VŠB-Technická Univerzita Ostrava SN2AUT01 Prostředky automatického řízení Návrh měřícího a řídicího řetězce Vypracoval: Pavel Matoška
Zadání : Navrhněte měřicí řetězec pro vzdálené měření průtoku vzduchu v rámci úlohy samostatného projektu. Schéma měřícího řetězce : Pro měření průtoku vzduchu s přenosem na velkou vzdálenost byla vybrána dvě řešení. Jedno počítá s výstupem odečítaným na voltmetru a druhé počítá s vyhodnocování výsledku pomocí výpočetní techniky. Jako snímač průtoku vzduchu je použit snímač série FMA-900 od firmy Omega. Konkrétně snímač FMA-903-I, který má na výstupu unifikovaný signál 4-20mA. Tento snímač byl zvolen proto, že při přenosu na dlouhé vzdálenosti má přenášení hodnoty proudovým signálem menší ztráty a tím i menší nepřesnost než u signálu neseného napětím. Tento signál je na konci přenosové trasy převeden na signál napěťový, aby byl možný měřit voltmetrem. K převodu signálu je použit univerzální programovatelný převodník SINEX V604 od firmy GMC. Zvolený převodník má mírně vyšší pořizovací náklady, ale zato je jej možno naprogramovat, aby převáděl hodnoty v poměru např. 1m/s = 1V. Pro druhou variantu je použit A/D převodník, který převádí spojitý proudový signál na digitální a posílá jej po sběrnici RS- 485 ke zpracování. Sběrnice RS-485 byla volena díky svým dobrým vlastnostem pro dálkový přenos (až 1600m). Její nevýhodou však je, že pro zpracování na běžném PC (nebo zařízení), musí být toto PC (zařízení) vybaveno kartou s tímto rozhraním, nebo převedeno na rozhraní RS-232 jak je vidět na druhém schématu. Měřící řetězec s analogovým přenosem Měřící řetězec s digitálním přenosem
Schéma měřícího a řídicího řetězce : Řídicí řetězce vycházejí z měřicích řetězců, tudíž jsou také dvě řešení. Pro řízení byl zvolen kompaktní PID regulátor UT450 firmy Yokogawa. Tento regulátor byl zvolen z důvodu vstupů. Umožňuje pracovat jak se proudovým vstupem 4-20mA, tak s digitálním vstupem na sběrnici RS-485. Rovněž umožňuje přizpůsobit regulátor dané soustavě. Výstupem z regulátoru je napětí o velikosti 0-24V s proudovou zatížitelností 50mA, což by mělo pro napájení ventilátoru stačit (pokud ne, je třeba umístit před ventilátor výkonový zesilovač). Jako akční člen byl vybrán ventilátor používaný v PC. Tento ventilátor má dostatečně velký výkon a malou spotřebu el. energie. Měřící a řídicí řetězec s analogovým přenosem Měřící a řídicí řetězec s digitálním přenosem
Použitá zařízení a jejich charakteristiky : Pro analogový přenos: Převodník průtoku vzduchu FMA-903-I - rozměry: 89 x 51 x 31,8 mm, sonda D = 6,35 mm, délka 330 mm - rozsah: 0,051-5,08 m/s - výstup: 4-20mA - přesnost: 1,5 % plného rozsahu při pokojové teplotě. Při teplotách od 0 C do 50 C přičtěte 0,5% údaje. U hodnot pod 0,58 m/s přičtěte 1% plného rozsahu. - opakovatelnost: 0,2% plného rozsahu - čas odezvy: 400 milisekund do 63% konečné hodnoty - napájení: 15-18V při 300mA (15-24V při 300mA pro rozsahy 0 až 0.058 m/s a 0 až 0.116 m/s). Převodník FMA-903-I Univerzální programovatelný převodník SINEAX V 604 - naprogramovaný jako I/U převodník (s diferencí že 1m/s průtoku = 1V po převodu) - napájení: 24 V DC±10% a 230 V AC±10% - přesnost: ±0,2% - ±0,5% - vstup: 4-20mA při napětí < 40V - výstup: 0-10V Programovatelný převodník NINEX V604
Digitální multimetr METEX M3800 - jednoduchý multimetr pro slaboproudé aplikace - nastavený rozsah pro měření: 20V - přesnost: ±0,5% z rozsahu - rychlost měření 2měření/s - napájení: baterie 9V Digitální multimetr METEX M3800 Pro digitální přenos: Převodník průtoku vzduchu FMA-903-I - parametry již uvedeny výše A/D převodník DRAK3 - vstupní rozsah - volitelně: 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V - interní rozlišení A/D převodníku: 16bitů - maximální nelinearita: 0,0015% rozsahu - chyba nuly: +/-1 dílek - chyba rozsahu: +/- 0,1% (= +/-10 dílků) - rychlost měření: 100 ms pro jeden vstup - výstupní komunikační linka: RS-485 - napájecí napětí: 8V až 26V stejnosměrných - komunikace: 4místný ASCI kód vyjádřený hexadecimálně A/D převodník s výstupem RS-485 DRAK3
RS-485/RS-232 převodník TC485 - obousměrný převodník mezi rozhraními RS-485 a RS-232 - Prodleva při přepínání směru komunikace: 0,9 ms - Rychlost komunikace: až 115,2 kbd - napájecí napětí: 6,5-20 V stejnosměrných s ochranou proti přepólování Převodník RS-485/RS-232 TC485 Čtyřmístný zobrazovací modul DTS - zobrazovací jednotka komunikující s rozhraním RS-485 - zobrazitelné znaky: 0 až 9, mezera, pomlčka a většina znaků abecedy - doba odezvy: max. 20 ms - napájecí napětí: 8 V až 25 V stejnosměrných - komunikace: 4místný ASCI kód vyjádřený hexadecimálně Čtyřmístný zobrazovací modul DTS
Osobní počítač s rozhraním RS-232 (COM port) - jakýkoli osobní počítač standardu IBM vybavený rozhraním RS-232 - software na zpracování dat schopný komunikovat s A/D převodníkem např. dodávaný výrobcem A/D převodníku (u zde uvedeného DRAK3 je to firma Papouch) Regulátor UT450 - Velký displej z diod LED, výška 20 mm - Univerzální vstup, minimální doba regulačního cyklu 200 ms - Sériová komunikace RS-485, ASCII nebo MODBUS - PID nebo ON/OFF regulace, 8 sad žádaných hodnot a PID konstant - Napájení snímače, 7 kontaktních vstupů, 4 alarmové výstupy Regulátor UT450 Ventilátor - klasický ventilátor používaný v PC zdrojích Výpočty : Při měření v rozsahu 0-5m/s můžeme dosáhnout při toleranci 5% chyby: chyba = 5 0,05 = 0,25m/ s Optimistická celková chyba soustavy pro analogový přenos: Pesimistická celková chyba soustavy pro digitální přenos:
Princip činnosti převodníku FMA-900 : Převodník FMA-900 firmy OMEGA je ideální pro ekonomické monitorování průtoku vzduchu ve vzduchovodech a potrubích, protože způsobuje pouze malý trvalý pokles tlaku vzdušného proudu. Převodník FMA-900 využívá dva skleněné odporové teploměry, které jsou uloženy v ochranné trubici 304SS o průměru 1/4. Jeden odporový teploměr slouží jako snímač rychlosti, zatímco druhý umožňuje kompenzaci teploty okolního vzduchu. Snímač rychlosti je vyhříván tak, aby udržoval konstantní teplotní rozdíl nad teplotu okolního vzduchu, která se měří druhým odporovým teploměrem. Snímačem rychlosti se měří chladící účinek vzdušného proudu a ten se potom převádí na elektrický signál, který je přímo úměrný rychlosti průtoku vzduchu. Převodník FFMA-900 je vybaven standardním snímačem o délce 13. Trubice 304SS obsahuje palcové značky, které usnadňují volbu správné hloubky zasunutí. Instalace snímače a popis vývodů Detail měřícího hrotu snímače Regulace : Pro regulaci e použit regulátor PID, na němž si pomocí vhodného zvolení konstant nastavíme jeho funkci a chování. Pro regulaci této úlohy Bude vhodné potlačit derivační složku regulátoru (nastavit derivační složku nulovou) a použít pouze složky proporcionální a integrační (popřípadě potlačit i integrační složku jejím nastavením na maximum). Ukázka regulace
Závěr : Účelem bylo zajistit měření a řízení průtoku vzduchu s přenosem informace na velkou vzdálenost. Byly navrženy dva způsobu přenosu signálu, analogový a digitální přenos. Pro analogový přenos byl volený přenos informace pomocí proudu (4-20mA), pro přenos digitální pak rozhraní RS-485. Jako snímač průtoku byl zvolen převodník FMA-903-I, což je převodník série FMA-900 (firmy Omega), který má měřící rozsah 0,051-5,08 m/s a výstupní signál 4-20mA. Pří výpočtech chyby vyšla jako přesnější varianta s digitálním přenosem, což je způsobeno tím, že digitální signál je odolnější proti vnějšímu rušení než signál analogový. Digitální varianta má uvedeny dva druhy výstupních zařízení a to přímý display pro odčítání průtoku a výstup s rozhraním RS-232 který je určen pro připojení PC. Lze připojit takřka jakékoliv programovatelné zařízení používající rozhraní RS-485, po převodu pak i RS-232. Pro variantu s digitálním přenosem přispívá také její cena a snadnější strojové zpracování. Pro řízení byl zvolen kompaktní PID regulátor UT450 od firmy Yokogawa. Tento regulátor byl zvolen z hlediska jeho univerzálnosti a schopnosti zpracovávat jak analogový, tak digitální vstupní signál. Jako akční zásah byla zvolena změna otáček na ventilátoru. Ventilátor z PC zdroje je dostačující z hlediska objemu průtoku vzduchu a má minimální energetickou náročnost a cenu. Veškeré uvedené informace jsem našel na internetu.