MĚŘICÍ A ŘÍDICÍ TECHNIKA pro posluchače 2. a 3. roč. bak. studia FCHI (N444004)

Transkript

1 MĚŘICÍ A ŘÍDICÍ TECHNIKA pro posluchače 2. a 3. roč. bak. studia FCHI (N444004) Výuku zajišťují: ÚSTAV FYZIKY A MĚŘICÍ TECHNIKY ÚSTAV POČÍTAČOVÉ A ŘÍDICÍ TECHNIKY Přednášk: úterý 14:00-15:50 BII Doc. Ing. Karel Kadlec, CSc. budova B, m.č. 225, kadleck@vscht.cz Doc. Ing. Miloš Kmínek, CSc. budova A, m.č. 322, kminekm@vscht.cz Ing. Ladislav Fišer, Ph.D. budova B, m.č. 216, fiserl@vscht.cz Ing. Iva Nachtigalová, Ph.D. budova A, m.č. 330c, Iva.Nachtigalova@vscht.cz Pracovní text k přednáškám na internetu: 1 Laboratoř měřicí a řídicí technik pro 2. a 3. roč. bakalářského studia FCHI (N444020) Umístění: budova A, průchod mezi 1. a 2. dvorem, m.č. S 09 (pod posluchárnou A I) Informace: vývěska před m.č. B 218 Turnus a pracovní skupin: I. turnus: středa 8:00 10:50 (přednostně ININ), II. turnus: 11:00 13:50 pracovní skupin dvoučlenné zápis a rozpis do turnusů a skupin v laboratoři MŘT: úterý :15-13:55 a 15:45-16:00 zahájení laboratoří: ve středu týdnů po 3 hodinách Práce v laboratořích: 1. zpracování dat tabulkovým procesorem EXCEL měření technologických veličin modelování a simulace (PSI) 9. regulační obvod Vedoucí laboratoří: Ing. Jiří Macháč, CSc. budova B, m.č. 306, machacj@vscht.cz 2 Účel předmětu posktnout základní znalosti z oboru automatického řízení technologických procesů připravit inženýra - technologa pro účelnou spolupráci s odborníkem pro měření a regulaci Úkol měření a řízení: získání informací o procesu přenos a zpracování informací řízení procesu cílevědomé působení na řízený objekt 4 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.1 K. Kadlec,

2 Úkol provozního měření: získání informací pro řízení procesu kontrola kvalit surovin, produktů či meziproduktů provozní bilanční měření informace pro zajištění spolehlivé funkce zařízení a bezpečnosti provozu shromažďování informací pro analýzu procesu (např. analýza příčin havárie) 5 Úkol řízení: automatické najíždění a odstavování procesu stabilizace parametrů procesu optimalizace procesu zabezpečení při havarijních stavech umožnění zásahu operátora návaznost na všší úroveň řízení 6 Technické prostředk Pro získání a přenos informací o procesu: analogové měřicí přístroje číslicové měřicí přístroje inteligentní měřicí převodník počítačem podporovaný měřicí sstém Pro řízení procesu: klasické regulátor logické obvod a programovatelné logické automat řídicí počítače 7 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.2 K. Kadlec,

3 Probíraná témata: skladba regulačního obvodu měření technologických veličin popis vlastností řízených sstémů (modelování a simulace) samočinná regulace logické řízení řízení počítačem informační a řídicí počítačové sstém 8 Základní pojm z měření a regulace Regulační obvod regulovaná soustava regulátor Regulovaná soustava zařízení, ve kterém probíhá technologický proces zařízení, na kterém se provádí regulace Regulátor zařízení, které uskutečňuje regulaci 9 Blokové schéma regulačního obvodu regulovaná soustava regulátor _ 10 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.3 K. Kadlec,

4 Zásad kreslení blokových schémat u u - veličina vstupní -veličina výstupní nositelem informace je signál signál se šíří jednosměrně -směr šíření označuje šipka 11 Signál je nositelem informace reprezentuje nehmotnou zprávu šířící se obvodem je představován určitou fzikální veličinou, jejíž hodnota je informačním parametrem signálu při průchodu obvodem signál může měnit svou fzikální podstatu; přenášená informace však zůstává zachována 12 Pravidla pro rozvětvení a součet signálů Rozvětvení signálu Součet a rozdíl signálu x x x x 1 x 1 x 2 x 2 = x 1 + x 2 = x 1 - x FCHI09-Uv_ozn.doc.4 K. Kadlec,

5 Základní pojm veličina regulovaná (regulovaná proměnná) je výstupní veličinou soustav její okamžitou hodnotu v měřicím místě zjišťuje čidlo regulátoru veličina řídicí w (referenční proměnná) její hodnota určuje požadovanou hodnotu veličin regulované veličina poruchová - z každá veličina, jejíž změna způsobí změnu regulované veličin může působit na kterýkoli člen regulačního obvodu nejčastěji na regulovanou soustavu 14 regulační odchlka - e rozdíl mezi požadovanou a okamžitou hodnotou regulované veličin (e = w - ) vzniká v porovnávacím členu je vstupní veličinou do ústředního členu regulátoru veličina akční v (akční proměnná) je výstupní veličinou regulátoru jejím působením na regulovanou soustavu se uskutečňuje regulace 15 Blokové schéma regulačního obvodu v z 1 z 2 regulovaná soustava akční člen ústřední člen regulátoru e měřicí člen w Cíl regulace odstranit (minimalizovat) regulační odchlku 16 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.5 K. Kadlec,

6 Řízení je působení řídicího členu na řízený člen společný název pro ovládání a regulaci Ovládání řízení s otevřenou smčkou řízení bez zpětné kontrol měřením Regulace udržování hodnot regulované veličin podle daných podmínek a podle měřených hodnot regulované veličin regulační obvod se zápornou zpětnou vazbou 17 Značk měřicích a řídicích obvodů pro technologická schémata přístroj (čidlo, snímač, převodník) tenká čára určuje připojení přístroje k technologickému zařízení elipsa se užívá pro rozsáhlejší písmenový kód přístroj umístěný na panelu TRC 053 do horní polovin značk se píše písmenný kód do dolní polovin identifikační číslo 18 Písmenný kód druh sledované veličin smbol pro název veličin: např. T (teplota), P (tlak), F (průtok), L (hladina), Q (složení, koncentrace), K (čas)... přídavná písmena d (rozdíl) nebo f (poměr) způsob zpracování informace ukazování - I H TRC LITA zapisování - R regulace - C vsílání - T integrace, sumace - Q signalizace - A rozlišení signalizace (vznačuje se vedle značk)» maximum - H» minimum - L 19 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.6 K. Kadlec,

7 Tabulka písmenného kódu podle ČSN ISO Písmeno Měřená nebo řízená veličina Příd.písmeno Zobrazovací nebo výstupní funkce A Signalizace B Indikace stavu (chod motoru) C Regulace D Hustota Rozdíl E Elektrické veličin * Čidlo, snímač F Průtok Poměr G Měření, poloha, délka H Ruční ovládání I Ukazování J Snímání K Čas, časový program L Hladina M Vlhkost Poznámk: Přídavná písmena se píší malá * Je nutno doplnit vsvětlení jaká veličina se měří. 20 Tabulka písmenného kódu - pokračování Písmeno Měřená nebo řízená veličina Příd.písmeno Zobrazovací nebo výstupní funkce N Volitelná uživatelem * Volitelná uživatelem O Volitelná uživatelem * P Tlak Zkušební přípojka Q Kvalita, analýza Sečítání Integrování, sumace R Radioaktivní záření Zapisování S Rchlost, frekvence Spínání T Teplota Vsílání U Několik veličin Vícefunkční jednotka V Viskozita Ventil, akční člen, korekční člen W Tíhová síla, síla X Ostatní veličin * Jiné funkce (např. zobrazení) Y Volitelná uživatelem * Matematický člen, relé Z Nouzová, zabezpečovací funkce Poznámk: Přídavná písmena se píší malá * Je nutno doplnit vsvětlení jaká veličina se měří Písmena v písmenném kódu se píší v pořadí: I R C T Q S Z A 21 Značk... - pokračování Značka: podle ČSN ISO 3511 regulační orgán všeobecná značka ventil automatický pohon regulačního orgánu H ruční ovládací prvek akční člen regulační orgán s pohonem 22 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.7 K. Kadlec,

8 Značk... - pokračování Chování akčního členu při výpadku pomocné energie: a b c a - akční člen zavírá b - zůstává v dosažené poloze c - otvírá Signální vedení - přiřazení akčního členu k přístroji: přeškrtávanou tenkou čárou: alternativně i tenkou plnou čárou: šipkou je možno vznačit směr toku informace: 23 Příklad: Zápis a regulace průtoku v potrubí FRC Příklad použití značek v technologickém schématu Zařízení: Nádrž opatřená dvěma přítok (Q 1 a Q 2 ) a jedním odtokem (Q 3 ) Požadavk na měření a řízení: regulace hladin v nádrži a signalizace maxima ukazování a zápis teplot prvního přítoku registrace a integrace průtoku v druhém přítoku ukazování a regulace ph v nádrži přítok Q 2 QIC FRQ 053 TIR 052 přítok Q 1 H LCA ph odtok Q FCHI09-Uv_ozn.doc.8 K. Kadlec,

9 Souvislost mezi schématem technologickým a blokovým: přítok Q 2 přítok Q 1 hladina h LC 05 hladina žádaná h ž Q 1 Q 2 Q 3 akční člen (ventil) soustava (nádrž) h snímač h odtok Q 3 Je třeba rozlišovat: směr toku signálu směr toku hmot regulátor h ž - h h ž 26 Příprava slaného nálevu ve směšovací nádrži konc. roztok c 1, Q 1 M voda Q 2 Do nádrže se přivádí: koncentrovaný roztok soli ředicí voda Výsledný produkt: nálev o žádané koncentraci c - koncentrace [kg.m -3 ] Q -průtok [m 3.s -1 ] nálev c 3, Q 3 Q 2 c 1 soustava (nádrž) c 3 QC 01 c ž žádaná koncentrace Q 1 regulátor c ž - c 3 c ž 27 Ohřev vod ve výměníku Zadání: ve výměníku se topí parou (průtok Q p ) studená voda má teplotu T v a průtok Qv teplá voda má teplotu T t úkol: udržovat žádanou teplotu T ž udržovat konstantní průtok Q ž T - teplota [K] Q -průtok [m 3.s -1 ] topná pára Q p dva regulační obvod dvě bloková schémata TC 01 žádaná teplota T ž teplá voda T t studená voda Q v, T v FC 02 žádaný průtok Q ž kondenzát 28 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.9 K. Kadlec,

10 Základní značk pro funkce řídicích počítačů ČSN ISO základní značka pro funkce zajišťované řídicím počítačem do značk se píše písmenný kód vjadřující měřenou veličinu a funkci přístroje do dolní polovin je možno vepsat identifikační číslo vodorovnou čarou se vznačují stčné prostředk operátora v dozorně dotýkajícími se značkami se znázorňuje funkční vazba řízení teplot počítačem, ukazování v dozorně šestiúhelník, vzdálenost rovnoběžných stran asi 10 mm TRA 053 TC 053 TI 054 H 29 Měření a řízení s podporou počítače regulace a zapisování koncentrace počítačem, ukazování v dozorně ovládání regulačního ventilu a zobrazování poloh počítačem zapisování průtoku a proteklého množství koncentrátu počítačem ovládání motoru míchadla a měření frekvence otáčení počítačem koncentrát O 06 SI 07 M voda FRQ 05 O 03 GB 04 nálev Vsvětlivka: O ovládání akčního členu QRC 01 QI 02 Vodivost 30 Shrnutí: Skladba a veličin regulačního obvodu z 1 z 2 soustava v regulátor e w Chování regulačního obvodu (regulační pochod) závisí na vlastnostech jednotlivých bloků regulační pochod představuje dnamické chování celého obvodu 31 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.10 K. Kadlec,

11 Analýza regulačního obvodu Popis vlastností jednotlivých bloků statické vlastnosti dnamické vlastnosti Ustálený stav a přechodový děj Ustálený stav vstupní a výstupní veličin jsou ustálené (časově neproměnné) Přechodový děj změna vstupní veličin vvolá změnu výstupní veličin výstupní veličina se mění s časem 32 Měřicí člen jako součást regulačního obvodu u z regulovaná soustava s s = x akční člen měřicí člen v ústřední člen regulátoru e = w - porovnávací člen w 33 Skladba měřicího řetězce x snímač převodník vhodnocovací zařízení x - měřená veličina - výstupní údaj snímač (senzor) vstupní blok měřicího řetězce je v přímém stku s měřeným objektem primární zdroj informace, snímá sledovanou veličinu a transformuje na měřicí veličinu (nejčastěji na elektrickou) pojm: snímač, senzor, čidlo převodník transformuje měřicí veličinu obvkle na unifikovaný signál vhodnocovací zařízení koncový blok řetězce, výstupem je indikace, zápis, signál pro vstup regulátoru 34 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.11 K. Kadlec,

12 Vliv ovlivňujících veličin na měřicí zařízení z i z i z i x snímač převodník vhodnocovací zařízení x - měřená veličina - výstupní údaj z i -ovlivňující (poruchové) veličin Ovlivňující veličin ovlivňují výstupní signál nejsou předmětem měření jejich vliv je nutno minimalizovat vliv na výstupní údaj se vjadřuje pro každou ovlivňující veličinu zvlášť 35 Druh signálů podle průběhu informačního parametru anlogové: IP min. IP IP max. diskrétní: IP 1 < IP 2 <.. < IP <.. < IP n podle časového průběhu kontinuální: IP je snímán nepřetržitě diskontinuální: IP je snímán v určitých časových intervalech digitální (číslicový) signál druh diskrétního a diskontinuálního signálu 36 Měřicí přístroje analogové každé hodnotě měřené veličin je přiřazena určitá hodnota jiné fzikální veličin s analogickým průběhem závislosti signálu číslicové posktují diskrétní výstupní signál udávají měřenou veličinu číselně násobkem základního kvanta signálu 37 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.12 K. Kadlec,

13 Blokové schéma číslicového měřicího přístroje x senzor měřicí obvod, zesilovač A/D převodník zpracování číslicového signálu displej D x - měřená veličina D - digitální signál měřicí obvod, zesilovač úprava signálu pro jeho další zpracování A/D převodník převod analogového signálu na signál číslicový displej koncový blok řetězce, výstupem je číslicový údaj přístroje 38 Měřicí přístroj řízený mikroprocesorem mikroprocesor paměť ROM paměť RAM baterie A/D převodník displej D/A převodník rozhraní zesilovač senzor měřená veličina klávesnice zásah operátora unifikovaný analogový signál například pro zapisovač komunikace např. s PC například RS232, USB 39 Přednosti přístrojů řízených mikroprocesorem konfigurace vlastností přístroje podle požadavků uživatele možnost připojení několika druhů senzorů možnost úprav statické charakteristik (posun nulového bodu, změna směrnice) potlačení rušivého vlivu ovlivňujících veličin signalizace mezních stavů možnost konfigurace analogového výstupního signálu možnost komunikace přístroje s počítačem blokování proti nežádoucím zásahům 40 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.13 K. Kadlec,

14 Virtuální měřicí přístroj programové vbavení x snímač úprava signálu měřicí karta PC analýza a zpracování dat přenos dat zobrazení dat zpět do měřené soustav do nadřazeného sstému 41 Virtuální instrumentace měřicí sstém vzniká podle požadavků uživatele pro realizaci měřicího sstému je zapotřebí HW-podporu (snímače měřených veličin, vhodné stkové měřicí kart do počítače, případně akční člen) vužívá se vhodného softwaru (např. vývojové prostředí, které je založeno na grafickém programování) konečnou formou je pak panel měřicího sstému na monitoru počítače a příslušný vývojový diagram 42 Ukázka grafického programování v Lab VIEW Příklad panelu a blokového schématu měření teplot, analogový údaj a signalizace překročení meze ikona/konektor přední panel blokové schéma 43 1-FCHI09-Uv_ozn.doc.14 K. Kadlec,