia najczęściej silnik elektryczny, pneumatyczny lub hydrauliczny. W przypadku gdy moc wyjściowa regulatora jest za mała do bezpośredniego zasilania lub sterowania elementu napędowego, konieczne staje się użycie oddzielnego wzmacniacza mocy. Występuje to często

UP Cz PP

UW W NP NS


14

w przypadkach stosowania regulatorów elektrycznych, a zawsze – w regulatorach pneumatycznych.

Tabela 5. Zestawienie cech poszczególnych systemów elementów automatyki [17, s. 72]

System elementów hydraulicznych Zalety Wady

1. Prostota konstrukcji, łatwość obsługi, pewność ruchowa.

2. Samosmarowność i duża trwałość. 3. Stosunkowo duże siły i moce siłowników. 4. Dobre właściwości regulacyjne, głównie

dzięki nieściśliwości cieczy, będącej nośnikiem energii, przez co do układu nie wprowadza się opóźnień.

1. Stosunkowo duże wymiary i masa. 2. Konserwacje i naprawy wymagają

kwalifikowanego personelu. 3. Ograniczenie w rozmieszczeniu

poszczególnych elementów. Odległość pomiędzy regulatorem i siłownikiem nie powinna przekraczać 100 m. Siłownik powinien być umieszczony niżej od wzmacniacza, aby nie powodować zapowietrzenia się układu, co wprowadza niekorzystne luzy i opóźnienia.

4. Nieszczelność przewodów sprawia, że olej płynący pod ciśnieniem wycieka, powodując straty oraz zanieczyszczenie otoczenia, co może być przyczyną pożaru.

System elementów pneumatycznych 1. Dogodna forma nośnika energii. Upływ

powietrza nie pociąga za sobą strat i nie stwarza zagrożenia pożarowego.

2. Odporność na wpływ pyłów i związków agresywnych wnętrz urządzeń.

3. Sygnał regulacyjny jest przesyłany jednym przewodem.

4. Małe wymiary i znikoma masa elementów. 5. Prostota konstrukcji oraz pewność ruchowa.6. Łatwość dokonywania operacji

matematycznych na sygnałach (sumowanie, mnożenie, itp.).

7. Stosunkowo proste kształtowanie właściwości dynamicznych regulatorów, dzięki łatwej możliwości stosowania sprzężeń zwrotnych.

1. Konieczność dokładnego oczyszczenia powietrza.

2. Konserwacje i naprawy wymagają kwalifikowanego personelu.

3. Praktycznie uzyskiwane moce są mniejsze niż w siłownikach hydraulicznych.

4. Odległość przesyłania sygnałów jest do ok. 300 m.

5. Ściśliwość powietrza, która jest korzystna przy kształtowaniu właściwości dynamicznych za pomocą sprzężeń zwrotnych, wprowadza opóźnienia w obwodzie regulacji, szczególnie przy większych odległościach.

System elementów elektrycznych 1. Dogodny charakter energii, która jest łatwo

dostępna. 2. Bardzo wygodne i dokładne pomiary

elektryczne. 3. Przesyłanie sygnału może się odbywać na

dowolne odległości i nie pociąga za sobą praktycznie opóźnień.

4. Prowadzenie torów przewodów elektrycznych jest znacznie prostsze i tańsze niż przewodów pneumatycznych i hydraulicznych.

1. Skomplikowana budowa, szczególnie elementów elektronicznych, co wymaga personelu o wysokich kwalifikacjach.

2. Nieco wyższy koszt w stosunku do urządzeń hydraulicznych i pneumatycznych.

3. Gorsze właściwości siłowników. 4. Ograniczony zakres stosowania

w warunkach, w których istnieje niebezpieczeństwo wybuchu lub konieczność stosowania elementów w wykonaniu iskrobezpiecznym.


15

5. Najszerszy zakres zastosowań pod względem mocy i rodzaju parametru regulowanego.

6. Szerokie możliwości centralizacji pomiarów, rejestracji, współpracy z komputerami sterującymi procesami.

Uniwersalne systemy aparatury automatyki umożliwiają dobieranie zestawów aparatury

do konkretnych zadań. Poszczególne urządzenia muszą być przystosowane do współdziałania z dużą liczbą innych urządzeń wchodzących w skład systemu. Podstawowe znaczenie ma operowanie standardowymi sygnałami w ramach systemu lub jego części. Dzięki przyjęciu sygnałów standardowych dowolny przetwornik pomiarowy o wyjściu elektrycznym może być dołączony do dowolnego regulatora elektrycznego, a regulator do urządzenia wykonawczego bądź innego regulatora.

Sygnały standardowe stosuje się w centralnej części systemu, np. sygnały czujników pomiarowych nie są sygnałami standardowymi, natomiast są nimi sygnały wyjściowe przetworników pomiarowych. Podobnie elementy wykonawcze (z wyjątkiem siłowników pneumatycznych niskociśnieniowych) nie są sterowane bezpośrednio sygnałami standardowymi, ale poprzez sterowniki lub wzmacniacze mocy.

W niektórych dziedzinach automatyki standardy sygnałów przyjęły się w niewielkim stopniu, w innych przyjęły się niemal powszechnie. Na przykład nie ma standardowych sygnałów hydraulicznych, natomiast w zakresie sygnałów pneumatycznych jest powszechnie przyjęty standard sygnału analogowego 20 ÷ 100 kPa (ok. 0,2 ÷ 1 atm).

W elektrycznej aparaturze automatyki są stosowane przede wszystkim sygnały analogowe prądu stałego i napięcia stałego (tabela 6).

Tabela 6. Podstawowe standardy sygnałów elektrycznych ciągłych [16, s. 154]

0 ÷ 5 mA 0 ÷ 20 mA 0 ÷ 100 mA

lub od – 5 do +5 mA lub od –20 do +20 mA lub od –100 do +100 mA Prąd stały

1 ÷ 5 mA 4 ÷ 20 mA

0 ÷ 5 V 0 ÷ 10 V lub od –10 do + 10 V Napięcie stałe 1 ÷ 5 V

Rezystancja wejściowa i wyjściowa układu musi spełniać określone warunki. Przykładowo,

dla sygnału prądowego o natężeniu zawierającym się w granicach od 0 do 20 mA i od 4 do 20 mA, rezystancja wejściowa nie powinna być większa niż 250 Ω, a rezystancja obciążenia - niż 500 Ω (odbiorniki łączy się szeregowo), natomiast dla sygnału o napięciu zawierającym się w granicach od 0 do 5 V i od 1 do 5 V rezystancja wejściowa nie powinna być mniejsza niż 10 kΩ, a rezystancja obciążenia – niż 1 kΩ (odbiorniki łączy się równolegle).

Dodatkowe wymagania standardu obejmują wartości maksymalne napięć, jakie mogą wystąpić w przypadku rozwarcia obwodów z sygnałem prądowym, wartości maksymalne prądów, jakie mogą wystąpić w przypadku zwarcia obwodów z sygnałem napięciowym, a także zasady uziemiania, tworzenia wspólnych punktów sygnałowych i in.

W aparaturze do sterowania procesów wolnozmiennych stosuje się najczęściej sygnały jednobiegunowe prądu stałego o natężeniu od 0 do 20 mA i od 4 do 20 mA. Sygnały te zapewniają większą odporność na zakłócenia niż sygnały napięciowe. Zapewnienie należytej odporności na zakłócenia stanowi niekiedy poważny problem, zwłaszcza przy długich


16

połączeniach, np. między przetwornikiem pomiarowym a regulatorem. W przeciętnych warunkach sygnał prądu stałego przesyła się linią o długości równej kilka kilometrów. Przy większych odległościach bądź silniejszych zakłóceniach stosuje się specjalne techniki przesyłania sygnałów.

Sygnał o natężeniu prądu od 4 do 20 mA umożliwia wykrycie przerwania połączenia (linii). Niekiedy stosuje się kilka różnych postaci sygnałów, np. sygnały wejściowe regulatorów są

zazwyczaj sygnałami prądowymi, sygnały wewnętrzne regulatorów i i innych urządzeń części centralnej – sygnałami napięciowymi, sygnały wyjściowe przesyłane do urządzeń wykonawczych – prądowymi. W układach regulacji procesów szybkozmiennych stosuje się częściej sygnały dwubiegunowe oraz prądu przemiennego.

Przesyłanie sygnałów na duże odległości w celu sterowania i kontroli procesów technologicznych nazywa się telemechaniką.

W telemechanice kładzie się nacisk na szybkość przesyłania sygnałów i odporność systemów na zakłócenia. Wyróżnia się:

− telemetrię – zdalne pomiary, − telesterowanie – zdalne sterowanie, − telesygnalizację – zdalną sygnalizację. Urządzenia telemechaniki to wyłącznie urządzenia elektroniczne i elektryczne. Coraz częściej informacje przesyłane są światłowodami. Jeśli chodzi o sygnały elektryczne, to

w systemach analogowych stosuje się sygnały impulsowe z modulacją PWM i sygnały napięcia przemiennego z modulacją FM.

W systemie analogowym o modulowanej częstotliwości sygnałowi wejściowemu stałoprądowemu, o natężeniu zawartym w granicach od 4 do 20 mA, może odpowiadać sygnał przemienny, o częstotliwości zmienianej płynnie w zakresie od 500 do 2500 Hz. W wielu przypadkach systemy analogowe zastępowane są systemami cyfrowymi. W systemach cyfrowych z modulacją częstotliwości nie wykorzystuje się całego pasma częstotliwości (500 ÷ 2500 Hz) lecz dwie częstotliwości dość odległe od siebie, którym odpowiadają sygnały 0 logiczne i 1 logiczne.

W tym przypadku sygnały analogowe przetwarzane są na cyfrowe za pomocą przetworników A/C.

Cyfrowe systemy przesyłania informacji charakteryzują się większą odpornością na zakłócenia niż systemy analogowe. Dodatkową zaletą jest możliwość bezpośredniej współpracy z systemami komputerowymi, przez modem lub kartę sieciową.

Największą odpornością na zakłócenia charakteryzują się systemy optoelektroniczne, które wykorzystują falę elektromagnetyczną o długościach λ > 850 nm do transmisji sygnałów światłowodami. Sposób przekazywania sygnałów za pomocą światłowodów jest najbezpieczniejszy (odporny na zakłócenia, próby ingerencji w zawartość przesyłanych informacji), najpewniejszy (nie ma możliwości zakłócenia sygnału), a przy zastosowaniu źródeł sygnału o stosunkowo małych mocach, umożliwia transfer danych na odległości kilkuset km, bez konieczności stosowania dodatkowych wzmacniaczy.

Telemechanika jest stosowana w różnych gałęziach przemysłu. Trudno sobie wyobrazić działanie systemu elektroenergetycznego bez urządzeń telemetrii, kolejnictwa bez urządzeń telesygnalizacji i telesterowania, itd.

Jedną z największych zdobyczy telemechaniki jest możliwość sterowania i nadzorowania wielu obiektów z jednego miejsca. Struktura systemu telemechaniki zależy od zadań jakie ma spełniać system, jak i struktury obiektu.


17

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jaki czynniki decydują o wyposażeniu układu regulacji? 2. Do oceny czego służy kryterium Nyquista? 3. Jakie znasz podstawowe typy regulatorów analogowych? 4. Jakie są kryteria jakości układów automatycznej regulacji? 5. Co to jest czas regulacji Tu? 6. Co to jest przeregulowanie κ? 7. Kiedy stosujemy dobór nastaw regulatora według zasady Zieglera i Nicholsa? 8. Jakie zadania stawiane są organom pomiarowym? 9. Jakie właściwości są charakterystyczne dla organów wykonawczych? 10. Jakie znaczenie praktyczne ma standaryzacja sygnałów? 11. Jaką istotną, dodatkową funkcję spełniają sygnały prądowe zawarte w zakresie 4 ÷ 20 mA? 12. Jakie zalety wynikają z zastosowania do transmisji sygnałów cyfrowych?

4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Wyznacz transmitancję zastępczą xyG = układu, którego schemat strukturalny przedstawia

rysunek do ćwiczenia 1.

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat strukturalny

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) przesunąć węzeł 1 przed węzeł 2, 4) przekształcić tak układ, by otrzymać połączenie szeregowe elementów, 5) wykonać obliczenia, 6) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 7) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 8) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu, otrzymane

wyniki, obliczenia i wnioski z badań. Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela.


18

Ćwiczenie 2 Wyznacz transmitancję zastępczą układu, którego schemat strukturalny przedstawia rysunek

do ćwiczenia 2.



1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) przekształcić tak układ, by otrzymać połączenie szeregowe elementów, 4) wykonać obliczenia, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 7) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu, otrzymane


− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 3

Wyznacz transmitancję zastępczą układu, którego schemat strukturalny przedstawia rysunek do ćwiczenia 3.



1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) przekształcić tak układ, by otrzymać połączenie szeregowe elementów, 4) wykonać obliczenia, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,


19

7) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu, otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań. Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. 4.1.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie Czy potrafisz: 1) określić zasady łączenia elementów? 2) obliczyć transmitancję zastępczą układu ze sprzężeniem zwrotnym? 3) dokonać przesunięcia węzłów sumacyjnych w układzie? 4) wymienić wartości napięć w obowiązujących standardach sygnałów? 5) wymienić wartości prądów w obowiązujących standardach sygnałów? 6) określić różnice między telemetrią a telesterowaniem? 7) podać wady i zalety przesyłu sygnałów cyfrowych i analogowych? 8) wymienić zalety telemechaniki?


20

4.2. Zasady tworzenia dokumentacji połączeń elektrycznych w układach automatyki

4.2.1. Materiał nauczania

Rysunek techniczny przyjęło się uważać za język techników. Rysunek taki, uzupełniony

opisem, zawiera zwartą i przejrzystą informację techniczną. Słownikiem (kodem) tego języka jest zbiór pewnych umownych symboli graficznych.

Rysunek techniczny jest najczęściej najkrótszą, najprostszą i najbardziej przejrzystą formą przekazania informacji o budowie urządzenia, o sposobie jego działania i o wielu innych sprawach związanych z tym urządzeniem.

Opis słowny, który miałby zastąpić rysunek techniczny, mógłby rozrosnąć się do nadmiernej objętości, a wówczas nie osiągałby często takiej prostoty informacji, jak wynika z rysunku. Rysunek techniczny ma jeszcze i tę zaletę, że jeśli jest wykonany według zasad uzgodnionych międzynarodowo, to może być rozumiany bez konieczności tłumaczenia na inne języki.

Rysunek techniczny dzieli się na: − schematy, − diagramy.

Rysunek techniczny może obrazować: − układ połączeń, − zasadę działania, − współdziałanie elementów, − sposób instalowania, − sposób użytkowania, − sposób utrzymania w czasie pracy, − sposób naprawy, itp.

Do rysunku technicznego elektrycznego, zwanego często niesłusznie tylko schematem, zalicza się plany, diagramy oraz związane z nimi wykazy i tablice, występujące samodzielnie lub na rysunkach, oraz wykresy.

Schemat jest to rysunek przedstawiający urządzenia, instalacje, które podane są za pomocą umownych symboli graficznych, a połączenia między nimi – liniami. Wśród schematów można wyróżnić: − schematy strukturalne, − schematy funkcjonalne, − schematy wykonawcze (montażowe).

W praktyce spotyka się rysunek, który uwzględnia niektóre elementy schematów strukturalnych i funkcjonalnych, zwany schematem blokowym.

Schemat blokowy ma za zadanie ułatwić zrozumienie zasad działania urządzenia lub układu bez uwidaczniania wszystkich jego elementów i rzeczywistych połączeń. Elementy schematów blokowych są przedstawiane przede wszystkim za pomocą prostokątów, rzadziej innych figur geometrycznych, okręgów z naniesionymi wewnątrz symbolami i nazwami.

Schemat wykonawczy przedstawia wzajemne położenie elementów składowych urządzenia lub układu, połączenia między nimi, a także szczegóły konstrukcyjno-wykonawcze.

Dla projektanta i użytkownika układów automatyki zasadnicze znaczenie mają: − schemat technologiczny, − schemat automatyzacji, − schemat mnemotechniczny (synoptyczny).


21

Schemat technologiczny ilustruje przebieg procesu technologicznego za pomocą symboli graficznych i znaków przedstawiających kolejne operacje i procesy jednostkowe lub aparaty i urządzenia oraz funkcjonalne ich powiązania.

Schemat automatyzacji jest to schemat technologiczny z symbolami i oznaczeniami układów automatyki.

Schemat mnemotechniczny jest uproszczonym schematem automatyzacji. Nanosi się go zazwyczaj na szafach, tablicach i pulpitach sterowniczych.

Diagram jest rysunkiem, który przedstawia zależności między elementami lub przebiegi sygnałów.

W tabelach poniżej przedstawiono niektóre oznaczenia i symbole stosowane w regulacji i automatyce przemysłowej.

Symbole i oznaczenia zamieszczone są m.in. w normie PN-89/M-42007 oraz publikacjach IEC (International Electrotechnical Commission - afiliowana przy ISO) – Publication 117 (wydawane są w odrębnych częściach).

Tabela 7. Oznaczenia i symbole stosowane w regulacji i automatyce przemysłowej.[na podstawie norm i publikacji Michel K., Sapiński T.:„Zasady rysunku elektrycznego w elektronice i automatyce” WNT Warszawa,1971]

Lp Nazwa Oznaczenie

literowe i symbol graficzny

Uwagi

1. Rodzaje sygnałów: a) sygnał analogowy, b) sygnał cyfrowy, c) sygnał cyfrowy kodowany o podstawie n, d) sygnał cyfrowy o dwóch poziomach, e) sygnał impulsowy:

e1) symbol ogólny, e2) modulowany amplitudowo, e3) modulowany w szerokości, e4) modulowany częstotliwościowo, e5) kodowany, e6) modulowany fazowo.

2. Rodzaje regulacji, regulacja: a) dwustawna, b) trójstawna, c) n-stawna, d) impulsowa, e) proporcjonalna, f) całkująca, g) różniczkująca, h) proporcjonalno-całkująca, i) proporcjonalno-różniczkująca, j) proporcjonalno-całkująco-różniczkująca


22

3. Rodzaje przyrządów pomiarowych: a) przyrząd pomiarowy wskazujący, b) przyrząd pomiarowy piszący (rejestrujący), c) przyrząd pomiarowy liczący (licznik), d) przyrząd pomiarowy wskazujący i piszący.

4. Cechy funkcjonalne przyrządów pomiarowych: a) wskazanie, b) zapis (rejestracja), c) wskazanie cyfrowe, d) zapis cyfrowy, e) sygnalizacja odchylenia od największej

wartości, f) sygnalizacja odchylenia od najmniejszej

wartości.

5. Miejsce pomiaru: a) symbol ogólny

b1) temperatury, b2) temperatury ϑ = 3000C (przykładowo), c1) ciśnienia, c2) ciśnienie p = 60 ÷ 100 N/cm2

6. Linie łączeniowe na schematach: a) blokowych, b) technologicznych.

7. Przewód: a) elektryczny, b) pneumatyczny, c) hydrauliczny.

8. Połączenie przewodów: a) elektrycznych, b) pneumatycznych, c) hydraulicznych.

9. Skrzyżowanie nie łączących się przewodów: a) pneumatycznych, b) hydraulicznych.


23

10. Przyrząd pomiarowy pierwotny: a) do pomiaru ciśnienia, wskazujący, b) do pomiaru ciśnienia, wskazujący,

z sygnalizacją odchylenia od najmniejszej i od największej wartości,

c) do pomiaru temperatury, wskazujący i rejestrujący.

Oznaczeniem literowym temperatury jest ϑ .

11. Manometr: a) sprężynowy, b) sprężynowy wskazujący i rejestrujący, c) pływakowy, d) dzwonowy, e) typu wagi pierścieniowej.

12. Miernik poziomu: a) pływakowy, b) pływakowy wskazujący, c) piezometryczny.

13. Przepływomierz: a) objętościowy rotacyjny (cieczy i gazu), b) zwężkowy, c) elektromagnetyczny.

14. Rotametr: a) schemat ogólny, b) o sygnalizowanym odchyleniu od wartości

najmniejszej i od największej.

15. Termometr: a) cieczowy szklany, b) manometryczny, c) bimetalowy lub dylatometryczny.


24

16. Pirometr

17. Czujnik: a) rezystancyjny (oporowy), b) rezystancyjny wielopunktowy, c) termoelektryczny, d) termoelektryczny wielopunktowy, e) termoelektryczny różnicowy.

18. Psychrometr: a) o termometrach płynowych szklanych, b) elektryczny.

19. Tachometr

20. Urządzenie pomiarowe: a) konduktometryczne, b) pojemnościowe, c) piezoelektryczne, d) tensometryczne, e) indukcyjne, f) fotometryczne, g) ultradźwiękowe, h) ultrakrótkofalowe, i) radioaktywne.

21. Przyrząd pomiarowy wtórny: a) symbol ogólny, b) wskazująco-rejestrująco-całkujacy, c) wskazujący cyfrowy.

W prostokąt należy wpisać zamiast liter a, b, cechy funkcjonalne

22. Przełącznik: a) „regulacja automatyczna – sterowanie ręczne”, b) zbierający (wielopunktowy), c) rozdzielający.


25

23. Przetwornik: a) symbol ogólny, b) sygnału wejściowego elektrycznego

analogowego na sygnał wyjściowy pneumatyczny analogowy,

c) sygnału wejściowego elektrycznego analogowego na sygnał wyjściowy elektryczny cyfrowy binarny,

d) sygnału wejściowego elektrycznego napięciowego analogowego na sygnał wyjściowy elektryczny o modulacji impulsowej częstotliwościowej.

24. Zadajnik: a) ręczny, b) programowy.

25. Regulator: a) symbol ogólny, b) typu PID.

26. Wzmacniacz – symbol ogólny.

27. Siłownik: a) symbol ogólny, b) tłokowy, c) tłokowy z ustawnikiem, d) membranowy, e) membranowy z ustawnikiem, f) elektromagnesowy, g) elektryczny z silnikiem prądu przemiennego, h) elektryczny z silnikiem prądu stałego, i) elektryczny z silnikiem krokowym.


26

28. Organ nastawny: a) zawór prosty, b) zasuwa, c) kurek, d) zawór kątowy, e) zawór trójdrogowy, f) przepustnica jednoskrzydłowa, g) przepustnica wieloskrzydłowa.

29. Regulator bezpośredniego działania – ciśnienia.

30. Zespół siłownika z zaworem prostym: a) siłownik przy zaniku energii pomocniczej

zamyka zawór, b) siłownik przy zaniku energii pomocniczej

otwiera zawór, c) element zamykający zawór przy zaniku energii

pomocniczej siłownika zatrzymuje się w określonym położeniu.

31. Zestaw konstrukcyjny złożony z przyrządu pomiarowego wtórnego wskazującego i zapisującego, z zadajnika programowego i regulatora PI.

32. Zestaw konstrukcyjny złożony z przyrządu pomiarowego wtórnego wskazującego, zapisującego i sygnalizującego odchylenie od największej i najmniejszej wartości, z regulatora P i zadajnika ręcznego.

33. Zestyk łącznika: a) zwierny, b) rozwierny, c) przełączany, d) przełączany bezprzerwowy, e) przełączany trójpołożeniowy o środkowej

pozycji spoczynkowej.


27

34. Zestyk z napędem: a) z oznaczeniami jego rodzaju,

a1) napęd ręczny, a2) napęd nożny, a3) uruchomienie kluczem, a4) uruchomienie mechanizmu zegarowego,

b) z oznaczeniem ryglowania (zapadki), c) z oznaczeniem samoczynnego powrotu.

35 Łącznik: a) symbol ogólny, łącznik jednobiegunowy, b) samoczynny, c) trójbiegunowy.

a) b) c)


28

36 Przełącznik dwubiegunowy bezprzerwowy.

37 Łącznik o jednym zestyku zwiernym o napędzie ręcznym: a) wciskany, b) wyciągany.

38 .

Łącznik o jednym zestyku rozwiernym o napędzie ręcznym: a) wciskany, b) wyciągany.

39.

.

Dzwonek: a) symbol ogólny, b) dzwonek prądu stałego, c) dzwonek prądu przemiennego, d) dzwonek jednouderzeniowy, gong, e) dzwonek o napędzie silnikowym, f) dzwonek ze wskaźnikiem optycznym.

40. Brzęczyk

41. Buczek

42. Syrena: a) symbol ogólny, b) syrena np. na prąd trójfazowy, c) syrena o tonie 140 Hz, syrena o tonie wahliwym od 150 do 270 Hz


29

Tabela 8. Oznaczenia i symbole na schematach technologicznych (wg PN-89/M-42007) [ 17, s. 26]

Nazwa (i określenie) Symbol graficzny Punkt PA1) miejscowy – punkt PA odwzorowujący zespół przyrządów pomiarowych, który określa informacje o przebiegu procesu przemysłowego w pobliżu miejsca odbioru sygnału. Punkt PA zdalny – punkt PA (nie spełniający warunków punktu PA miejscowego) odwzorowujący zespół przyrządów pomiarowych wtórnych, pozwala na odbiór informacji o przebiegu procesu w jednym miejscu (tablicy, pulpicie sterowniczym). Punkt PA współpracujący – punkt PA połączony z obiektem za pomocą punktów PA miejscowych lub zdalnych. Punkt okresowy odbioru sygnału – miejsce przystosowane do pobierania wielkości mierzonych lub (i) sterowanych.

Element wykonawczy.

Element wykonawczy z ręcznym bezpośrednim oddziaływaniem na element nastawczy

Linia sygnałowa.

Linia sygnałowa z podaniem kierunku przekazywania sygnału.

1)

Układ PA – zespół przyrządów pomiarowych lub (i) elementów automatyki wzajemnie powiązanych między sobą i obiektem w celu uzyskania informacji o przebiegu procesu przemysłowego i oddziaływaniach na niego zgodnie z pożądanym algorytmem działania. Punkt PA – odwzorowanie układu PA na schematach technologicznych za pomocą symbolu graficznego i oznaczenia literowo-cyfrowego, przedstawiającego wykonane przez układ funkcje i jego umiejscowienie w procesie (instalacji).

Punkty PA są opisywane zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 9.


30

Rys. 9. Sposób opisywania punktów PA [17, s. 27]

Tabela 9. Przykłady przedstawiania punktów PA [17, s. 27]

Schemat Objaśnienie

Układ (10) pomiaru ze zdalną rejestracja (R) zawartości tlenu (O2) w spalinach.

Układ pomiaru bez wskazania (E) wielkości płomienia (B) w palenisku z przekazywaniem (T) wielkości płomienia do współpracującego zdalnego układu (54) obserwacji telewizyjnej (X) płomienia.

Układ (88) automatycznej regulacji stosunku © strumienia opałowego i powietrza ze zdalną rejestracją (R) wartości strumienia (F) powietrza z przekazywaniem (T) sygnału z układu (89) pomiaru strumienia (F) oleju opałowego ze zdalną rejestracją (R).

Układ (52) pomiaru poziomu (L) ropy naftowej w zbiorniku z miejscowym wskazaniem bez podziałki (G) i sygnalizacją (A).

Układ (64) ze zdalnym wskazaniem (I) pomiaru napięcia elektrycznego (E) wytwarzanego przez prądnicę.

Przy rysowaniu schematów automatyzacji są stosowane, oprócz symboli graficznych, również

oznaczenia literowe (tabela 10) zgodne z PN –89/M-42007.


31

Tabela 10. Oznaczenia literowe na schematach automatyzacji [12, s.78]


32

Podczas analizy układów sterowania na podstawie modeli matematycznych stosuje się schematy blokowe (rys.10). Przy sporządzaniu tych schematów dopuszczalna jest dość dużą dowolność, np. właściwości dynamiczne urządzenia wyraża się zarówno w postaci operatorowej, jak i równania różniczkowego (matematyka wyższa) lub nawet odpowiedzi skokowej.

Opis właściwości matematycznych umieszcza się wewnątrz prostokątów (bloków), bez względu na to czy jest to transmitancja operatorowa, czy charakterystyka statyczna i czy wyrażona jest graficznie, czy analitycznie. Wyjątkiem bywa element porównujący bądź sumujący sygnały, zwany węzłem sumacyjnym.

Rys. 10. Oznaczenia przykładowych elementów schematów urządzeń automatyki: [16, s. 37]

a) całkujący, b) inercyjny, c) inercyjny z opóźnieniem (typowy model procesów przemysłowych), d) regulator, układy statyczne o zależności przedstawionej analitycznie (e) i graficznie (f), g) układy

statyczne dwóch zmiennych, h) węzeł sumujący (porównujący).

Przykładowy schemat układu zawierającego elementy statyczne i dynamiczne przedstawiono na rys. 11.

Rys. 11. Przykładowy układ regulacji [16, s. 37]

a) schemat, b) równoważny schemat bloku dynamicznego o transmitancji T)s(1s

K+


Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie zalety wynikają z zastosowania znormalizowanych oznaczeń i symboli graficznych? 2. Jakie wyróżniamy rodzaje schematów? 3. Jakie zadania stawia się schematom blokowym? 4. Jakie informacje zawarte są na schematach montażowych? 5. Jakie informacje można odczytać z schematów technologicznych?


33


Dany jest wzmacniacz tranzystorowy (rysunek do ćwiczenia 1). Wyznaczyć schemat strukturalny i transmitancję wzmacniacza dla wybranego tranzystora (decyduje nauczyciel). Rezystory w układzie mają następujące wartości: Rc = 2 kΩ, R1 = 100 kΩ, R2 = 1 kΩ.

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat ideowy wzmacniacza tranzystorowego.


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) przekształcić tak układ, by otrzymać schemat strukturalny wzmacniacza (wykorzystać

schemat zastępczy tranzystora dla parametrów „h”), 4) wykonać obliczenia, 5) wpisać wartości do bloków schematu strukturalnego wzmacniacza, 6) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 7) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 8) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu, otrzymane



Ćwiczenie 2

Dla wzmacniacza całkującego zrealizowanego z zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego, wyznacz transmitancję układu.


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zaprojektować układ, 5) przekształcić tak układ, by otrzymać schemat blokowy, 6) wykonać obliczenia, 7) wpisać wartości do bloków schematu strukturalnego wzmacniacza, 8) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 9) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,


34

10) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu, otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań. Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 3

Na rysunku do ćwiczenia rozpoznaj oznaczenia i elementy automatyki. Sprządź wykaz elementów.

Rysunek do ćwiczenia 3. Układ automatycznej regulacji [17, s. 60]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) wypisać elementy, 4) wpisać obok symbolu określenie i przeznaczenie elementu, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 7) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu, otrzymane

wyniki, i wnioski z badań. Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − normy, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 4

Na rysunku przedstawiony jest schemat przepływowy instalacji sprężonego powietrza. Przeanalizuj schemat automatyzacji, i rozpoznaj zastosowane środki kontroli ciśnienia sprężonego powietrza oraz podaj, który stan zaworu układ regulacji traktuje jako zakłócenie. W jaki sposób możesz rozpoznać, czy sprężarka pracuje czy jest wyłączona?


35

Rysunek do ćwiczenia 4.


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) przeanalizować schemat, 4) przeanalizować symbole urządzeń i PA, 5) wypisać środki kontroli ciśnienia, 6) określić miejsce zainstalowania i obsługi urządzeń do kontroli ciśnienia, 7) określić urządzenie kontrolujące stan zaworu, 8) określić stan zaworu traktowany przez układ regulacji jako zakłócenie, 9) określić miejsce zainstalowania i obsługi urządzeń kontrolujących stan zaworu, 10) określić urządzenie kontrolujące pracę sprężarki, 11) wypisać środki kontroli pracy sprężarki, 12) określić miejsce zainstalowania i obsługi urządzeń kontrolujących pracę sprężarki, 13) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 14) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcja ćwiczenia, − notatnik, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. 4.2.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie Czy potrafisz:

1) rozpoznać na schemacie elementy wykonawcze? 2) rozpoznać na schemacie regulatory? 3) narysować schemat blokowy układu elektronicznego znając schemat ideowy? 4) narysować schemat montażowy układu regulacji? 5) narysować symbole elementów sygnalizacyjnych? 6) rozpoznać na schemacie przetworniki i opisać ich przeznaczenie?


36

4.3. Układy sterowania automatycznego 4.3.1. Materiał nauczania

Sterowanie polega na oddziaływaniu na określony proces fizyczny w celu uzyskania

pożądanego przebiegu tego procesu. Obiektem sterowania nazywa się proces fizyczny podlegający określonemu rodzajowi

sterowania. Urządzenie wytwarzające sygnały sterujące przebiegiem procesu nazywa się urządzeniem sterującym.

Zespół współdziałających ze sobą urządzeń, realizujących określony proces fizyczny oraz sterowanie jego przebiegiem, nazywa się układem sterowania.

Rozróżnia się układy sterowania: − otwartego, − zamkniętego.

Zamknięte układy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym ciągłym są nazywane układami regulacji ciągłej.

Jeśli urządzenie realizuje sterowanie procesem samoczynnie, to takie sterowanie określa się mianem sterowania automatycznego. Sterowanie realizowane na znaczne odległości nazywa się sterowaniem zdalnym.

Wśród wielu odmian wyróżnić można sterowanie: − sekwencyjne, − czasowe, − sekwencyjno-czasowe, − nadążne, − programowe.

Cechą charakterystyczną sterowania sekwencyjnego jest zapewnienie właściwej kolejności wykonywania operacji technologicznych.

Sterowanie czasowe polega na tym, że odpowiednie oddziaływanie urządzenia sterującego odbywa się według z góry ustalonego programu czasowego. W najprostszym przypadku chodzi o utrzymanie określonego odstępu czasu między dwoma zdarzeniami.

Sterowanie sekwencyjno-czasowe stanowi połączenie dwóch poprzednich odmian sterowania.

W układach sterowania nadążnego wartość wielkości wiodącej nie jest z góry znana, lecz zmienia się przypadkowo.

W układach sterowania programowego wielkość wiodąca zmienia się w sposób z góry znany, zgodnie z określonym programem. Program ten może być zmieniany przez obsługę, zwykle przez nastawienie członu programującego.

Spośród napędów najszersze zastosowanie znalazł napęd elektryczny. Spowodowane to jest licznymi zaletami takiego napędu (łatwe zasilanie, łatwe i ekonomiczne transformowanie i przetwarzanie prądu przemiennego, duża sprawność silników elektrycznych, łatwe sterowanie).

Napędy elektryczne są łatwe do automatyzacji. Sterowanie napędu elektrycznego może być realizowane m.in. w funkcji:

− czasu, − prądu, − napięcia, − prędkości kątowej.

Układy sterowania mogą być realizowane w technice analogowej lub cyfrowej. Bardzo często stosuje się rozwiązania mieszane – połączenie techniki cyfrowej z analogową.


37

W automatyce napędu elektrycznego nadal dużą rolę odgrywają układy stycznikowo-przekaźnikowe. Odtworzenie działania skomplikowanego układu, na podstawie schematu elektrycznego, jest stosunkowo trudne i niekiedy koniecznym uzupełnieniem schematu staje się odpowiedni opis lub diagramy czasowe. Ze względu na często powtarzające się przy opisie zwroty typu: „przekaźnik zadziała”, „przekaźnik zwolni”, „przekaźnik zadziała i zamknie sobie własnym stykiem dodatkowy obwód zasilania cewki”, itd. stosuje się następujące umowne symbole zapisu: + oznacza zadziałanie lub załączenie określonego elementu, − oznacza zwolnienie lub wyłączenie określonego elementu, ++ oznacza zadziałanie elementu i samoczynne podtrzymanie, -- oznacza zwolnienie elementu z dodatkowym przerwaniem swego obwodu własnym stykiem

pomocniczym, ± oznacza krótkotrwałe zadziałanie określonego elementu, ±± oznacza wielokrotnie powtarzające się zadziałanie i zwolnienie określonego elementu.

Symbole te umieszcza się po oznaczeniach literowych określonych elementów. Na przykład jeśli oznaczyć:

Z – przycisk niestabilny, SL – stycznik, M – silnik,

to zapis Z ±, SL ++, M + należy odczytać następująco: po zadziałaniu przycisku Z następuje zadziałanie stycznika SL, który podtrzymuje się własnym stykiem, co powoduje zadziałanie silnika M.

Sterowanie napędów odnosi się przede wszystkim do operacji rozruchu, hamowania i zmiany kierunku wirowania silników elektrycznych, a także napędów pneumatycznych i hydraulicznych.

W układach sterowania rozruchem i hamowaniem napędów istotną rolę odgrywają układy przekaźnikowo-stycznikowe (coraz częściej wypierane są przez układy półprzewodnikowe).

Jednak warto zapoznać się z takim sposobem sterowania napędami silników, gdyż programowanie układów np. PLC z wykorzystaniem metody drabinkowej, bardzo przypomina układy sterowania napędami (wydruk programu i schemat napędu).

Włączenie zatrzymanego silnika elektrycznego do sieci zasilającej powoduje przepływ dużego prądu rozruchowego przekraczającego kilkunastokrotnie wartość prądu znamionowego. Tak gwałtowne zmiany mogłyby uszkodzić aparaturę pomiarową jak i sam silnik. Dlatego ogranicza się wartość prądu rozruchowego, np. dołączając dodatkowe rezystory w obwód wirnika lub stosując przełącznik gwiazda-trójkąt, czy też obniżenie napięcia za pomocą autotransformatora (który sposób zostanie zastosowany zależy od rodzaju silnika).

W silnikach prądu stałego dołącza się rezystory, które w miarę wzrostu prędkości kątowej silnika odłącza się. Rozruch może być realizowany w funkcji: − prądu, − prędkości kątowej, − czasu.


38

Rys. 12. Układ sterowania w funkcji prądu rozruchowego silnika bocznikowego prądu stałego [17, s. 126] R1, R2, R3 – rezystory rozruchowe, PR1, PR2, PR3 - przekaźniki rozruchowe (przekaźniki prądowe),

SR1, SR2, SR3 – styczniki rozruchowe, PZS – przekaźnik zaniku strumienia magnetycznego, PN – przekaźnik nadmiarowy bezzwłoczny, SL - stycznik.

W układzie powyższym (rys. 12) wykorzystuje się fakt, że czas zadziałania stycznika jest

dłuższy od czasu zadziałania przekaźnika. Załączenie silnika odbywa się zgodnie z kolejnością: ŁR +, Z ±, SL ++, S + (silnik rusza).

Przepływ prądu rozruchowego I2 przez przekaźnik rozruchu PR1 powoduje otwarcie jego zestyku rozwiernego, przed zadziałaniem stycznika rozruchowego SR1. Gdy prąd osiągnie założoną wartość minimalną prądu rozruchowego I, wyłącza się przekaźnik rozruchowy PR1, załącza się stycznik SR1 zwierając R1. Podobnie można prześledzić tory przepływu prądów I2, I3.

Wyłączenie silnika następuje wg kolejności W ±, SL --, S – (silnik wyłączony), a jednocześnie SR1 -, SR2 -, SR3 -. Elementy układu sterowania wracają więc do położenia spoczynkowego.

Przekaźnik PN jest przekaźnikiem nadmiarowym bezzwłocznym, który wyłącza silnik z sieci przy zbyt dużych przeciążeniach prądowych. Przekaźnik PZS jest przekaźnikiem zaniku strumienia magnetycznego wzbudzenia.

Hamowanie elektrycznego napędu wymaga zmiany kierunku momentu obrotowego maszyny napędowej na przeciwny kierunek w stosunku do kierunku wirowania przy pracy silnikowej. Można wyróżnić następujące rodzaje hamowania elektrycznego: − dynamiczne, − przeciwprądowe, − odzyskowe.

Hamowanie dynamiczne (rys. 13) wymaga odłączenia twornika od sieci zasilającej i włączeniu na jej zaciski pewnej rezystancji. Rezystancja ta nie powinna być zbyt mała, aby nie przekroczyć dopuszczalnej wartości maksymalnego prądu hamowania.


39

Hamowanie przeciwprądowe polega na zmianie biegunowości zasilania twornika. Również w tym przypadku dla ograniczenia prądu hamowania włącza się w szereg z twornikiem rezystancję dodatkową.

Hamowanie odzyskowe, zwane inaczej generatorowym, wykorzystuje tę właściwość, że po przekroczeniu prędkości kątowej idealnego biegu jałowego, następuje przejście od pracy silnikowej do pracy prądnicowej. Zwiększenie prędkości kątowej powoduje zwiększenie siły elektromotorycznej, prąd zmienia swój kierunek na przeciwny i płynie do sieci. Przy hamowaniu odzyskowym energia wraca do źródła prądu stałego zasilającego silnik.

Rys. 13. Układ sterowania hamowania dynamicznego silnika bocznikowego prądu stałego [17, s. 136] PH – przekaźnik hamowania, Rh – rezystor hamowania, SH – stycznik hamowania, SL – stycznik,

SR – stycznik rozruchowy.

Układy napędowe, w których zastosowano przyrządy półprzewodnikowe mocy, są nazywane energoelektronicznymi układami napędowymi. Wykonuje się je w układzie otwartej pętli regulacji lub w układzie zamkniętej pętli regulacji. Proste energoelektroniczne układy napędowe w otwartej pętli sterowania nie mają układów sprzężeń zwrotnych (układów pomiaru prędkości, momentu, prądu, położenia). Są to układy tanie, ale mało dokładne, w których odwzorowanie zadanej prędkości kątowej silnika nie są większe niż 2 ÷ 5% maksymalnej prędkości kątowej. Układy pracujące w pętli zamkniętej, mające sprzężenia zwrotne (prędkości kątowej, prądu, momentu, położenia), umożliwiają uzyskanie dużych dokładności sterowania w odniesieniu do wielkości zadanej i to zarówno w stanie ustalonej pracy, jak i w stanie dynamicznym.

W praktyce stosuje się jednokierunkowy układ napędowy z obwodem prędkościowego sprzężenia zwrotnego i obwodem pętli sprzężenia prądowego (rys. 14). O przebiegu prądu w stanach dynamicznych (np. rozruch) decyduje pętla prądowa, zaznaczona na rysunku linią punktową. Za pomocą potencjometru zadającego prędkość kątową, ustala się wartość skokową napięcia UR, w wyniku czego następuje rozruch silnika. Z regulatora prędkości kątowej R(ω) podawany jest na wejście regulatora R(I) sygnał maksymalny prądu zadanego iz. Sygnał ten powoduje wysterowanie tyrystorów przekształtnika i przepływ prądu Ida przez silnik. Na wyjściu prostownika pomiaru prądu PPP otrzymuje się sygnał prądu pomierzonego ip, który jest wprost proporcjonalny do prądu wyprostowanego Ida płynącego przez silnik. Sygnał prądu pomierzonego ip ma znak przeciwny niż sygnał prądu zadanego iz. Różnica tych sygnałów ∆ iz powoduje wysterowanie regulatora prądu R(I) i przepływ prądu o określonej wartości w okresie rozruchu. Wartość maksymalna prądu silnika Ida w okresie rozruchu jest nazywana prądem ograniczenia Idg (nastawia się ją podczas rozruchu technologicznego poniżej obciążalności dopuszczalnej silnika napędowego lub granicznej obciążalności prądowej tyrystorów przekształtnika i nie zmienia się już w trakcie eksploatacji). Po zakończeniu rozruchu silnika sygnały prądu zadanego iz


40

oraz pomierzonego ip mają mniejsze wartości i sterowanie pracą przekształtnika przejmuje regulator prędkości kątowej R(ω), odpowiedzialny za stabilizację prędkości kątowej.

Rys. 14. Jednokierunkowy układ napędowy [7, s. 179] ωz –prędkość kątowa zadana, ωp - prędkość kątowa pomierzona, ∆ω - różnica prędkości kątowej,

iz - prąd zadany, ip - prąd pomierzony, ∆ iz - różnica prądu, PP – przekładniki pomiarowe prądu, PPP – prostownik pomiaru prądu, PO – potencjometr służący do ograniczenia prądu,

PT – prądnica tachometryczna, R() – regulator prędkości, R(I) – regulator prądu

W stanie pracy ustalonej, sygnał prędkości zadanej ωz (napięcie odniesienia UR) jest porównywany z sygnałem prędkości mierzonej ωp (napięcie prądu stałego uzyskane z prądnicy tachometrycznej PT). Sygnał uchybu prędkości ( bardzo mały dzięki bardzo dużym wzmocnieniom statycznym wzmacniaczy) powoduje wysterowanie wzmacniacza prędkości R(ω) tak, aby prędkość kątowa silnika była równa prędkości zadanej.

W układzie powyższym prostownik sterowany przewodził prąd twornika tylko w jednym kierunku. Aby uzyskać układ napędowy, który pracuje przy dwóch kierunkach wirowania silnika i umożliwia, dla każdego kierunku prędkości kątowej, przepływ prądu w obu kierunkach, należy zastosować dwie sekcje prostownika, połączone odwrotnie równolegle. Taki nawrotny układ napędowy realizuje zmianę kierunku obrotów silnika poprzez zmianę kierunku prądu w tworniku. Nawrotny tyrystorowy układ napędowy (rys.15.), pracujący bez prądów wyrównawczych, ma dwie sekcje prostownika P S1 oraz P-S2 (każda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku). Każda sekcja jest sterowana własnym sterownikiem (S1 i S2) i kiedy jedna z nich pracuje to druga jest zablokowana (człon blokady pracy BL jest odpowiedzialny za wprowadzenie odpowiedniej sekcji do pracy). Praca sekcji zależy to od znaku sygnału prądu zadanego iz, a przełączenie z jednej sekcji na drugą następuje w chwili gdy wartość prądu pomierzonego ip jest równa 0. Regulator prądu R(I) ma dwa wyjścia, które odpowiednio sterują pracą: pierwszej sekcji – pierwsze wyjście, drugiej sekcji – drugie wyjście. Sposób pracy regulatorów prądu R(I) i prędkości kątowej R(ω) jest podobny do sposobu omówionego powyżej dla układu jednokierunkowego. w celu dokonania nawrotu silnika zmieniamy potencjometrem UR sygnał wartości zadanej z wartości +10 V (odpowiada prędkości kątowej +ωN) na wartość –10 V (odpowiada to prędkości kątowej silnika - ωN). W wyniku tej zmiany następuje przesterowanie regulatora prądu R(I) oraz zanik prądu twornika w sekcji S1, który umożliwia blokadzie pracy BL wyłączenie sekcji prostownika P-S1 ( w wyniku wygaszenia impulsów sterujących w S1) oraz wprowadzenie do pracy sekcji prostownika P-S2. Regulator prądu R(I) wprowadza stopniowo do pracy falownikowej


41

(hamowanie) sekcję P-S2 prostownika, zmniejszając kąt wysterowania tyrystorów. Przejście z pracy falownikowej prostownika (hamowanie) do pracy prostownikowej odbywa się płynnie. W omawianym układzie problem rozruch, hamowania i nawrotu ogranicza się tylko do zmiany zadanej wartości prędkości kątowej ωz.

Rys. 15. Nawrotny tyrystorowy układ napędowy pracujący bez prądów wyrównawczych [7s. 181] ωz –prędkość kątowa zadana, iz - prąd zadany, ip - prąd pomierzony, ∆ iz - różnica prądu, PP – przekładniki

pomiarowe prądu, PPP – prostownik pomiaru prądu, BL – człon blokady pracy, P-S1 i P-S2 sekcje prostownika,S1 i S2 sterowniki sekcji prostownika,PT – prądnica tachometryczna, R(ω) – regulator prędkości,

R(I) – regulator prądu


Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie zadania i oczekiwania stawiane są sterowaniu? 2. Jakie znasz rodzaje sterowania? 3. Jakie czynniki spowodowały, iż napęd elektryczny jest najczęściej stosowany w układach

automatyki? 4. Jak jest różnica pomiędzy jednokierunkowym a nawrotnym tyrystorowym układem

napędowym? 5. Jak nazywa się urządzenie wytwarzające impulsy sterujące? 6. Jaka jest różnica między oznaczeniami + i ++? 7. Jaką rolę pełnią układy przekaźnikowo-stycznikowe?


Dla układu jak na rysunku (rysunek do ćwiczenia 1) narysuj diagram czasowy.


42

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat układu blokady załączeniowej [17, s. 59]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) sporządzić diagram, 4) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 5) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 6) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu, otrzymane

wyniki i wnioski z badań. Wyposażenie stanowiska pracy:


Ćwiczenie 2

Dla układu jak na rysunku (rysunek do ćwiczenia 2) narysuj diagram czasowy oraz zaprojektuj układ w technice cyfrowej, realizujący funkcję tego układu.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat układu blokady współdziałającej równorzędnej [17, s. 57]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) sporządzić diagram,


43

4) zaprojektować układ w technice cyfrowej, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 7) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu, otrzymane



Ćwiczenie 3

Na rysunku do ćwiczenia przedstawiono schemat transportu taśmowego. Narysuj diagram czasowy oraz zaprojektuj układ w technice cyfrowej, realizujący funkcję układu transportu taśmowego. Zwrócić uwagę na to, że kolejność załączenia przenośników 1, 2, 3 powinna być odwrotna w stosunku do kierunku transportu. W chwili zatrzymania jednego z przenośników powinny zostać automatycznie zatrzymane zasilające go przenośniki, natomiast przenośniki odprowadzające materiał transportowany powinny być jeszcze tak długo załączone, dopóki nie przetransportują znajdującego się na nich materiału.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat transportu taśmowego [17, s. 61]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) sporządzić diagram, 4) zaprojektować układ, 5) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 7) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu, otrzymane




44

Ćwiczenie 4 Zaprojektuj układ z blokadą. Ćwiczenie wykonać wykorzystując stanowisko laboratoryjne

wyposażone w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

Rysunek do ćwiczenia 4. Schemat układu z blokadą [16, s. 56]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zaprojektować układ (algorytm), 4) zaprogramować regulator, 5) połączyć układ, 6) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu, 7) po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz otrzymaniu

zezwolenia, przystąpić do sprawdzenia poprawności działania układu, 8) zaobserwować wpływ wprowadzanych zmian na działanie układu, 9) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 10) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 11) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając algorytm działania układu,

wydruk programu, otrzymane wyniki, wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy: − stanowisko laboratoryjne z regulatorem wielofunkcyjnym, − komputer z odpowiednim oprogramowaniem, − drukarka, − przewody łączące, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 5

Rysunek przedstawia prostą sygnalizację świetlną bramy wjazdowej na teren szkoły. Portier ręcznie włącza przyciskiem sterowniczym czerwone i zielone światło według następującego algorytmu: − zielona lampka sygnalizacyjna świeci się po wciśnięciu przycisku S1, − czerwona lampka sygnalizacyjna świeci się po wciśnięciu przycisku S2, − żadna lampka się nie świeci, gdy jednocześnie zostaną wciśnięte oba przyciski.

Jednoczesne wciśnięcie obu przycisków jest może doprowadzić do powstania niebezpiecznej sytuacji podczas kierowania ruchem w bramie wjazdowej. Zaprojektuj układ sterowania, który pomimo błędnej obsługi urządzenia będzie zapobiegał powstaniu niebezpiecznej sytuacji. Zastosuj tzw. blokadę. Zmontuj zaprojektowany układ z blokadą przełącznikową.


45

Rysunek do ćwiczenia 5. Fragment schematu urządzenia sygnalizacyjnego [6, s. 19]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) połączyć układ sterowania bez blokady, 4) zgłosić gotowość wykonania sprawdzenia układu, 5) sprawdzić działanie układu, 6) zaprojektować schemat układu sterowania urządzenia sygnalizacyjnego z blokadą

przełącznikową, 7) połączyć układ, 8) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu, 9) po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz otrzymaniu

zezwolenia, przystąpić do sprawdzenia poprawności działania układu, 10) zaobserwować wpływ wprowadzonych zmian na działanie układu, 11) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 12) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 13) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu sterowania,

analizę działania układu, wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy: − stanowisko laboratoryjne z możliwością podłączenia się do sieci napięcia przemiennego 230

V, 50 Hz z przewodem ochronnym, − przyciski sterownicze ze stykiem zwiernym (13/14) i stykiem rozwiernym (21/22), − styczniki pomocnicze (sterownicze), − lampki sygnalizacyjne: zielona i czerwona, − bezpiecznik topikowy, − przewody łączące, − instrukcja ćwiczenia, − katalogi przycisków, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 6

Montowanie i badanie układu nawrotnego sterowania indukcyjnego silnika klatkowego przedstawionego na rysunku do ćwiczenia. Opis układu: „Silnik załączany jest bezpośrednio włącznikiem Q znajdującym się w obwodzie głównym (prądowym) silnika. W obwodzie tym znajdują się zestyki stycznika K1, załączające prawe obroty silnika, zestyki stycznika K2, załączające lewe obroty silnika oraz styki przekaźnika termicznego Kυ, zabezpieczającego silnik


46

przed długotrwałym przeciążeniem. Zestyk bierny przekaźnika termicznego rozwiera wszystkie obwody zasilania cewek styczników K1 i K2, co powoduje rozłączenie zestyków obwodu głównego K1, K2 i zatrzymanie silnika. Silnik można zatrzymać ręcznie przyciskiem rozłączającym (biernym) SO lub wyłącznikiem Q. W układzie sterowania znajduje się cewka stycznika K1 oraz cewka stycznika K2. Przyciski SP i SL służą do włączania prawych i lewych obrotów silnika”.

Rysunek do ćwiczenia 6. Schemat układu nawrotnego sterowania indukcyjnego silnika klatkowego małej mocy [9, s. 91]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zapoznać się z charakterystykami i budową elementów układu sterowania elektrycznego, 4) zidentyfikować rodzaje zestyków i sposób połączenia cewek, 5) zmierzyć rezystancję cewek styczników i przekaźników, 6) ocenić na podstawie pomiarów ich stan, 7) ocenić stan zestyków, 8) określić czy wszystkie elementy są dobre, jeżeli nie, to wskazać uszkodzone, 9) połączyć układ nawrotnego sterowania indukcyjnego silnika klatkowego, 10) zgłosić gotowość wykonania sprawdzenia układu, 11) po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz otrzymaniu

zezwolenia, przystąpić do sprawdzenia poprawności działania układu, 12) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 13) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 14) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu sterowania,


Wyposażenie stanowiska pracy: − stanowisko laboratoryjne z możliwością podłączenia się do sieci trójfazowej napięcia

przemiennego z przewodem ochronnym, − trójfazowy silnik indukcyjny klatkowy małej mocy,


47

− włącznik, − styczniki dobre i uszkodzone, − przekaźniki dobre i uszkodzone, − przekaźnik termiczny, − bezpieczniki topikowe, − przyciski, − mierniki uniwersalne, − przewody łączące, − przybory monterskie, − instrukcja ćwiczenia, − katalogi przycisków, przekaźników, styczników, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela. Ćwiczenie 7

Zaprojektuj i wykonaj model przełącznika schodowego wraz z układem logicznym sterującym przełączaniem diody LED symulującej żarówkę.


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) narysować schemat przełącznika schodowego żarówki, 4) sporządzić tablicę prawdy układu dla sygnałów wejściowych przycisków Q1 i Q2 i sygnału

wyjściowego (żarówki) E1, 5) narysować schemat układu logicznego sterującego przełączaniem żarówki, 6) wykonać model układu przełącznika schodowego, 7) wykonać układ sterowania z zastosowaniem bramek logicznych, 8) zgłosić gotowość wykonania sprawdzenia układu, 9) po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz otrzymaniu

zezwolenia, przystąpić do sprawdzenia poprawności działania układu, 10) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 11) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 12) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu sterowania,


Wyposażenie stanowiska pracy: − stanowisko laboratoryjne przyciski, − żarówka, − bramki logiczne, − płytka obwodu drukowanego, − przybory monterskie, − lutownica, − mierniki uniwersalne, − przewody łączące, − instrukcja ćwiczenia, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela.


48

Ćwiczenie 8 Montowanie i badanie układu silnika obcowzbudnego zasilanego prostownikiem sterowanym

przedstawionego na rysunku do ćwiczenia. Opis układu: „ Badany układ składa się z prostownika sterowanego z układem sterowania, silnika, maszyny obciążającej (prądnica prądu stałego). Wzbudzenie silnika jest zasilane z prostownika niesterowanego. Prędkość kątową silnika nastawia się za pomocą potencjometru przez zmianę napięcia zadającego Uz. Prądnica jest obciążona rezystorem Robc.

Rysunek do ćwiczenia 8. Schemat układu pomiarowego [8, s. 398]


1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zapoznać się z prostownikiem i układem regulacyjnym, 4) połączyć układ zgodnie ze schematem pomiarowym, 5) zgłosić gotowość wykonania badania układu, 6) po sprawdzeniu poprawności połączeń przez nauczyciela oraz otrzymaniu zezwolenia,

przystąpić do badania układu, 7) zdjąć charakterystykę mechaniczną silnika ω = f(M) dla kilku różnych wartości napięcia

zadającego Uz = const, przy otwartym obwodzie sprzężenia napięciowego oraz przy zamkniętym obwodzie sprzężenia napięciowego,

8) dokonać pomiary i obliczenia, 9) wykreślić charakterystyki mechaniczne silnika, 10) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 11) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia, 12) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schemat układu sterowania,


Wyposażenie stanowiska pracy: − stanowisko laboratoryjne z możliwością podłączenia się do sieci napięcia przemiennego

230V/50Hz z przewodem ochronnym,


49

− silnik obcowzbudny, − prądnica prądu stałego, − prostownik z układem sterowania, − prostownik niesterowany, − stycznik, − bezpieczniki topikowe, − dławik sieciowy, − dławik wygładzający, − mierniki uniwersalne, − przewody łączące, − przybory monterskie, − instrukcja ćwiczenia, − literatura z rozdziału 6 wskazana przez nauczyciela.

4.3.4. Sprawdzian postępów Tak Nie Czy potrafisz:

1) wymienić cechy charakterystyczne sterowania sekwencyjnego? 2) wymienić cechy charakterystyczne sterowania programowego? 3) sporządzić opis działania układu przekaźnikowego? 4) narysować diagram czasowy układu przekaźnikowo-stycznikowego? 5) zaprojektować układ sterowania w technice stykowo-przekaźnikowej? 6) napisać prosty program dla sterownika PLC? 7) narysować schemat układu logicznego sterowania? 8) wyjaśnić dlaczego regulacja prędkości kątowej silnika jest w przypadku zasilania go z prostownika sterowanego mniej energochłonna? 9) sporządzić dokumentację wykonanych połączeń? 10) zmontować układ sterowania na podstawie schematu montażowego?


50

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uważnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Test składa się z 20 zadań dotyczących symboli i oznaczeń stosowanych

w automatyce, łączenia elementów, analizy układów, a także tworzenia schematów układów.

4. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonym arkuszu. 5. W zadaniu 1 uzupełnij zdanie. W zadaniu 15 odczytaj symboliczny zapis. W zadaniach 4,

5, 18, 20 należy narysować schemat układu lub wykres czasowy. Pozostałe zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna.

6. Zadania punktowane są 0 lub 1. 7. Wybraną odpowiedź zakreśl znakiem X. Jeśli uznasz, że pomyliłeś się i wybrałeś

nieprawidłową odpowiedź, to zakreśl ją kółeczkiem i znakiem X zaznacz prawidłową odpowiedź.

8. Niektóre zadania mogą sprawiać Ci trudność, dlatego jeśli początkowo wydają Ci się trudne, rozwiąż pozostałe i ponownie spróbuj rozwiązać trudniejsze.

9. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie. 10. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 40 minut.

Powodzenia! ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 1. Jeżeli zerowemu sygnałowi na wejściu odpowiada stan otwarcia styków, to taki styk

przekaźnika jest................................. . 2. Schemat blokowy ma za zadanie:

a) uprościć schemat ideowy, b) przedstawić sposób montażu elementów, c) ułatwić zrozumienie zasady działania układu, d) przedstawić zależności czasowe między elementami.

3. Schemat automatyzacji jest to schemat:

a) technologiczny z symbolami i oznaczeniami układów automatyki, b) ilustrujący przebieg procesu technologicznego, c) uproszczony, synoptyczny, d) przedstawiający szczegóły konstrukcyjno-wykonawcze.

4. Przesuń węzeł sumacyjny. Narysuj równoważny schemat.

.


51

5. W wyniku przekształceń otrzymano transmitancję układu w postaci: x y

Narysuj schemat pierwotny układu.

6. Organ pomiarowy stanowi część: a) regulatora, b) obiektu, c) elementu wykonawczego, d) układu regulacji automatycznej.

7. Organ wykonawczy nie składa się z: a) wzmacniacza mocy, b) urządzenia pomiarowego, c) elementu napędowego, d) elementu nastawczego.

8. Samosmarowność jest cechą charakterystyczną urządzeń: a) hydraulicznych, b) pneumatycznych, c) elektrycznych, d) elektropneumatycznych.

9. W warunkach występowania niskich temperatur, najkorzystniej jest stosować urządzenia: a) elektryczne, b) hydrauliczne, c) pneumatyczne, d) elektrohydrauliczne.

10. Standardowy sygnał pneumatyczny zawarty jest w granicach: a) 0,1 ÷ 10 atm, b) 20 ÷ 50 kPa, c) 20 ÷ 100 kPa, d) 0,01 ÷ 1 atm.

11. Wykrycie przerw w linii transmisyjnej umożliwiają sygnały standardowe: a) napięciowe: - 5 ÷ + 5 V, b) prądowe: 0 ÷ 20 mA, c) napięciowe: 0 ÷ 5 V, d) prądowe: 4 ÷ 20 mA.

12. Symbol jak na rys. przedstawia:

a) miernik analogowy, b) siłownik z silnikiem elektrycznym prądu stałego, c) sterownik, d) urządzenie sterujące.

)s(K)s(K1)s(K

ro

o

+


52

13. Rysunek przedstawia:

a) układ ze zdalnym wskazaniem pomiaru napięcia elektrycznego wytwarzanego przez

prądnicę, b) układ pomiaru poziomu i sygnalizację odchyłki, c) sygnalizator optyczny i akustyczny, d) układ pomiaru ze zdalną rejestracją wielkości mierzonej.

14. Na rys. przedstawiono przetwornik:

a) sygnału wejściowego elektrycznego analogowego na sygnał wyjściowy elektryczny

cyfrowy, b) sygnału wejściowego elektrycznego analogowego na sygnał wyjściowy pneumatyczny, c) sygnału wejściowego elektrycznego cyfrowego na sygnał wyjściowy elektryczny

analogowy, d) sygnału wejściowego elektrycznego cyfrowego na sygnał wyjściowy elektryczny

cyfrowy binarny.

15. Odczytaj zapis: ŁR +, Z ±, SL ++, S + (silnik rusza). 16. Rotametr z sygnalizacją odchylenia od najmniejszej i od największej wartości przedstawiono

na rysunku::

a) ,

b) ,

c) ,

d) .

17. Hamowanie odzyskowe wymaga: a) włączenia w obwód twornika rezystora dodatkowego, b) włączenia w obwód stojana rezystora dodatkowego, c) włączenia w obwód twornika i stojana rezystora dodatkowego, d) nie wymaga włączenia rezystora dodatkowego.


53

18. Narysuj diagram czasowy blokady wykluczającej (jak na rys.).

19. Na rysunku przedstawiono:

a) łącznik o jednym zestyku o napędzie ręcznym: oba wciskane, b) łącznik o jednym zestyku o napędzie ręcznym: oba wyciskane, c) łącznik samoczynny, d) łącznik o jednym zestyku zwiernym o napędzie ręcznym: wciskany, wyciągany.

20. Zastąp układ jak na rys. elementami cyfrowymi.


54

KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko …………………………………………………….. Montowanie i testowanie połączeń układów automatyki Zakreśl poprawną odpowiedź, wpisz brakujące części zdania lub wykonaj rysunek.

Odpowiedź Nr zadania a b c d Punkty

1

2 a b c d 3 a b c d

4

5

6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d

15

16 a b c d 17 a b c d

18

19 a b c d

20

RAZEM


55

6. LITERATURA 1. Amborski K., Marusak A.: Teoria sterowania w ćwiczeniach. PWN, Warszawa, 1978 2. Barlik R., Nowak M.: Układy sterowania i regulacji urządzeń energoelektronicznych. WSiP,

Warszawa 1998 3. Findeisen Wł. (red): Poradnik inżyniera automatyka. WNT, Warszawa 1973 4. Gerlach M., Janas R.: Automatyka dla liceum technicznego. WSiP, Warszawa 1999 5. Gessing R.: Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001 6. Hörnemann E., Hübscher H., Klaue J., Schierack K., Stolzenburg R.: Elektrotechnika.

Instalacje elektryczne i elektronika przemysłowa. WSiP, Warszawa 1998 7. Januszewski S.,Pytlak A., Rosnowska-Nowaczyk M., Świątek H.: Energoelektronika. WSiP,

Warszawa 2004 8. Kacejko L.: Pracownia elektryczna. Tom II. Maszyny, urządzenia i napęd. Wydawnictwo

MCNEMT, Radom 1993 9. Kojtych. A., Szawłowski M., Szymczyk W.: Pracownia techniczna 1.Pomiary wielkości

fizycznych. WSiP, Warszawa 1998 10. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996 11. Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Robotyka. WSiP, Warszawa 1999 12. Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Układy regulacji automatycznej. WSiP, Warszawa

1999 13. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1998 14. Kostro J.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996 15. Kuźnik J.: Regulatory i układy regulacji. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006 16. Płoszajski G.: Automatyka. WSiP, Warszawa 1995 17. Pochopień B.: Automatyzacja procesów przemysłowych. WSiP, Warszawa 1993 18. Pułaczewski J.: Podstawy regulacji automatycznej. WSiP, Warszawa 1988 19. Siemieniako F., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1993 20. Technika sterowników z programowalna pamięcią. Praca zbiorowa. WSiP, Warszawa 1998 21. Technika sterowników z programowalna pamięcią. Ćwiczenia. WSiP, Warszawa 1998 22. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa 1978

38. Montowanie i testowanie połączeń układów automatyki

Education

Transcript of 38. Montowanie i testowanie połączeń układów automatyki