Automatizacija i vođenje procesa - predavanja

UVOD U AUTOMATIKU •

• • • • • • • • •

Pojam AUTOMATIKA potječe od starogrčke riječi automatos (koji se sam događa), a odnosi se na uređaje koji sami, bez ljudskog neposrednog sudjelovanja, obavljaju neke radnje. Danas je to tehnička disciplina koja se bavi automatizacijom svih tehnoloških procesa, a uključuje teoriju i tehničku praksu. U suvremenom industrijskom društvu, automatika povezana s elektronikom i računalstvom čini temelj sveukupnog napretka. KIBERNETIKA je opća znanost o upravljanju dinamičkim sustavima. Kibernetika je po naravi sjedinjujuća znanost, jer se odnosi na sve dinamičke sustave iz prirodnih i društvenih znanosti. Kibernetika se bavi proučavanjem uređenih (organiziranih) sustava s unutrašnjim i vanjskim informacijskim tijekovima. MEHANIZACIJA i AUTOMATIZACIJA su dva procesa s motrišta proizvodnje. MEHANIZACIJA znači uvođenje energetskih strojeva koji zamjenjuju ljudski tjelesni rad. Pri automatizaciji rada ljudi se oslobađaju i rutinskih umnih poslova. Bez mehanizacije nema niti automatizacije

PROCESNA MJERENJA • • • • • • • •

U tehnici je potrebno mjeriti sve fizikalne i kemijske veličine. Možemo kazati da se radi o mjerenju NEELEKTRIČNIH VELIČINA. Mjerenje u svrhu promatranja procesa izvodi se onda kada se žele dobiti podaci o stanju procesa, a ti se podaci ne koriste za njegovo vođenje. Primjer: vodomjeri, plinomjeri, električna brojila itd. Mjerenje u svrhu vođenja procesa izvodi se tako da se rezultati mjerenja koriste kao temeljna informacija sustavu vođenja ili reguliranja. Primjer: mjerenje temperature u bojleru. Eksperimentalna analiza se koristi u rješavanju znanstvenih i tehničkih zadataka. 1. Mjerni slogovi Mjerenja se izvode pomoću MJERNIH SLOGOVA ili mjernih uređaja koji se nazivaju mjerilo, brojilo, dojavnik, mjerni instrument i td.

Opći prikaz spajanja mjernih jedinica u mjernom slogu

• • • • •

Mjerno osjetilo (MO) Mjerni pretvarači primarne u sekundarnu neelektričnu veličinu (MPI) Mjerni pretvarač sekundarne neelektrične veličine u električnu veličinu (MPII)) Prijenosni slog (PS) Slog za iskazivanje vrijednosti mjerene veličine (SI)

• • •

• •

• •

Mjerna osjetila Mjerno osjetilo je u neposrednom dodiru s materijom kojoj mjerimo karakterističnu veličinu. Mjerno osjetilo prima osnovni signal mjerene veličine (x) i taj signal, s istom vrstom energije, daje na svojem izlazu (M). Mjerno osjetilo troši energiju mjerene veličine, to trošenje energije mora biti minimalno. Mjerni pretvarači Mjerni pretvarači pretvaraju signale mjerenih veličina iz jednih u druge vrste energije. Pretvarači se mogu podijeliti u dvije grupe: pretvarači primarnih u sekundarne neelektrične veličine i pretvarači sekundarnih neelektričnih veličina u električne veličine. Pretvarači mogu biti aktivni i pasivni Aktivni pretvarači daju izlazne signale (y) na temelju samih ulaznih signala (x) i njihove energije.

•

Pasivni pretvarači osim energije ulaznih signala trebaju i pomoćnu energiju (Pe) na temelju kojih daju izlazni signal.

•

Izlazni mjerni signali (y) moraju biti standardizirani u obliku neelektričnih ili električnih veličina ( na pr. napon, struja, tlak). Najveća je korist pojednostavljenje mjernih slogova i korištenje jednog mjernog sloga za više potreba. Tako se prema slici vidi da se strujni izlazni signal iz jednog mjernog sloga može koristiti za pokazivanje, zapisivanje, signaliziranje i vođenje ili reguliranje procesa.

• •

•

Pretvarači na svom izlazu mogu dati i digitalne veličine za što su potrebni analogno – digitalni pretvarači (A/D).

• • •

•

Prijenosni slogovi Pomoću njih se signal mjerene veličine prenosi sa izlaza mjernog pretvarača do sloga za iskazivanje. U jednostavnijim slučajevima prijenosni slogovi mogu biti mehanički prijenosnici (poluga ili zupčanik), pneumatični i hidraulični i električni vodovi. Složeniji, telekomunikacijska mreža ili radio-uređaji. Slogovi za iskazivanje To su izlazni dijelovi mjernih slogova i služe za pokazivanje, registriranje ili pamćenje mjerenih podataka. Primjer izvedbe mjernog sloga za mjerenje temperature:

Karakteristike mjernih slogova • Mjerni slogovi i njihove mjerne jedinice opisuju se statičkim i dinamičkim karakteristikama i ostalim značajkama koje se pomoću ovih karakteristika mogu odrediti. 2.1. Statičke karakteristike • Ove karakteristike opisuju ponašanje mjernih slogova ili njihovih jedinica kod stalnih vrijednosti mjerenih veličina. • Karakteristike se mogu prikazivati u matematičkom ili grafičkom obliku. • U matematičkom obliku: y = f (x) ili y = k f (x) • Grafički prikaz ovih karakteristika pokazan je na slici:

• • •

• • • • • • • • •

• • • • • • •

Statičke karakteristike mogu biti linearne ili nelinearne, pravci ili krivulje različitih oblika. Sa stajališta prijenosa mjerenih signala linearne su karakteristike najpoželjnije, ali ih je kod praktičnih izvedbi jedinica mjernih slogova dosta teško postići. Primjer izvedbi statičkih karakteristika:

Slika a) prikazuje oblik kontinuirane nelinearnosti nagib karakteristike je u svakoj točki različit ovakvu karakteristiku imaju instrumenti sa kvadratičnom skalom Slika b) prikazuje karakteristiku sa zasićenjem to se javlja kod slogova ili jedinica s ograničenim mjernim područjem Slika c) prikazuje skok funkciju ili relejnu nelinearnost one se javljaju kod dvopoložajnih djelovanja mehaničkih, električnih i elektroničkih sklopki. to su idealne statičke karakteristike. Karakteristike mogu biti s mrtvim pojasom:

Slika a) prikazuje skok funkciju s mrtvim pojasom javlja se kod tropoložajnih djelovanja sklopova uzrok ovakvom djelovanju je trenje, predopterećenje ili prednapon sklopnih uređaja. Slika b) prikazuje nelinearnost s histerezom primjer histerezne nelinearnosti su statičke karakteristike magnetiziranja feromagnetskih materijala. Slika c) prikazuje skok nelinearnost s mrtvim pojasom i histerezom posljedica je trenja i zračnosti u mehaničkim, i magnetskih ili električnih svojstava, u električnim elementima mjernih slogova.

• •

2.2. Statičke karakteristične veličine Osnovne karakteristične vveličine pomoću kojih je moguće dovoljno točno opisati statička svojstva mjernih slogova ili jedinica mjernih slogova su: Osjetljivost koja pokazuje omjer prirasta vrijednosti izlazne kod odgovarajućeg prirasta ulazne veličine, ovaj se omjer naziva pojačanje: ∆y ∆x Osjetni prag određen je najmanjom promjenom vrijednosti ulazne veličine (∆x) kod koje počinje porast izlazne veličine. Točnost prijenosa ili pokazivanja određena je statičkim i dinamičkim pogreškama. Statičke pogreške nastaju u statičkim stanjima ulaznih i izlaznih veličina, a dinamičke kod promjena njihovih vrijednosti.. Pogreške se iskazuju u postocima. A=

• • • •

p=

• • •

• •

•

• • • •

y0 − y s ⋅100 y0

2.3. Dinamičke karakteristike Dinamičke karakteristike mjernih slogova ili jedinica pokazuju vremensku ovisnost izlazne veličine o promjenama ulazne veličine. One pokazuju vladanje jedinica ili mjernih slogova u dinamičkim stanjima, za vrijeme prijelaznih pojava. Matematički se može izraziti na način: y = f [x(t )] y = A ⋅ f [x(t )] gdje su: y = izlazna veličina, x = ulazna veličina, t = vrijeme i A je osjetljivost ili pojačanje. Za najveći broj praktičnih izvedbi jedinica ili mjernih slogova spomenuti su izrazi manje više složene diferencijalne jednadžbe, zbog čega se u današnje vrijeme koriste računala. Grafički se dinamička karakteristika može prikazati prema slici:

2.4. Signali za snimanje statičkih i dinamičkih karakteristika Oblici signala pomoću kojih se snimaju i analiziraju dinamičke karakteristike najčešće su slijedeći: Ulazni signal Ovaj je signal karakteriziran kontinuiranim porastom od vrijednosti nula do neke druge vrijednosti slika a). Skok signal

• • •

• • • •

Ovaj je signal karakteriziran trenutnom promjenom od vrijednosti nula do jedinične vrijednosti slika b). Jedinični impuls Ovaj signal ima jedinično vrijeme trajanja i jediničnu vrijednost amplitude slika c).

Sinusni signal Sinusni signal primjenjuje se najčešće za snimanje i analiziranje frekvencijskih karakteristika jedinica ili mjernih slogova. Momentalna vrijednost ovog signala pokazuje se funkcijom x = A sin ωt gdje su: A = amplituda signala, t = vrijeme, ω = kružna frekvencija signala i T = period promjena signala 2.5. Prijelazne karakteristike

• •

• • •

Prijelazne karakteristike spadaju među najvažnije dinamičke karakteristike jedinica i mjernih slogova. Ovo je naročito važno kad se mjerenja izvode za potrebe automatskog vođenja procesa. 2.5.1. Karakteristika nultog reda ili P – karakteristika Ova karakteristika pokazuje vladanje jedinice koja nema nikakvog vremenskog zadržavanja skok karakteristike ulaznog signala. Ovakve jedinice mijenjaju samo amplitudu. Ovakve karakteristike imaju: mehanički polužni i zupčasti prijenosnici bez trenja i zračnosti, električni otpornički sklopovi i svi sklopovi koji nemaju svojstvo akumuliranja energije ili materije.

2.5.2. Karakteristika nultog reda s mrtvim vremenom ili Ptm karakteristika •

•

Ova karakteristika pokazuje dinamičko vladanje jedinice koja ima određeno vrijeme zadržavanja skok ulaznog signala koje se naziva mrtvim vremenom, ali nema sposobnost akumuliranja energije. To su svi sklopovi koji imaju mehanička trenja i zračnost ili na drugi način trenutno (uključivanje releja) zadržavaju prenašane signale.

• • •

• •

Uzlazna ili integracijska, I – karakteristika Jedinice sa ovakvom karakteristikom, na djelovanje skok ulaznog signala daju izlazni signal uzlaznog linearnog oblika, koji stalno raste s vremenom. To mogu biti sakupljači uzoraka za analizu, akumulacijski slogovi, ... Karakteristika može biti s mrtvim vremenom (tm).

Derivacijska ili D – karakteristika Ovakve karakteristike imaju dijelovi ili jedinice mjernih slogova kod kojih je vrijednost izlazne, proporcionalna brzini promjene ulazne veličine. Vremenska konstanta je potrebno vrijeme da vrijednost izlazne veličine padne na 37 % maksimalne vrijednosti koja se postiže u trenutku t0.