Pracovní sešit pro 3. ročník oboru Elektrikář Automatizační měření

Transkript

1 Registrační číslo projektu Název projektu Produkt č. 6 CZ.1.07/1.1.16/ Automatizace názorně Pracovní sešit pro 3. ročník oboru Elektrikář Automatizační měření Střední škola technická a gastronomická, Blansko, Bezručova 33 Kolektiv autorů 2014

2 Obsah Úvod k pracovnímu sešitu pro 3.ročník oboru Elektrikář 5 ČÁST I. Automatizace a měření 1 Základní pojmy v automatizaci Automatizace Mechanizace Řízení Automat Regulace Kybernetika Algoritmus řízení Obvod automatické regulace Prostředky používané v automatizaci Senzory Senzory mechanických veličin Indukčnostní senzory Kapacitní senzory Optoelektronické senzory Magnetické senzory Ultrazvukové senzory Odporové senzory Senzory mechanického napětí, síly a tlaku Senzory teploty Senzory strojového vidění Regulátory Základní typy regulátorů Spojité regulátory Proporcionální regulátor P Integrační regulátor I Derivační regulátor D Přechodové charakteristiky spojitých regulátorů Nespojité (diskrétní) regulátory Str. 2

3 Přímý dvoupolohový regulátor Přímý třípolohový regulátor Akční členy Základní rozdělení akčních členů Pneumatické akční členy Hydraulické akční členy Elektrické akční členy Stejnosměrné kartáčové motory DC Bezkartáčové motory EC Synchronní motory AC Rotační motory Lineární motory Úlohy pro automatizační měření I.část Úloha č.1 Teorie, principy a nabídka současného trhu se senzory Úloha č.2 Teorie, principy a nabídka současného trhu s regulátory Úloha č.3 Teorie, principy a nabídka současného trhu s akčními členy...22 Úloha č.4 Teorie, principy a nabídka současného trhu dalších komponent, které se využívají v automatizační technice Úloha č.5 Teorie, principy a nabídka současného trhu hydraulických systémů...23 Úloha č.6 Měření na potenciometru Úloha č.7 Měření na fotorezistoru Úloha č.8 Měření na operačním zesilovači Úloha č.9 Měření na proporcionálním členu Úloha č.10 Měření na regulačním integračním členu Úloha č.11 Měření na regulačním derivačním členu Úloha č.12 Měření na stejnosměrném motoru a asynchronním generátoru 35 Úloha č.13 Měření na asynchronním motoru..36 Str. 3

4 ČÁST II. Pneumatické systémy 1. Úvod do využití stlačeného vzduchu Historie stlačeného vzduchu Oblasti využití stlačeného vzduchu Vlastnosti stlačeného vzduchu Výhody a nevýhody pneumatických systémů Základní pneumatický obvod Výroba, úprava a rozvod stlačeného vzduchu Spotřeba stlačeného vzduchu Elektropneumatické řízení Schéma pneumatického obvodu Schématické značky jednotek pro úpravu vzduchu Schématické značky ventilů Vybrané schématické značky elektromagnetických ventilů Vybrané schématické značky mechanicky ovládaných ventilů Vybrané schématické značky škrtících, zpětných a logických ventilů Vybrané schématické značky lineárních pneumatických pohonů Vybrané schématické značky spojovacích hadic a potrubí Základní zapojení pneumatických systémů Praktické úlohy pro měření.. 47 Úloha č.1: Přímé ovládání jednočinného pneumatického válce Úloha č.2: Ovládání jednočinného pneumatického válce ze dvou míst s optickou indikací stavu. 48 Úloha č.3: Přímé ovládání dvojčinného pneumatického válce Úloha č.4: Přímé ovládání dvojčinného pneumatického válce se setrváním v koncové poloze Úloha č.5: Opakované vysunutí a zasunutí pístnice válce Úloha č.6: Inverze signálu: aplikace negace funkce NE Úloha č.7: Ovládání jednočinného pneumatického válce pomocí monostabilního elektromagnetického ventilu Úloha č.8: Ovládání dvojčinného pneumatického válce pomocí monostabilního elektromagnetického ventilu Úloha č.9:ovládání jednočinného pneumatického válce pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu Úloha č.10 Ovládání dvojčinného pneumatického válce pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu Použité zdroje: Str. 4

5 Úvod k pracovnímu sešitu pro 3.ročník oboru Elektrikář Sešit je rozdělen do dvou částí. V první části je obecná teoretická příprava k automatizačnímu měření s některými úlohami pro měření v širší rovině automatizace a navazuje na technické vybavení laboratoří pro elektrická měření. Jedná se o Laboratoř pro elektrická měření č.19 DEGEM a Laboratoř pro elektrická měření č.21 Elektrikář. Tato část je zpracována v oddílu ČÁST I. V druhé části sešitu je zpracována problematika pneumatických systémů a elektropneumatických systémů v návaznosti na technické vybavení laboratoře pro pneumatické systémy. Jedná se o Laboratoř pro pneumatická měření č.20. Zde jsou připraveny praktické úlohy pro základní zapojení a měření na těchto systémech. Tato část je zpracována v oddílu ČÁST II. ČÁST I. 1. Základní pojmy v automatizaci 1.1 Automatizace Základní myšlenkou oboru automatizace je odstranění fyzické i psychické práce člověka zaváděním automatizačních prostředků prakticky ve všech oblastech lidského života. Důvody zavádění automatizace: - snížení výrobních nákladů - zvýšení produktivity - zvýšení jakosti - zvýšení bezpečnosti práce - zajištění zdraví lidí - odstranění chyb člověka - realizování ekologických hledisek - začleňování do globální světové ekonomiky Mechanizace Podstatou mechanizace je odstranění fyzicky namáhavé a opakující se práce s využitím nových technologií. [1] Str. 5

6 1.1.2 Řízení Řízení je cílevědomé působení pro dosažení požadovaného stavu nebo chování řízeného objektu. Děje se tak pomocí zavádění vstupních informací do soustavy za účelem dosažení požadovaného výstupního stavu. Automatické řízení znamená řízení těchto dějů bez účasti člověka Automat Automat je zařízení, které je schopno vykonávat automatické funkce. Automatizační zařízení jsou zpravidla elektronická, ale mohou být i mechanická, pneumatická, hydraulická a dnes se používají kombinované systémy automatů Regulace Regulace je řízení vybavené zpětnovazebními prvky, které informují obsluhu (v případě ručního řízení) nebo regulátor (v případě automatického řízení), o skutečné hodnotě regulované veličiny. Obsluha nebo regulátor pak provede řídící zásah v systému Kybernetika Kybernetika je věda, která se zabývá teorií řízení. Rozvoj kybernetiky umožnila úroveň znalostí se stavbou různých automatů, informatiky atd Algoritmus řízení Algoritmus řízení je obecný popis způsobu řešení úlohy řízení daný posloupností elementárních operací pro požadovanou činnost řídícího obvodu nebo řídících obvodů. Řídící algoritmy musí umožňovat bezpečné a kvalitní dosažení cíle řízení. Zpravidla jsou to programy, které zpracovávají řídící jednotky automatů. 1.2 Obvod automatické regulace Princip regulace je popsán na základním blokovém schématu (viz obr.1). Obvod se skládá z několika bloků. Regulovaná soustava zařízení, které řídíme pomocí zapojení obvodu. V regulované soustavě se provádí regulace, tedy udržování hodnoty regulované veličiny na požadované hodnotě. Ústřední člen zařazuje se v obvodu do zpětné vazby a měří odchylky a řídí vstupní veličiny tak, abychom na výstupu dostali požadované výstupní veličiny. Regulátor zpracovává v ústředním členu regulační odchylku a mění nastavení akčního členu. Akční člen zajišťuje fyzicky regulaci systému na základě výstupu regulátoru. [1] Str. 6

7 Veličiny řídícího obvodu: y(t) regulovaná veličina (okamžitá hodnota) w(t) řídící veličina (hodnota, kterou požadujeme) e(t) regulační odchylka [e(t) = w(t) y(t)] rozdíl mezi řídící a regulovanou veličinou u(t) akční veličina (veličina, která způsobí regulaci systému pomocí akčního členu) Obrázek č.1 Blokové schéma automatického regulačního obvodu Na obrázku č.1 je nakreslen regulační obvod se zpětnou vazbou. Soustava je zapojena v uzavřeném regulačním obvodu. Pomocí zpětné vazby jsme schopni porovnávat signály mezi vstupem a výstupem a dostat tak regulační odchylku. Zpětná vazba musí fungovat opačně proti regulační odchylce, aby došlo ke správné regulaci systému. Je důležité mít zpětnou vazbu nastavenou jako zápornou zpětnou vazbu, neboť pouze ta má stabilizační účinky. Změny regulační odchylky tedy vyvolávají změny řídící veličiny, které produkují poruchové veličiny (např. vliv prostředí, změny teploty apod.) Následkem je pak udržení regulovaného systému na požadovaných parametrech. 2. Prostředky používané v automatizaci Prostředky používané v automatizaci jsou veškeré nástroje, konstrukční prvky a vybavení, které se používají v automatizaci. Základní rozdělení těchto bloků: - senzory a jejich čidla (zdroje informací) - sběrnice, zesilovače a převodníky (přenos informací) - logické obvody, regulátory a programovatelné automaty (zpracování informací) - výkonné akční členy a pohony (pneumatické, hydraulické, elektrické a kombinované obvody) [1] Str. 7

8 2.1 Senzory Senzory jsou velice důležitou částí automatických soustav, neboť zjišťují přítomnost a velikost různých fyzikálních veličin. Tyto fyzikální veličiny jsou zpravidla neelektrické. Na základě získaných údajů ze senzorů jsme schopni vytvářet odpovídající automatické a řídící systémy. Senzory zpravidla konstruujeme tak, že snímaná veličina se převádí na veličinu elektrickou. Na výstupu pak dostáváme analogový nebo diskrétní elektrický signál odpovídající snímané veličině. Důvodem převodu snímaných veličin na elektrické veličiny, tedy elektrický signál, je jeho jednoduché zpracování a použití v automatizační technice. V dnešní době se používají inteligentní senzory a kompaktní měřící systémy s vestavěnými funkcemi zpracování signálu s možností komunikace. Senzory dělíme podle: - měřené veličiny - teplota, tlak, průtok, posuv, mechanické veličiny (poloha, rychlost, zrychlení, síla, mechanické napětí), elektrické veličiny (napětí, proud, odpor), magnetické veličiny atd. - fyzikálního principu - odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní, magnetické, piezoelektrické, optoelektrické, optické vláknové atd. - styku senzoru s měřeným prostředím - dotykové a bezdotykové - tvaru výstupní veličiny - spojité (analogové), diskrétní (nespojité) Senzory mechanických veličin Indukčnostní senzory Jedná se o pasivní senzory. Převáděná veličina se převádí na změnu indukčnosti L nebo změnu vzájemné indukčnosti M. Indukčnost je zpravidla připojena do můstkového nebo rezonančního měřícího obvodu. Bezdotykové senzory polohy využívají vířivé proudy a reagují pouze na kov. Používají se pro měření polohy. Základ senzoru tvoří zpravidla LC oscilátor, který pracuje v kmitočtovém rozsahu 0,1 1 MHz. Kolem cívky se vytváří elektromagnetické pole. Pokud se v jeho blízkosti objeví kov, vznikají v něm vířivé proudy, které vytváří protichůdné elektromagnetické pole a to způsobí zeslabení pole v cívce senzoru a díky tomu dojde ke zmenšení amplitudy signálu. Snížení amplitudy vyhodnotí klopný obvod změnou stavu na výstupu, který je připojen na spínací obvod. Dochází tedy ke spínání a rozepínání spínače. Dotykové indukčnostní senzory jsou senzory, které se používají pro měření vzdáleností. Mají vysokou spolehlivost, teplotní stabilitu, kvalitní signál a pracují i za ztížených podmínek. [1] Str. 8

9 Jsou vyráběny s integrovanou nebo externí elektronikou. Měřený objekt je připojen na posuvné jádro, trubici nebo objímku. Využívají princip vířivých proudů (FLDT lineární senzor polohy) nebo princip proměnného rozdílového transformátoru (LVDT) Kapacitní senzory Jedná se o senzor jehož základem je dvoudeskový nebo i vícedeskový kondenzátor. Neelektrická veličina je s čidlem dotykového senzoru spojena a mění kapacitu kondenzátoru buď změnou plochy desek, změnou vzdálenosti desek nebo i změnou dielektrika. Vzhledem k velmi malým hodnotám kapacity (řádově pf) je nutné vyloučit rušivé vlivy. Jako měřící obvody se používají kapacitní můstky, diferenční můstky a rezonanční obvody. Kapacitní senzory se používají pro měření síly materiálu, polohy, přítomnosti předmětu, deformace, hladiny vlhkosti apod.. Bezdotykové senzory reagují na přiblížení snímaného předmětu do elektrického pole kondenzátoru. Základem senzoru je vysokofrekvenční RC oscilátor. Elektrody senzoru vytváří elektrostatické pole. Elektrody kapacitního senzoru jsou konstruovány jako u otevřeného kondenzátoru. Přiblížíme-li objekt k senzoru, zvýší se jeho kapacitní reaktance a amplituda signálu poklesne. Amplitudu kmitání sleduje komparátor, který zajišťuje spínání výstupního signálu. Pokud v obvodu není komparátor, dostáváme analogový výstupní signál. Bezdotykové senzory reagují na kovové i nekovové materiály Optoelektronické senzory Optoelektronické senzory se dnes běžně vyskytují v průmyslové automatizaci. Výhodou jsou jejich neustále rostoucí výkony, malé rozměry, široký rozsah vzdáleností detekovaných objektů. Nevýhodou je citlivost na vlhkost, vnější světlo a infračervené záření. Obrovskou výhodou optoelektronických senzorů je necitlivost proti rušení elektromagnetickými poli a rušení hlukem. Používají zpravidla infračervené světlo (λ=880 nm nebo λ=950 nm) a světlo ve viditelném spektru (λ=660 nm). Optoelektrické inkrementální senzory pracují na principu clonění nebo propustnosti světla mezi zdrojem světla a fotodetektorem pomocí pravítka nebo kotoučku s průzory (viz obr.2). Obrázek č.2 Inkrementální senzor s rastrovacím kotoučkem [3] [1] Str. 9

10 Optoelektronické absolutní senzory dávají pro každou úhlovou polohu číselnou hodnotu. Kódová hodnota je k dispozici okamžitě po zapnutí. Na hřídeli je kódový kotouč, který je rozdělen na segmenty. U senzorů s rozlišením do 10 bitů je použita clonka pro každý bit (1024 poloh na otáčku). Triangulační senzory polohy jsou bezdotykové senzory pro měření vzdálenosti. Laserový paprsek vytváří na měřeném objektu malý světelný bod. Paprsek se odráží pod určitým úhlem, který je detekován a z něho je pak spočítána vzdálenost. Snímací prvek má velké rozlišení a zařízení zpracovává signál digitálně. Laserové difuzní senzory jsou určeny pro bezdotykové měření vzdálenosti. Pracují na principu vysílání krátkých světelných impulzů a měří čas, který je třeba pro návrat paprsku zpět k senzoru. Senzor změří za 1 milisekundu průměrnou dobu mezi vysláním a příjmem tisíce impulzů a z ní vypočítá vzdálenost. Tyto senzory mají velký dosah. Jednocestné světelné závory mají vysílač a proti němu namontovaný přijímač v optické ose (viz obr.3). Pokud je přerušena cesta světa mezi vysílačem a přijímačem, přijímač detekuje změnu a reaguje změnou stavu signálu na výstupu. Obrázek č.3 Jednocestná světelná závora senzoru [4] Reflexní světelné závory mají vysílač i přijímač umístěný v senzoru a světelný paprsek se odráží od zrcadla nebo reflexní vrstvy zpět (viz obr.4). Difuzní senzor má vysílač i přijímač umístěn v senzoru a světelný paprsek se odráží zpět přímo od objektu (viz obr.5). [1] Str. 10

11 Obrázek č.4 - Reflexní světelná závora [5] Obrázek č.5 Difuzní senzor [6] Optoelektronické vláknové senzory se používají v prostředích s vyšší teplotou, stříkající vodou nebo na nepřístupných místech. Pro vedení signálu se používají plastová nebo skleněná optická vlákna Magnetické senzory Magnetické senzory využívají principu změny indukce magnetického pole B. Jako čidla se používají magnetorezistory a Hallovy sondy. V případě skokové změny odporu se používají jazýčková relátka. Magnetorezistory zvětšují svůj odpor v případě, že na ně působí magnetické pole. Mohou být feromagnetické nebo polovodičové. Hallova sonda pracuje na principu vzniku Hallova napětí. Velikost napětí závisí na velikosti magnetické indukce. Senzory se používají především pro detekci koncových poloh pohonů, zpravidla pneumatických a hydraulických. [1] Str. 11

12 Ultrazvukové senzory Ultrazvukové senzory se používají pro měření vzdáleností. Pracují na principu vyslání krátké sekvence zvukových pulzů a příjmu jejich odrazu od nějakého objektu. Pak provede výpočet vzdálenosti na základě rozdílu času mezi vyslaným a přijatým zvukovým signálem Odporové senzory Odporové senzory jsou dotykové absolutní senzory. Jako čidlo se používá potenciometr ve funkci regulovatelného odporového napěťového děliče. Čidlo je mechanicky spojeno se sledovaným objektem. Měřená spojitá neelektrická veličina je převedena na změnu odporu a ta je vyhodnocována pomocí můstkové nebo výchylkové metody Senzory mechanického napětí, síly a tlaku Pro měření mechanického napětí, které vzniká deformací (např. nosníky) se používají tenzometry. Nejběžnější jsou odporové tenzometry kovové. Používají se odporové slitiny (např. chromnikl), který je konstruován ve formě fólie. Pásek se připevňuje na konstrukce, které se mohou vlivem teploty různě dilatovat. Díky tomu se mění odpor tenzometru a ten je vyhodnocován. U polovodičových tenzometrů jsou do křemíkové destičky difundovány rezistory např. ve formě Wheastnova můstku. Deformací pak dochází ke změnám počtu nosičů náboje. Stav je opět vyhodnocován. Senzory tlaku jsou určeny pro měření přetlaku i podtlaku nebo tlaku. K přímému měření tlaku nebo síly se používají piezoelektrického principu. Při deformaci piezoelektrického krystalu vzniká elektrické napětí, které odpovídá velikosti deformace Senzory teploty Teplota patří mezi nejčastěji měřené neelektrické veličiny. Teplotu měříme nepřímo pomocí závislosti různých veličin na změně teploty. Rozdělení senzorů teploty podle fyzikálního principu: - odporové - termoelektrické články - polovodičové monokrystalické - termistory Odporové senzory teploty rozdělujeme podle druhu materiálu čidla na kovové a polovodičové monokrystalické (křemíkové a termistory). Kovová odporová čidla využívají závislost elektrického odporu na teplotě. V těchto čidlech se využívá platina, nikl, měď, iridium a některé slitiny kovů. Vyrábí se jako drátová a vrstvová. Polovodičová odporová čidla využívají teplotní závislost polovodičových materiálů. Mezi nejznámější čidla patří termistory. [1] Str. 12

13 Odporová křemíková čidla jsou tvořena dotovaným monokrystalickým křemíkem, který je opatřen kovovými vývody. Teplotní závislost odporu vychází z pohyblivosti nosičů elektrického proudu. Termoelektrické senzory využívají jevu, kdy v obvodu tvořeném vodiči ze dvou různých kovů vzniká termoelektrické napětí, které je úměrné rozdílu teplot mezi měřeným a referenčním (studeným) koncem. Polovodičové senzory jsou založeny na teplotní závislosti PN přechodu v propustném směru. Používají se křemíkové diody nebo tranzistory. Tato čidla se využívají v integrovaných obvodech Senzory strojového vidění V současné době se rozmáhá v průmyslové automatizaci používání senzorů, které umožňují pracovat i s obrazem a identifikovat přesně výrobní procesy. Jako čidla se používají kamery různých druhů. Umožňují zpracovávat zpravidla tyto úlohy: - obrazová inspekce kontrola kvality a tvaru - počítání objektů - hledání defektů kontrola tvarové shody - přesné určení polohy v prostoru - logistiku čtení kódů 3. Regulátory Regulátory jsou technická zařízení, která pracují s informačními signály, které se v čase spojitě mění v určitém rozsahu hodnot. Takové regulátory jsou spojité, neboli analogové. Nositelem informace bývá elektrický proud nebo napětí, pneumatický nebo hydraulický tlak, intenzita světla nebo magnetického pole atd.. Mají za úkol regulovat tyto veličiny podle požadovaného chování systému. Regulace probíhá spojitě, tedy vstupní i výstupní signály jsou spojité. Nespojité regulátory pracují se skokovými signály a akční veličina může nabývat jen omezený počet hodnot a skokově přechází do jiného stavu při splnění definovaných podmínek. 3.1 Základní typy regulátorů Rozdělení regulátorů: - mechanické regulátory jsou konstruovány z různých mechanických konstrukcí a prvků, převodů, pák, šoupátek apod. - pneumatické regulátory pracují na bázi stlačeného plynu, zpravidla vzduchu. Výhodou je jednoduchost, nenáročnost, spolehlivost i cena. Používají se v nebezpečných provozech (nejiskří), v prostředích se zvýšenou radiací a silným elektromagnetickým polem. Nevýhodou je potřeba stlačeného vzduchu a jeho rozvodů. - hydraulické regulátory pracovním médiem je kapalina (obvykle hydraulický olej). Výhodou je jednoduchost, nenáročnost, spolehlivost i cena a navíc nestlačitelnost pracovního média. Používají se v těžkých silových provozech, pracují s vysokými provozními tlaky a silami. Z toho plynou zvýšená bezpečnostní opatření a pravidelné revize. [1], [2] Str. 13

14 - elektrické regulátory pracovním médiem je elektrický proud nebo napětí. Jsou konstruovány pomocí elektronických obvodů. Výhodou je jejich vysoká rychlost přenosu informace, malé rozměry a hmotnost, energetická nenáročnost, provozní bezpečnost, bezhlučný a čistý provoz, přijatelná cena, široká nabídka různých typů regulátorů atd Spojité regulátory Tyto regulátory pracují se spojitými veličinami a zpracovávají jejich okamžité hodnoty v čase. V této části se budeme věnovat elektrickým regulátorům v nejzákladnější podobě Proporcionální regulátor P Tento regulátor můžeme chápat jako jednoduchý zesilovač se zesílením i menším než 1. Výstupním signálem je signál o stejném průběhu, jako má vstupní signál, vynásobený konstantou (proporcionální zesílení regulátoru), kterou můžeme nastavovat. Princip regulátoru je zřejmý ze schématu zapojení (viz obr.č.6). Obrázek č.6 - Schéma zapojení proporcionálního regulátoru P [7] Závislost u 2 (t) na u 1 (t) určíme aplikací Ohmova zákona a Kirchhoffových zákonů: u u 1 0 i 1, R1 u u 2 0 i 2, i 0 0 R2 R2 2 ( t) u1( t) K pu ( t), kde K p je proporcionální zesílení R u 1 1 Přechodová charakteristika proporcionálního členu je v kapitole na obrázku č Integrační regulátor I Integrační charakter ústředního členu regulátoru zajistíme tak, že na vstup operačního zesilovače připojíme rezistor R 1 a do zpětné vazby operačního zesilovače kondenzátor C 1. Integrační časová konstanta je pak dána součinem R 1. C 1. Schéma zapojení I regulátoru je na obrázku č.7. [2] Str. 14

15 Obrázek č.7 - Schéma zapojení integračního regulátoru I [8] Časová konstanta integračního regulátoru: T 1 = - R 1. C 2 Přechodová charakteristika integračního členu je v kapitole na obrázku č Derivační regulátor D Tento regulátor se samostatně nepoužívá. Používá se jen jako doplňková složka pozitivně ovlivňující dynamiku uzavřeného systému. Zpravidla je využíván v kombinaci P a I regulátorů ve struktuře PID. Derivační složka je realizována připojením kondenzátoru C 1 na vstup operačního zesilovače a připojením rezistoru R 1 do zpětné vazby operačního zesilovače. Derivační časová konstanta T d je dána záporně vzatým součinem C 1. R 1. Regulátor D je na obrázku č.8. Obrázek č.8 - Schéma zapojení derivačního regulátoru D [9] Přechodová charakteristika derivačního členu je v kapitole na obrázku Přechodové charakteristiky spojitých regulátorů Přechodová charakteristika je grafické vyjádření časové reakce dynamického systému vybuzeného z klidu buzením ve tvaru jednotkového skoku. Funkci značíme symbolem h(t). Na obrázku č.9 jsou znázorněny přechodové charakteristiky různých typů regulátorů. [2] Str. 15

16 Obrázek č.10 Dvoupolohový regulátor bez hystereze a jeho statická charakteristika [11], [12] Obrázek č.11 Dvoupolohový regulátor s hysterezí a jeho statická charakteristika [11], [12] Přímý třípolohový regulátor Složitějším typem nespojitého regulátoru je třípolohový regulátor, u kterého akční veličina nabývá tří hodnot nižší, nulové a vyšší úrovně. Princip třípolohového regulátoru je podobný jako princip dvoupolohového regulátoru a může také pracovat bez hystereze i s hysterezí. 4. Akční členy Akční členy jsou všechny prvky, které jsou určeny k využití zpracovávané informace. Jsou to prvky na konci řetězce, nastavují velikost akční veličiny a realizují vstup do regulované soustavy celého stroje. Nejčastějšími členy jsou obecně pohony. Obecné blokové schéma pohonu v regulačním obvodu je na obrázku č. 12. Obrázek č.12 Blokové schéma pohonu z pohledu regulačního obvodu [13] [2] Str. 17

17 Pohon generuje pohyb a ke své činnosti je vybaven dalšími prvky, jako např. zpětnou vazbou, výkonovým zesilovačem, indikátorem polohy atd. Jsou to tedy zařízení, která převádějí signály z ústředních členů regulačního obvodu nebo řídících počítačů na požadovaný zásah a mají pro tuto regulaci také patřičný výkon. 4.1 Základní rozdělení akčních členů - Pneumatické akční členy - Hydraulické akční členy - Elektrické akční členy - Vložené převody - Regulační orgány Pneumatické akční členy Tato problematika je podrobně zpracována ve II. části tohoto sešitu Hydraulické akční členy Nejvýznamnějším představitelem hydraulických akčních členů je lineární hydromotor a jeho šoupátkový ventil. Je konstrukčně jednoduchý, výrobně nenáročný a má nízkou cenu. Je prostorově úsporný a má nejpříznivější poměr hmotnosti k síle. Tato problematika je velmi podobná problematice pneumatických akčních členů Elektrické akční členy Nejdůležitějším představitelem elektrických akčních členů jsou elektromotory. Asynchronní motory Regulace polohy asynchronního motoru je obtížnější. Problémem u těchto motorů jsou tepelné ztráty způsobené magnetizačními proudy statoru. Synchronní motory V poslední době se stále více uplatňují dynamické bezkartáčové synchronní motory s konstantním buzením a používají se motory rotační i lineární Stejnosměrné kartáčové motory DC Princip motoru je na obrázku č.13. Stator dvoupólového motoru je vybaven dvěma permanentními magnety s pólovými nástavci tvarovanými tak, aby se siločáry usměrnily kolmo k obvodu železného rotoru s vinutím. Vinutí je tvořeno soustavou N smyček, z nichž každá je svými konci vyvedena na dvě sousední vzájemně izolované měděné lamely komutátoru (viz obr.č.14). Všechny smyčky jsou tak komutátorem zapojeny sériově a dva kartáče umístěné po 180 je rozdělují do dvou paralelních větví. [1] Str. 18

18 Obrázek č.13 Princip dvojpólového stejnosměrného motoru [14] Obrázek č.14 Propojení cívek dvojpólového stejnosměrného motoru [15] Na obrázku č. 15 je vyobrazena konstrukce stejnosměrného motoru s hladkou kotvou, kde jsou vodiče na rotor nalepeny. Obrázek č.15 Stejnosměrný motor s hladkou kotvou [16] [1] Str. 19

19 Bezkartáčové motory EC Díky problémům s opotřebením sběrného ústrojí a chlazením rotoru byly vyvinuty bezkartáčové motory. Na rotor jsou umístěny magnety a vinutí je ve statoru. Místo sběrného ústrojí pro přívod proudu do vinutí je použito řízení pomocí tranzistorového měniče. Spínání tranzistorů elektronické komutace (EC) je odvozeno od komutačního snímače, což je měřidlo natočení rotoru vůči statoru. Magnetické pole statoru může u tohoto principu zaujmout pouze šest poloh po 60. Magnetické pole rotoru se otáčí plynule s ním. Na obrázku 16 je znázorněno nejčastěji používané šestipólové provedení motoru. Obrázek č.16 Řez šestipólovým bezkartáčovým EC motorem [17] Rotor s permanentními magnety má šest magnetů, tedy tři půlpáry a každá ze tří statorových cívek je rozložena po 120 a stator má 18 drážek Synchronní motory AC U těchto motorů je využit modernější způsob řízení směru magnetického pole statoru. Využívá se napájení všech tří cívek zapojených do hvězdy. Trojfázový usměrňovač a tranzistorový měnič s šesticí tranzistorů a diod zůstávají zachovány mění se jen způsob spínání tranzistorů. V současné době se již výhradně používají synchronní motory, neboť oproti EC motorům mají lepší vlastnosti a rovnoměrnější chod Rotační motory Na obrázku č. 17 je zobrazeno typické provedení synchronního rotačního motoru. Konstrukce motoru je zcela uzavřená a stupeň elektrického krytí je IP65, tedy motor může pracovat pod tlakovou vodní sprchou, kde stříká voda ze všech směrů. Motor nepotřebuje ventilaci ani chlazení a jeho životnost určuje pouze tuková náplň jeho ložisek (cca 40 tisíc hodin). [1] Str. 20

20 Obrázek č.17 Schéma prstencového motoru [18] Lineární motory Lineární motor vznikl principiálně rozvinutím rotačního motoru, jak je patrné z obrázku č.18. Rozvinutím statoru vznikne primární díl motoru s třífázovým vinutím a rozvinutím rotoru sekundární díl motoru s magnety. Motory jsou vybaveny valivým vedením pro zachycení přitažlivé síly bez zvýšení tečné třecí síly. Motory jsou vhodné pro lehké montážní a manipulační aplikace. Obrázek č.18 Vznik lineárního motoru rozvinutím rotačního motoru [19] Str. 21

21 5. Úlohy pro automatizační měření I.část laboratoře SŠ TEGA Blansko Laboratoře pro automatizační měření: Laboratoř č.19 DEGEM - Elektronická měření Laboratoř č.20 Elektropneumatika, robotika a PLC Laboratoř č.21 Elektronická měření Úloha č.1 : Teorie, principy a nabídka současného trhu se senzory 1. Prozkoumejte pomocí internetu, které firmy se zabývají distribucí a výrobou senzorů pro automatizační techniku. 2. Prozkoumejte nabídky senzorů podle teoretické části pracovního sešitu. 3. Zjištěné informace zpracujte do protokolu tak, aby tvořil doplňující informace k teoretické části pojednávající o senzorech. Úloha č.2 : Teorie, principy a nabídka současného trhu s regulátory 1. Prozkoumejte pomocí internetu, které firmy se zabývají distribucí a výrobou regulátorů pro automatizační techniku. 2. Prozkoumejte nabídky regulátorů podle teoretické části pracovního sešitu. 3. Zjištěné informace zpracujte do protokolu tak, aby tvořil doplňující informace k teoretické části pojednávající o regulátorech. Úloha č.3 : Teorie, principy a nabídka současného trhu s akčními členy 1. Prozkoumejte pomocí internetu, které firmy se zabývají distribucí a výrobou akčních členů pro automatizační techniku. 2. Prozkoumejte nabídky akčních členů podle teoretické části pracovního sešitu. 3. Zjištěné informace zpracujte do protokolu tak, aby tvořil doplňující informace k teoretické části pojednávající o akčních členech. Úloha č.4 : Teorie, principy a nabídka současného trhu dalších komponent, které se využívají v automatizační technice 1. Prozkoumejte pomocí internetu, které firmy se zabývají distribucí a výrobou dalších komponent pro automatizační techniku. 2. Prozkoumejte nabídky dalších komponent pro automatizační techniku. 3. Zjištěné informace zpracujte do protokolu tak, aby tvořil doplňující informace k teoretické části pojednávající o automatizační technice. Str. 22

22 Úloha č.5 : Teorie, principy a nabídka současného trhu hydraulických systémů 1. Prozkoumejte pomocí internetu, které firmy se zabývají distribucí a výrobou hydraulických systémů pro automatizační techniku. 2. Prozkoumejte nabídky hydraulických systémů pro automatizační techniku. 3. Zjištěné informace zpracujte do protokolu tak, aby tvořil doplňující informace k teoretické části pojednávající o automatizační technice. Úloha č.6 : Měření na potenciometru Laboratoř č Na přípravku s potenciometrem a rezistory změřte hodnoty potenciometru a rezistory. Jejich hodnoty zapište do tabulky č.1. Proveďte výpočet hodnoty paralelně zapojených rezistorů R2 a R3. Tabulka č.1 Měření rezistorů R 1 *Ω+ R 2 *Ω+ R 3 *Ω+ R 2 R 3 *Ω+ hodnota měření hodnota měření hodnota měření výpočet měření 2. Zapojete obvod s potenciometrem podle schématu zapojení č.1. Schéma zapojení č.1 Obvod pro měření na potenciometru 3. Nastavujte polohu jezdce potenciometru do 10 poloh natočení a u každé polohy měřte nezatížený dělič, připojte rezistor R2 a změřte zatížený dělič, místo R2 připojte R3 a změřte. Nakonec připojte R2 a R3 v paralelní kombinaci a opět změřte hodnoty. Měření opakujte pro další nastavení polohy jezdce potenciometru a hodnoty zapisujte do tabulky č.2. Str. 23

23 Tabulka č.2 Měření na potenciometru α U 1N [V] I [ma] U 1R2 [V] I [ma] U 1R3 [V] I[mA] α poloha jezdce potenciometru R odpor děliče v závislosti na poloze jezdce potenciometru I proud tekoucí potenciometrem U 1N výstupní napětí nezatíženého děliče (naprázdno) U 1R2 výstupní napětí zatíženého děliče U 1R3 výstupní napětí zatíženého děliče 4. Nakreslete do grafu průběhy vstupního napětí nezatíženého děliče a děliče zatíženého různými zátěžemi v závislosti na natočení jezdce potenciometru P1. 5. Nakreslete do grafu průběhy výstupního napětí nezatíženého děliče a děliče zatíženého různými zátěžemi v závislosti na natočení jezdce potenciometru P1. 6. Proveďte výpočet výstupních napětí ze vstupního napětí a nastavených odporů děliče potenciometrem. Měřením ověřte správnost výsledků. Údaje zapište do tabulky č.3. Tabulka č.3 Výpočet napětí na děliči α (R 1 +R M1 ) R M2 [Ω] U 1N [V] U 1R2 [V] U 1R3 [V] [Ω] Měření Měření Měření Výpočet Měření Výpočet Měření Výpočet R M1 - hodnota odporu mezi jezdcem potenciometru a jeho horním vývodem R M2 - hodnota odporu mezi jezdcem potenciometru a jeho spodním vývodem 7. V závěru uveďte celkové zhodnocení měření, zhodnocení závislostí vyplývajících z grafů měření a z pohledu potenciometru použitého jako senzoru. Porovnejte také měření a výpočty v tabulce č.3 Str. 24

24 Str. 25 Řešení: Výpočet napětí na nezatíženém děliči napětí : R R R U U, pak R R R U U Výpočet napětí na zatíženém děliči napětí : Nejdříve vypočítáme hodnotu paralelně zapojených rezistorů R 2 a R Z a označíme ji např. R P : Z 2 Z 2 P R R R R R, pak P 1 P 1 2 R R R U U

25 Úloha č.7 : Měření na fotorezistoru Laboratoř č Na propojovacím poli zapojte obvod pro měření proudu a napětí v obvodu fotorezistoru podle schématu zapojení č.1. Schéma zapojení č.1 - Fotorezistor 2. Napájecí napětí na fotorezistor nepřipojujte. Napěťovým zdrojem nastavujte napětí na žárovce a měřte proud protékající žárovkou, současně měřte ohmmetrem odpor fotorezistoru a naměřené údaje zapisujte do tabulky č.1. Tabulka měření č. 1 měření pro sestrojení grafů R F = f(u) a I = f(u) U [V] I [ma] R F *kω+ 3. Z naměřených údajů nakreslete charakteristiku R F = f(u), tedy závislost odporu rezistoru na osvitu a I = f(u) na žárovce, který charakterizuje osvit fotorezistoru Graf č Připojte konstantní napájecí napětí 5 V na fotorezistor, přes R 1, podle schématu č.2. Napěťovým zdrojem nastavujte napětí na žárovce a měřte proud protékající žárovkou, současně měřte napětí na fotorezistoru a naměřené údaje zapisujte do tabulky č. 2. Tabulka měření č.2 Měření pro sestrojení grafu U RF = f(u) Měřeno pro nastavené počáteční ss napětí U RF = 5V, R1 = 1kΩ U [V] 0 1 1, I [ma] U R [V] Str. 26

26 Schéma zapojení č.2 Fotorezistor s přednastaveným napětím 5. Z naměřených údajů nakreslete závislost napětí fotorezistoru na osvitu při přednastaveném napětí U RF = 5V na fotorezistoru U R = f(u) Graf č V závěru zhodnoťte: - celkové měření z pohledu fotorezistoru použitého jako senzoru - závislosti vyplývající z grafů - jak se mění odpor fotorezistoru v závislosti na jeho osvitu žárovkou bez přivedeného napětí na fotorezistor - jak se mění odpor fotorezistoru v závislosti na jeho osvitu žárovkou s přivedeným napětím na fotorezistor Úloha č.8 : Měření na operačním zesilovači Laboratoř č Na desce EB 121 najděte obvod pro měření na operačním zesilovači. 2. Při vysunuté desce EB 121 z konektoru panelu změřte hodnoty rezistorů R 1, R 2, R 3 a R 4. Hodnoty zapište do tabulky č.1. Tabulka č.1 Změřené hodnoty rezistorů Rezistor Hodnota [kω] Rezistor Hodnota [kω] R 1 R 3 R 2 R 4 3. Obvod zapojte jako stejnosměrný invertující zesilovač se souměrným napájením podle schématu zapojení č.1. Nepřipojujte zatím IN1 s kondenzátorem C1 a stejnosměrné napájení připojte podle měření na vstup R 1 nebo na vstup R 2. V zapojení jsou připraveny rezistory R 1 až R 4, kde R 2 a R 4 jsou zpětnovazební a R 1 a R 3 jsou vstupní. Takto nakreslené schéma zapojení je možné pomocí naznačených propojek na vstupu OZ zapojit ve čtyřech kombinacích. Str. 27

27 Schéma zapojení č.1 Invertující OZ se souměrným napájením 4. Nastavte pomocí zdroje PS1 napětí U 1 na vstupu OZ na hodnotu V a změřte hodnoty výstupních napětí pro všechny možné kombinace vstupních a zpětnovazebních rezistorů. Hodnoty výstupních napětí zapisujte do tabulky č.2. Tabulka č.2 Měření vstupních a výstupních napětí na OZ Kombinace rezistorů Stejnosměrné měření Střídavý režim měření Vstupní rezistor Zpětnovazební rezistor U 1 [V] U 2 [V] Zesílení A U1 A U4 výpočet Zesílení A U1 A U4 výpočet v [db] f d [ ] f h [ ] Šířka pásma B [ ] R 1 R 2 R 3 R 4 R 3 R 2 R 1 R 4 5. Vypočítejte pro všechny kombinace zapojení napěťové zesílení operačního zesilovače. 6. Připojte na vstup OZ generátor sinusového napětí o amplitudě V a frekvenci khz. Zjistěte pro jednu zvolenou kombinaci rezistorů fázový posuv mezi vstupním napětím U 1 a výstupním napětím U 2. Průběhy nakreslete do grafu č.1. Str. 28

28 Graf č.1 Měření fázového posuvu Osciloskop f = CH1 CH2 t U ref [ ] [ /d] [ /d] [ /d] [ ] 7. Určete šířku frekvenčního pásma zesilovače pro všechny kombinace rezistorů. Měření proveďte tak, že připojíte první kombinaci rezistorů (např. R 1 a R 2 ). Nastavte na generátoru sinusový signál o amplitudě V a potom měňte frekvenci od 0 Hz směrem nahoru. Sledujte výstupní napětí a z jeho zesílení pro určité frekvence zjidtěte f d a f h a z těchto hodnot vypočítejte šířky frekvenčních pásem B 1 až B 4. Měření šířky frekvenčního pásma se provádí do útlumu 3 db. Hodnoty zapište do tabulky č.3. Tabulku si vytvořte podle potřeby měřených a počítaných hodnot. 8. V závěru zhodnoťte: - celkové měření na operačním zesilovači - závislostí vyplývajících z grafů - měření z pohledu vstupního a výstupního signálu - zhodnoťte měření z hlediska frekvenční charakteristiky a šířky pásma ve kterém OZ pracuje - jaké je použití OZ v řídících systémech - z pohledu vlastností ideálního OZ Str. 29

29 Řešení: Napěťové zesílení OZ U U 2 A U [ ; V,V] 1 Napěťové zesílení v db U U 2 A U 20 log [db; V,V] 1 Šířka frekvenčního pásma B = f h - f d [Hz; Hz,Hz] Výpočet velikosti výstupního napětí na OZ zapojeném v invertujícím zapojení R U [V;Ω,Ω,V] 2 2 U1 R1 Úloha č. 9 : Měření na proporcionálním členu Laboratoř č Najděte na desce EB-121 proporcionální člen a nakreslete schéma zapojení obvodu podle zapojení na desce. 2. Změřte rezistory a údaje zapište do tabulky č.1, kterou si vytvořte podle potřeby úlohy. 3. Přiveďte na vstup proporcionálního členu postupně obdélníkový, jednotkový impulzový a dále trojúhelníkový signál. Měřte odezvy výstupního signálu a zakreslete výstupní signály do připravených grafů. Před zakreslením výsledných grafů nejprve prozkoumejte výstupní signály pro různé nastavené hodnoty amplitudy a frekvence vstupního signálu. 4. Zjistěte za jakých podmínek dochází ke změnám odezvy výstupního signálu. 5. Změřte a ověřte výpočtem zesílení proporcionálního členu. 6. Návrh grafů pro zakreslení signálů je v grafu č.1, grafu č.2 a grafu č.3. Grafy jsou připraveny pro úlohu č.9, úlohu č.10 a úlohu č.11. Tyto grafy můžete vytisknout a použít pro zakreslování signálů. 7. V závěru zhodnoťte jaké odezvy výstupního signálu jsou při použití proporcionálního členu. 8. Zhodnoťte úlohu na základě teoretických charakteristik v teoretickém úvodu části I., v kapitole č.3. Str. 30

30 Graf č.1 Graf pro zakreslení odezvy výstupního signálu na vstupní obdélníkový signál Poznámky: Str. 31

31 Graf č.2 Graf pro zakreslení odezvy výstupního signálu na vstupní jednotkový skokový signál Poznámky: Str. 32

32 Graf č.3 Graf pro zakreslení odezvy výstupního signálu na vstupní trojúhelníkový signál Poznámky: Str. 33

33 Úloha č. 10 : Měření na regulačním integračním členu Laboratoř č Najděte na desce EB-121 integrační člen a nakreslete schéma zapojení obvodu podle zapojení na desce. 2. Změřte rezistory, zjistěte hodnoty kondenzátorů a údaje zapište do tabulky č.1, kterou si vytvořte podle potřeby úlohy. 3. Přiveďte na vstup integračního členu postupně obdélníkový, jednotkový impulzový a dále trojúhelníkový signál. Měřte odezvy výstupního signálu a zakreslete výstupní signály do připravených grafů. Před zakreslením výsledných grafů nejprve prozkoumejte výstupní signály pro různé nastavené hodnoty amplitudy a frekvence vstupního signálu. 4. Zjistěte za jakých podmínek dochází ke změnám odezvy výstupního signálu. 5. Návrh grafů pro zakreslení signálů je v grafu č.1, grafu č.2 a grafu č.3. Grafy jsou připraveny pro úlohu č.10 v úloze č.9. Tyto grafy můžete vytisknout a použít pro zakreslování signálů. 6. V závěru zhodnoťte jaké odezvy výstupního signálu jsou při použití integračního členu. 7. Zhodnoťte úlohu na základě teoretických charakteristik v teoretickém úvodu části I., v kapitole č.3. Úloha č. 11 : Měření na regulačním derivačním členu Laboratoř č Najděte na desce EB-121 derivační člen a nakreslete schéma zapojení obvodu podle zapojení na desce. 2. Změřte rezistory, zjistěte hodnoty kondenzátorů a údaje zapište do tabulky č.1, kterou si vytvořte podle potřeby úlohy. 3. Přiveďte na vstup derivačního členu postupně obdélníkový, jednotkový impulzový a dále trojúhelníkový signál. Měřte odezvy výstupního signálu a zakreslete výstupní signály do připravených grafů. Před zakreslením výsledných grafů nejprve prozkoumejte výstupní signály pro různé nastavené hodnoty amplitudy a frekvence vstupního signálu. 4. Zjistěte za jakých podmínek dochází ke změnám odezvy výstupního signálu. 5. Návrh grafů pro zakreslení signálů je v grafu č.1, grafu č.2 a grafu č.3. Grafy jsou připraveny pro úlohu č.11 v úloze č.9. Tyto grafy můžete vytisknout a použít pro zakreslování signálů. 6. V závěru zhodnoťte jaké odezvy výstupního signálu jsou při použití derivačního členu. 7. Zhodnoťte úlohu na základě teoretických charakteristik v teoretickém úvodu části I., v kapitole č.3. Str. 34

34 Úloha č.12 : Měření na stejnosměrném motoru a asynchronním generátoru Laboratoř č Na desce EB-109 najděte stejnosměrný motor a střídavý asynchronní generátor. 2. Změřte průměry prěvodových kol motoru a generátoru. 3. Vypočítejte převodový poměr k a údaje zapište do tabulky č Zapojte obvod podle schématu č.1. Mechanickou brzdu nechte v poloze 0. Schéma zapojení č.1 Stejnosměrný motor a asynchronní generátor 5. Nastavujte hodnoty napětí podle uvedené tabulky č.1 a na osciloskopu měřte periodu T a vypočítejte frekvenci generovaného napětí f. Tabulku č.1 si vytvořte podle potřeby měření. 6. Vypočítejte počet otáček generátoru n G a počet otáček motoru n M. 7. Pro kontrolu výpočtů změřte otáčky pomocí otáčkoměru (vybavení laboratoře č.21). 8. Nakreslete graf závislosti otáček motoru n M na napájecím napětí motoru a zjistěte počet otáček na jeden volt. 9. Nakreslete graf průběhu generovaného napětí pro různé frekvence (otáčky). 10. Výsledky měření zhodnoťte v závěru. Úlohu zhodnoťte z hlediska akčních členů. Řešení: Vzorečky pro výpočty: 1 Frekvence: f [Hz;,s], T kde T je perioda signálu. Převodový poměr: M k [ ;m,m], G kde φ M je průměr převodového kola motoru a φ G je průměr převodového kola generátoru. Str. 35

35 f 60 Počet otáček generátoru: n G [ot/min; Hz,, ], p kde f je frekvence a p je počet pólových dvojic synchronního generátoru. Počet otáček motoru: n M k n G Úloha č.13 : Měření na asynchronním motoru Laboratoř č Pečlivě prostudujte návod pro měření na asynchronním motoru v laboratoři č.21 za použití instalovaného pracoviště s řídící jednotkou pro 4-Q servomotor 300-W systém. 2. Proveďte měření podle příslušného návodu k obsluze, který je součástí pracoviště. 3. Vyhodnoťte měření podle úlohy měření v návodu k obsluze. Obrázek č.1 Pracoviště pro 4-Q servomotor 300-W systém Str. 36

36 ČÁST II. 1. Úvod do využití stlačeného vzduchu 1.1 Historie stlačeného vzduchu Využití stlačeného vzduchu není vynálezem dnešních dnů. První záznamy o jeho použití pocházejí z antiky. Kolem roku 140 před naším letopočtem navrhl řek Ktesibios katapult, u kterého se při ručním natahování stlačoval vzduch ve válcích. Také v průběhu minulých století se stále vyskytuji zmínky o využití stlačeného vzduchu v činnosti člověka, ale nikdy nedošlo k jeho trvalému použití. Teprve v 17. století položily práce německého inženýra Otto von Guerického,matematika a filozofa Blaise Pascala a fyzika Denise Papina rozhodující vědecké základy k účinnému použiti stlačeného vzduchu. Vývojem výkonných parních strojů v průběhu 19. století získalo na významu využití stlačeného vzduchu jako energie pro pohon různých strojů a zařízení. Energie parních strojů se uchovávala ve vzdušnících a využívala pro mobilní zařízení. Po skončení 2. světové války byl stlačený vzduch stále vice využíván pro řízení procesů, což vedlo v 60. letech k přímo bouřlivému vývoji všech pneumatických prvků. Až do 80. let byly pneumatické motory řízeny převážně pneumatickými prvky, které pracovaly se stejným tlakem jako pneumatické motory. Průběžně klesající ceny elektronických programovatelných automatů téměř úplně vytlačily z praxe komplexní pneumatické řídicí systémy. [1] 1.2 Oblasti využití stlačeného vzduchu Využití stlačeného vzduchu má své pevné místo v použití pro pohony, řízeni a regulaci. Stlačeny vzduch je stále více používán a je neodmyslitelnou součásti řady manipulátorů a dalších mechanizmů. Obecně se pneumatické pohony používají tam, kde stačí malé až střední síly a je třeba rychlý pohyb s vysokou frekvenci. Lineární pohyby malých pneumatických válců, nebo úchopných hlavic mají malé momenty setrvačnosti a proto umožňují rychlé reakce v rychlosti mechanizmů. Stlačený vzduch má mnohostranné využití. Často se využívá v konstrukci a stavbě přípravků, balících, výrobních strojů a linek ve většině průmyslových odvětví např. textilním, strojírenském, dřevozpracujícím, potravinářském průmyslu atd.[1] 2. Vlastnosti stlačeného vzduchu Dostupnost Stlačený vzduch je ve většině podniků k dispozici. Pojízdné kompresory umožňují jeho využiti mimo provozovny a výrobny. Skladovaní Velké objemy stlačeného vzduchu lze bez problémů skladovat. Jednoduchá konstrukce Pneumatické prvky mají jednoduchou konstrukci a lze z nich sestavit jednoduché řídící obvody pro automatizaci strojů a zařízení. Str. 37

37 Řízeni proudu a tlaku Rychlost pneumatického motoru lze jednoduše nastavit přestavením jehly škrticího ventilu, sílu přestavením regulátoru tlaku vzduchu. Trvanlivost při malých nárocích na údržbu Pneumatické motory a řídící systémy prakticky odolávají prostředí provozu a atmosférickým vlivům. Předpokladem je provoz s čistým stlačeným vzduchem, zbaveným před spotřebičem mechanických nečistot, vlhkosti a oleje. Bez negativních vlivů na životni prostředí Provoz pneumatických pohonů je čistý a při správném ošetření vyfukovaného vzduchu lze splnit příslušné normy pro provoz v čistém prostředí. Bezpečnost Pneumatické pohony se při provozu nezahřívají, a proto je možno je bez obav použít i ve výbušném prostředí. Při přetížení se pneumatické motory zastaví a mohou v tomto stavu setrvat neomezenou dobu, aniž by došlo k jejich poškození. Velké zrychlení Velké zrychlení umožňuje velká rozpínavost stlačeného vzduchu a malá hmotnost pohybujících se častí pneumatických motorů.[1] 2.1 Výhody a nevýhody pneumatických systémů + možnost rozvodu na delší vzdálenosti + nepotřebuje odpadové větve rozvodu + možnost rychlých pohybů + snadná regulace - omezená síla - problematické dosažení pomalých, plynulých pohybů - nepřesné zastavovaní v meziplochách[1] 3. Základní pneumatický obvod Součástí obvodu, využívajícího stlačený vzduch jsou pneumatické válce, kyvné pohony, úchopné hlavice a pneumatické motory, které převádí energii stlačeného vzduchu na energii mechanickou, která je využívána k dopravě materiálu, jeho opracování, zajištění jeho polohy atd. K ovládání a řízení těchto pohonů jsou třeba další pneumatické prvky. Jednotky pro úpravu vzduchu, které stlačený vzduch filtrují a zbavují nečistot, regulují jeho tlak, případně jej přimazávají doporučeným olejem. Ventily řídí směr toku proudu vzduchu, a tím i směr pohybu pneumatických pohonů a škrticími ventily rychlost proudu vzduchu, a tím i rychlost pohybu pneumatických pohonů.[1] Základní obvod se skládá ze dvou hlavních úseků: výroby, úpravy a rozvodu stlačeného vzduchu spotřeby stlačeného vzduchu Str. 38

38 Obr. 2.1 Základní pneumatický obvod 3.1 Výroba, úprava a rozvod stlačeného vzduchu 1-Kompresor Vzduch s atmosférickým tlakem je nasáván kompresorem, stlačován a s vyšším tlakem dopravován do rozvodné sítě. Mechanická energie kompresoru se převádí na potenciální energii stlačeného vzduchu. 2-Elektromotor Je zdrojem mechanické síly kompresoru. Převádí elektrickou energii na energii mechanickou. 3-Tlakový spínač V závislosti na tlaku vzduchu ve vzdušníku ovládá chod elektromotoru. Jsou na něm nastaveny bod sepnutí při dosažení minimálního tlaku a bod vypnutí při dosažení maximálního tlaku vzduchu. 4-Zpětný ventil Umožňuje proudění vzduchu z kompresoru do vzduchojemu a při odstavení kompresoru brání průtoku stlačeného vzduchu v obráceném směru. 5-Vzdušník Slouží jako zásobník stlačeného vzduchu dodávaného kompresorem. Jeho velikost se odvozuje od výkonu kompresoru. Čím je jeho obsah větší, tím delší jsou intervaly mezi provozem kompresoru. 6-Manometr Měří tlak vzduchu ve vzdušníku. 7-Automatické vypouštění kondenzátu Zařízení slouží k automatickému odpouštění kondenzátu, který se vyloučí ochlazením vzduchu ve vzdušníku. Str. 39

39 8-Přetlakový pojistný ventil Jedná se o zajištění bezpečnosti a pojištění funkce tlakového spínače. Při dosažení nastaveného tlaku odpustí vzduch do atmosféry a zabrání tak překročení dovoleného provozního tlaku ve vzdušníku. 9-Vysoušení stlačeného vzduchu vymrazováním Ochlazením stlačeného vzduchu na nízkou teplotu se odloučí vzniklý kondenzát, a tím se dosáhne nízkého rosného bodu. 10-Filtr hlavni větve potrubí Tento filtr odloučí hrubé mechanické nečistoty a olej před vstupem vzduchu do hlavní větve potrubí, rozvádějící vzduch v provozovně.[1] 3.2 Spotřeba stlačeného vzduchu 11-Odbočka z větve dílenského rozvodu stlačeného vzduchu Odbočky ke spotřebičům - strojům jsou na hlavní větev dílenského rozvodu stlačeného vzduchu napojeny tak, aby do nich nemohl stékat kondenzát z hlavní větve rozvodu. Hlavní větev rozvodu stlačeného vzduchu má být uložena se spádem cca 2 %. 12-Odpouštění kondenzátu Každé se spádem vodorovně uložené, nebo svisle vedené potrubí musí mít v nejnižším bodě možnost odpouštění kondenzátu, nejlépe samostatným zařízením, které pracuje automaticky bez obsluhy. 13-Uprava stlačeného vzduchu Zajišťuje pro provoz pneumatických prvků spotřebiče a stroje vzduch s požadovanou čistotou, optimálním provozním tlakem a v případě potřeby i obsahem vhodného oleje. 14-Ventil Řídí směr toku proudu stlačeného vzduchu, a tím i směr pohybu pneumatického pohonu. 15-Pneumatický pohon Pneumatické pohony převádí potenciální energii na energii mechanickou. V obrázku 2 je uveden pneumatický dvojčinný válec. Dále mohou být použity kyvné pohony, úchopné hlavice, pneumatické motory a další typy a provedení pneumatických pohonů. 16-Škrticí ventily se zpětným ventilem Umožňují jednoduchým způsobem plynule měnit rychlost pohybu pneumatických pohonů.[1] 4. Elektropneumatické řízení Elektropneumatické řízení se používá k elektrickému řízení strojů a zařízení s pneumatickými pohony. Elektropneumatická jednotka spojuje např. elektrickou řídicí jednotku s pneumatickou výkonovou jednotkou. Elektrická řídicí jednotka přijímá elektrické signály signálních jednotek (tlačítek, spínačů a snímačů). Signály jsou zpracovány (logicky, časově, výkonově) pomocí logických jednotek, časových relé a stykačů a jsou vedeny na elektromagneticky ovládané 2/2, 3/2, 4/2 nebo Str. 40

40 5/2-cestné ventily, pneumatické válce a motory pohánějící mechanizmy strojů a zařízení. Elektromagnetické ventily jsou ovládány buďto elektromagnetem a zpětnou pružinou nebo v obou směrech elektromagneticky. K přeměně pneumatických signálů na elektrické signály slouží pneumaticko-elektrické (PE) měniče nebo tlakové spínače. PE měnič obsahuje elektrický přepínač, jehož pohyblivý kontakt je jedním směrem ovládán přes píst stlačeným vzduchem a druhým směrem vratnou pružinou. Větší plochou membrány je možné získat větší přepínací sílu. Je-li možné u PE měniče nastavit přepínací tlak, nazývá se tlakový spínač.[3] 5. Schéma pneumatického obvodu Pro znázornění a popis funkce pneumatických obvodů lze použít: slovní popis náčrtek technologického uspořádání zařízení zkrácený zápis krokový diagram schéma pneumatického obvodu Při kreslení schémat je třeba dodržet následující zásady: schémata pneumatických obvodů lze kreslit bez ohledu na prostorovém uspořádání prvků v reálu pneumatické válce a ventily pro jejich ovládání kreslit vždy ve vodorovné poloze vedení vzduchu vést pokud možno přímo a bez křížení prvky na výkresu řadit zdola nahoru ve směru toku řídících signálů a toku energie prvky řadit zleva doprava podle časového sledu průběhu jejich funkci Všechny prvky ve schématu se kreslí v poloze, která odpovídá stroji v klidu, připravenému ke spuštění. Přitom se předpokládá, že pneumatické obvody jsou kresleny s tlakem vzduchu a elektrické obvody jsou kresleny bez proudu.* Schématické značky jednotek pro úpravu vzduchu 5.2 Schématické značky ventilů Základní značkou ventilu pro řízení směru proudu vzduchu je čtverec. Počet poloh ventilu se naznačuje odpovídajícím počtem spojených čtverců. Šipky uvnitř čtverců naznačují směr proudění média. Značka T ve čtverci znamená uzavření příslušného kanálu. Přívod vzduchu do ventilu a výstup vzduchu z ventilu se kreslí k tomu čtverci, který odpovídá poloze ventilu v klidovém stavu. Přívod vzduchu do ventilu a výfuk vzduchu z ventilu je vždy na spodní straně čtverce, výstup vzduchu z ventilu je vždy na horní straně čtverce. [1] Str. 41

41 5.2.1 Vybrané schématické značky elektromagnetických ventilů Str. 42

42 5.2.2 Vybrané schématické značky mechanicky ovládaných ventilů Str. 43

43 5.2.3 Vybrané schématické značky škrtících, zpětných a logických ventilů Str. 44

44 5.3 Vybrané schématické značky lineárních pneumatických pohonů Str. 45

45 5.4 Vybrané schématické značky spojovacích hadic a potrubí Pokud je to možné, mají se čáry znázorňující potrubí nebo hadice, kreslit přímo a bez křížení. vedení pracovního stlačeného vzduchu vedení ovládacího stlačeného vzduchu vedení odvzdušnění 6. Základní zapojení pneumatických systémů Zapojením několika ventilů se vytvoří bloky, které zajišťují základní funkce řídícího obvodu. S použitím několika bloků ventilů je možno sestavit plně funkční schéma pneumatického obvodu pro řízení stroje, technologických zařízení a třeba i celých výrobních linek. Se základními zapojeními se realizuje: ovládání pohybu pístů (pístnic) pneumatických válců ovládání jiných ventilů k zajištění: dálkového ovládání z rozvaděče stroje změny výstupního signálu ventilu blokování mechanizmů pro zajištění bezpečnosti práce atd.*1+ Str. 46

46 7. Praktické úlohy pro měření na pneumatických systémech Úloha č.1 : Přímé ovládání jednočinného pneumatického válce Zadání úlohy: Po stisknutí tlačítka v klidové poloze uzavřeného 3/2 ventilu, spojeného s jednočinným pneumatickým válcem dojde k vysunutí pístnice, po uvolnění tlačítka se pneumatický válec odvzdušní a pružina zasune pístnici do výchozí polohy. Toto zapojení se používá pro ovládání velkých pneumatických válců, které potřebují k dosažení požadované rychlosti naplnit velkým objemem vzduchu.[1] Řešení úlohy: Str. 47

47 Úloha č.2 : Ovládání jednočinného pneumatického válce ze dvou míst a s optickou indikací stavu Zadání úlohy: Při realizaci určitých operací je třeba, aby zařízení splňovalo dvě, nebo více podmínek. Varianta A: Typickým příkladem je lis využívající síly stlačeného vzduchu, který smí být uveden do chodu pouze tehdy, když stisknuto tlačítko 3/2 ventilu. Je-li například bezpečnostní kryt uzavřen, je zarážkou krytu přestaven 3/2 ventil (2). Kanál přívodu vzduchu tohoto ventilu je spojen s výstupním kanálem tlačítkového ovládacího ventilu 3/2 (1). Jsou-li současně oba 3/2 ventily přestaveny, může stlačený vzduch proudit ventily do pneumatického válce a vysunout jeho pístnici. Funkce logického součinu konjunkce, nazývaná též AND je realizovaná sériovým zapojením dvou 3/2 ventilů. Varianta B: Mají-li signály výše uvedených ventilů plnit ještě jiné funkce aktivace optických ukazatelů (řešení b), může se funkce logického součinu realizovat vzduchem ovládaným, v klidové poloze uzavřeným (N.C.) 3/2 ventilem (3). Kanál přívodu vzduchu tohoto ventiluje spojen s výstupním kanálem tlačítkem ovládaného 3/2 ventilu (1) a přívod vzduchu pro ovládání ventilu je spojen s výstupním kanálem kladkou ovládaného 3/2 ventilu (2).[1] Řešení úlohy: Str. 48

48 Úloha č.3 : Přímé ovládání dvojčinného pneumatického válce Zadání úlohy: Ovládání jednočinného a dvojčinného pneumatického válce se liší v použitých ventilech. Pro jednočinný pneumatický válec se použije 3/2 ventil, pro dvojčinný pneumatický válec 4/2 nebo 5/2, případně 5/3 ventil. V tomto zapojení prochází stlačený vzduch vstupním kanálem (1) do ventilu a výstupním kanálem (2) do dvojčinného pneumatického válce a drží pístnici v zasunuté poloze. Stisknutím tlačítka se 5/2 ventil přestaví a pístnice pneumatického válce se vysune. Uvolněním tlačítka přestaví pružina 5/2 ventil do výchozí polohy a pístnice pneumatického válce se zasune. Rychlost pohybu pístnice se reguluje škrtícími ventily s vestavěnými zpětnými ventily.[1] Řešení úlohy: Str. 49

49 Úloha č.4 : Přímé ovládání dvojčinného pneumatického válce se setrváním v koncové poloze Zadání úlohy: Často je třeba, aby pístnice dvojčinného pneumatického válce zůstala v koncové poloze i po zrušení řídícího signálu. K zajištění tohoto požadavku se využívá funkce paměti tj. bistabilního ventilu, jehož poloha po přestavení odpovídá poslednímu vstupnímu signálu. K vysunutí pístnice dvojčinného pneumatického válce dojde po stisknutí tlačítka 3/2 ventilu (1), který přestaví vzduchem ovládaný 5/2 bistabilní ventil (3). Po uvolnění tlačítka 3/2 ventilu zůstane 5/2 ventil přestaven a pístnice dvojčinného pneumatického válce vysunuta. Stisknutím tlačítka 3/2 ventilu (1) se přestaví vzduchem ovládaný 5/2 (3) ventil do původní polohy a pístnice dvojčinného pneumatického válce se zasune. Při současném stisknutí tlačítek 3/2 (2) ventilů a zůstane ventil 5/2(3) v poloze, v jaké se v daném okamžiku nachází.[1] Řešení úlohy: Str. 50

50 Úloha č.5 : Opakované vysunutí a zasunutí pístnice válce Zadání úlohy: Opakovaného vysouvaní a zasouvaní pístnice pneumatického válce přímočarého pohybu vratného se dosáhne použitím dvou v klidové poloze uzavřených (N.C.) 3/2 ventilů, označených v řešení čísly (2) a (4), ovládaných narážkami pístnice v koncových polohách zdvihu. K zastaveni pohybu pístnice v koncové poloze se použije ručně ovládaný v klidové poloze uzavřeny (N.C.) 3/2 ventil s aretaci polohy (1). Tento ventil je zapojen v sérii logicky součin -funkce AND (4) s ventilem a po přestavení uzavře přívod stlačeného vzduchu do ventilu (4), a tím zabrání přestavení vzduchem ovládaného bistabilního 5/2 ventilu (3). Pohyb pístnice se zastaví v koncové poloze po jejím zasunutí. Pozn.Zapojí-li se ventil (2) do série s ventilem (1), zastaví se pohyb pístnice v koncové poloze po jejím vysunutí.[1] Řešení úlohy: Str. 51

51 Úloha č.6 : Inverze signálu - aplikace negace funkce NE Zadání úlohy: Mechanické blokování, zastavení polotovarů na dopravníkovém pasu nebo podobné aplikace vyžadují, aby daný mechanizmus zůstal v požadovaně poloze. K realizaci tohoto požadavku lze použít vzduchem ovládaný v klidové poloze otevřený (N.O.) 3/2 ventil (2). Stisknutím tlačítka 3/2 ventilu (1)se přestaví vzduchem ovládaný 3/2 ventil (2), jednočinný pneumatický válec se odvzdušní a pružina zasune pístnici do výchozí polohy. Tím se uvolní mechanizmus ovládaný pístnicí pneumatického válce, např. mechanická závora. Výstupní signál 3/2 ventilu (1)lze využít také k iniciaci jiných funkcí, jak je naznačeno optickým ukazatelem (3). Inverze signálu - funkce negace - NE (NOT, NICHT)je realizovaná ventily (1) a (3).[1] Řešení úlohy: Str. 52

52 Úloha č.7 : Ovládání jednočinného pneumatického válce pomocí monostabilního elektromagnetického ventilu Zadání úlohy: Po stisknutí elektrického tlačítka, musí obdržet jednočinný pneumatický válec příkaz. Jakmile dojde ke stisknutí a držení tlačítka jednočinný pneumatický válec se musí dát do pohybu a po jeho uvolnění, dojde k navrácení do jeho výchozí polohy. Pro pohyb válce dovnitř a ven použijeme monostabilní elektrický ventil 3/2. Řešení úlohy: Str. 53

53 Úloha č.8 : Ovládání dvojčinného pneumatického válce pomocí monostabilního elektromagnetického ventilu Zadání úlohy: Po stisknutí elektrického tlačítka, musí obdržet dvojčinný pneumatický válec příkaz. Jakmile dojde ke stisknutí a držení tlačítka dvojčinný pneumatický válec se musí dát do pohybu a po jeho uvolnění dojde k navrácení do jeho výchozí polohy. Pro pohyb válce dovnitř a ven použijeme monostabilní elektrický ventil 5/2. Řešení úlohy: Str. 54

54 Úloha č.9 : Ovládání jednočinného pneumatického válce pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu Zadání úlohy: Jednočinný pneumatický válec se bude pohybovat pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu 3/2. Aktivace dvou elektrických tlačítek bude poskytovat signály pro aktivaci bistabilního elektromagnetického ventilu v obou směrech, aby bylo možné pohybovat pneumatickým válcem. Pneumatický válec se bude pohybovat, když bude stisknuto první tlačítko M1, a vrátí se do původní polohy po stisknutí druhého tlačítka M2. Pneumatický válec zůstane v poslední pozici, i když nebude stisknuto žádné tlačítko, popřípadě budou stisknuty obě tlačítka. Řešení úlohy: Str. 55

55 Úloha č.10 : Ovládání dvojčinného pneumatického válce pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu Zadání úlohy: Dvojčinný pneumatický válec se bude pohybovat pomocí bistabilního elektromagnetického ventilu 5/2. Aktivace dvou elektrických tlačítek bude poskytovat signály pro aktivaci bistabilního elektromagnetického ventilu v obou směrech, aby bylo možné pohybovat pneumatickým válcem. Pneumatický válec se bude pohybovat, když bude stisknuto první tlačítko M1 a vrátí se do počáteční polohy po stisknutí druhého tlačítka M2. Pneumatický válec zůstane v poslední pozici, i když nebude stisknuto žádné tlačítko popřípadě budou stisknuty obě tlačítka. Řešení úlohy: Str. 56

56 8. Použité zdroje : [1] Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217; 241 s.). ISBN [2] Obrázek: Blokové schema automatického regulačního obvodu, sv.1,s.17; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217; 241 s.). ISBN [3] Obrázek: Inkrementální senzor s rastrovacím kotoučkem, sv.1,s.69; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [4] Obrázek: Jednocestná světelná závora, sv.1,s.71; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [5] Obrázek: Princip reflexní světelné závory, sv.1,s.71; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [6] Obrázek: Princip difuzního senzoru, sv.1,s.71; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [7] Obrázek: Regulátor P realizovaný elektrickým obvodem, sv.2,s.128; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [8] Obrázek: Regulátor I realizovaný elektrickým obvodem, sv.2,s.129; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [9] Obrázek: Zapojení operačního zesilovače pro realizaci D složky regulátoru, sv.2,s.130; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [10] Obrázek: Přechodové charakteristiky jednotlivých složek a různých variant PID regulátoru, sv.2,s.92; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [11] Obrázek: Dvoupolohový regulátor a) bez hystereze, b) s hysterezí, sv.2,s.134; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN [12] Obrázek: Statická charakteristika regulátoru a) bez hystereze, b) s hysterezí, sv.2,s.134; Automatizace a automatizační technika: systémové pojetí automatizace. 1. vyd. Brno: Computer Press, , 2 sv. (217;241 s.). ISBN Str. 57