Automatizace. Najdi si cestu k technice. Lektor: Mgr. Petr Matyáš Technické dotazy:

Automatizace „Najdi si cestu k technice“ Lektor: Mgr. Petr Matyáš Technické dotazy: [email protected]

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. „Najdi si cestu k technice“ reg. č. CZ.1.07/1.1.16/01.0006

AUTOMATIZACE

Obsah Automatizace......................................................................................................................... 1 Obsah ..................................................................................................................................... 2 Úvod ....................................................................................................................................... 3 1 Automatizace procesů .................................................................................................. 4 1.1 Prvky pro získávání informací – snímače .................................................................. 4 1.1.1 Poţadavky na snímače ................................................................................................ 4 1.1.2 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 7 1.2 Regulátory ..................................................................................................................... 8 1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory ............................................................... 10 1.3.1 Proporcionální regulátor P ........................................................................................ 10 1.3.2 Integrační regulátor – I ............................................................................................. 13 1.3.3 Derivační-regulátor – D ............................................................................................ 15 1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických charakteristik při spojení bloků ......... 16 1.3.5 ID-regulátor .............................................................................................................. 19 1.3.6 PID-regulátor ............................................................................................................ 19 1.3.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 21 1.4 Motory ......................................................................................................................... 22 1.4.1 Motory na střídavý proud ......................................................................................... 22 1.4.2 Motory na stejnosměrný proud ................................................................................. 24 1.4.3 Lineární elektromotor ............................................................................................... 25 1.4.4 Krokové motory........................................................................................................ 27 1.5 Pneumatické pohony .................................................................................................. 30 1.5.1 Membránové pohony ................................................................................................ 30 1.5.2 Pístové pohony ......................................................................................................... 30 1.6 Hydraulické pohony ................................................................................................... 31 1.6.1 Rozdělení hydromotorů ............................................................................................ 31 1.6.2 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 31 1.7 Řízení procesů ............................................................................................................. 32 1.7.1 Základní pojmy řízení............................................................................................... 32 1.7.2 Ruční řízení .............................................................................................................. 33 1.7.3 Relé a stykače ........................................................................................................... 33 1.7.4 Programovatelná relé ................................................................................................ 34 1.7.5 PLC systémy............................................................................................................. 36 1.7.6 Mikrokontroléry ....................................................................................................... 37 1.7.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 43 2 Příklady regulace a automatizace z praxe............................................................... 44 2.1 Automatická pračka ................................................................................................... 44 2.2 Inteligentní dům ......................................................................................................... 49 2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů .......................................................... 49 2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD ............................................................................ 50 2.2.3 Ventily zónové a směšovací ..................................................................................... 53 2.3 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 55 Literatura ............................................................................................................................ 56 Obrázky ............................................................................................................................... 57 Slovník pojmů ..................................................................................................................... 58

2

AUTOMATIZACE

Úvod Tyto opory nemají za úkol nahradit učebnice a příručky, ale doplnit vhodnými materiály pro výuku, které v učebnicích chybí. Automatizace je obor, který je nedílnou součástí našeho ţivota. Bez ní se neobejde ţádný výrobní nebo technologický proces. Najdeme ji v obchodních i komerčních centrech a stále více se uplatňuje pří řízení moderních rodinných domů. ZAPAMATUJ SI „Mechanizace je proces kdy se využívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se fyzické práce člověka. Automatizace je proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen fyzické, ale zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí. Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení. Ovládání je řízení bez zpětné vazby. Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udržování určité fyzikální veličiny na konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě.Během regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít. Podle zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se odchylky odstranily“. (Švarc. 2002) Veličina, která je regulací upravována podle stanovených podmínek, se nazývá regulovaná veličina. Abychom mohli nějaký proces regulovat a automatizovat potřebujeme výkonový prvek řídit řídícím prvkem. K tomu ovšem potřebujeme získávat informace o řízeném procesu. Tyto informace nám dodávají snímače (senzory) poţadovaných veličin.

3

AUTOMATIZACE

1

Automatizace procesů

1.1 Prvky pro získávání informací – snímače ZAPAMATUJ SI „Základní prvky informující o stavu, činnosti technického zařízení jsou snímače (senzory), převádějící zvolenou technickou veličinu na vstupu na tzv. měronosnou veličinu na výstupu.„ (Kovář a kol.) Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci, sledováni a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu. Snímače jsou v přímém styku s měřeným objektem, slouţí jako primární zdroj informace. Snímač pracuje tak ţe, snímá sledovanou veličinu a transformuje ji na veličinu, kterou lze snadno vyhodnotit. Většinou se vyhodnocuji elektrické napětí a proud. Z toho také vyplývá, ţe podstatou většiny snímačů jsou fyzikální jevy, které lze na změnu napětí nebo proudu dobře převádět (změna osvětleni→změna odporu→změna proudu; změny kapacity, odporů, magnetického indukčního toku).

Technická veličina na vstupu snímače může být měřena dvěma způsoby  Přímo na základě její definice (např. Ohmův zákon).  Nepřímo – tyto metody vycházejí ze známé závislosti měřené veličiny na jiné měřené veličině. Většinou se pro přenos pouţívají elektrické veličiny jako napětí, proud, kapacita.

Toto použití má tyto přednosti  Moţnost dálkového přenosu dat včetně jejich soustředění do jednotlivých center.  Snadné provádění operací s elektrickými signály jak v analogové tak v digitální formě.  Moţnost pouţití unifikovaného regulačního obvodu při řízení libovolné technické veličiny.  Vysoká citlivost s pouţitím techniky zesilování elektrických signálů, bezdotyková měřidla, rychlá reakce snímačů.

1.1.1 Požadavky na snímače Požadavky kladené na snímače lze shrnout do následujících bodů  Jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině vstupní.  Přesnost snímače a reprodukovatelnost výsledků měřeni, tj. časová nezávislost parametrů snímače.

4

AUTOMATIZACE     

Vhodný tvar statické charakteristiky, nejlépe lineární s velkou strmosti a minimálním prahem citlivosti. Optimální dynamické parametry (časová konstanta, tvar frekvenční charakteristiky, šířka přenášeného frekvenčního pásma). Minimální závislost na parazitních jevech (teplota, tlak, vlhkost, chvěni). Minimální signálové zatěţovaní měřeného objektu. Jednoduchá konstrukce a z toho plynoucí snadná údrţba a dostupná cena.

Statické vlastnosti snímačů  Rozsah stupnice.  Měřici rozsah přístroje.  Nominální hodnota výstupního signálu.  Kalibrační křivka.  Korekce.  Třída přesnosti.  Reprodukovatelnost.  Pohyblivost.  Stálost (stabilita).  Přetíţení.  Citlivost přístroje.  Chyba údaje měřidla.  Chyba linearity.  Chyba hystereze. Dělení snímačů dle konstrukce  Aktivní (generatorické) snímače se působením měřené veličiny chovají jako zdroje o elektrické energie (termočlánky, fotoelektrické, indukční, piezoelektrické).  Pasivní (parametrické) snímače účinkem měřené veličiny mění některý ze svých parametrů (polohu, tlak, odpor, kapacitu, vlastni či vzájemnou indukčnost, magneticky tok, Hallovo napětí).

5

AUTOMATIZACE

1.1.1.1

Dělení snímačů dle výstupních signálů

Analogové snímače Snímají mechanické veličiny, např. dráhu a převádějí tyto snímané veličiny na elektrické signály, a to napěťové nebo proudové. Po připojeni snímače signálu na měřidlo a kalibraci stupnice měřidla vznikne měřici přistroj snímané veličiny. Kalibrace spočívá ve zjištěni vztahu mezi hodnotami měřené veličiny a stupnici a označeni stupnice odpovídajícími hodnotami. Při nepřímém měřeni můţe byt stupnice kalibrovaná přímo v jednotkách měřené veličiny.

Binární snímače Mají binární výstupní signál např. sepnuty/rozepnuty kontakt. Většinou vyhodnocuji, zda je přijímaná veličina pod nastavenou prahovou úrovni nebo nad ni. Binární snímače mohou mít podobu např. mechanických spínačů. Diference mezi přepínací úroveň snímané veličiny pro přepnuti z 0 do 1 a přepínací úrovni pro přepnuti z 1 do 0 se nazývá přepínací diference. Všechny binární snímače mají přepínací diferenci.

Číslicové snímače (digitální senzory) Mají číslicový výstupní signál, který je číslicovým kódem snímané veličiny, např. dráhy, doby nebo energie. Některé snímače digitalizuji s pomoci mikroprocesoru snímanou analogovou veličinu, např. obrazové snímače digitalizuji obrazový signál, který pak slouţí k posouzeni tvaru snímaného tělesa.

6

AUTOMATIZACE

1.1.2 Kontrolní otázky Co je mechanizace? Mechanizace je proces kdy se vyuţívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se fyzické práce člověka. Co je automatizace? Automatizace je proces, kdy technická zařízení vyuţíváme k nahrazení nejen fyzické, ale zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí. Co je kybernetika? Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení. Co je regulace? Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udrţování určité fyzikální veličiny na konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě. Během regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít. Podle zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se odchylky odstranily. K čemu nám slouží snímače senzory? Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci, sledováni a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu.

7

AUTOMATIZACE

1.2

Regulátory

ZAPAMATUJ SI Automatická regulace Je samočinné udrţování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a hodnot této veličiny, zjištěných měřením. Je to průběh, který probíhá v uzavřeném regulačním obvodu bez zásahu člověka. V porovnání s ruční regulací nahrazuje člověka přístroj – regulátor. . Regulátor je tvořen • • • • • • •

měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny členem pro nastavení ţádané hodnoty měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny členem pro nastavení ţádané hodnoty porovnávacím členem , který vykonává skutečnou a ţádanou hodnotu regulované veličiny výkonovým členem

Přehled základních pojmů Akční veličina – výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované soustavy. Akční člen – člen regulačního obvodu, který je řízen signálem akční veličiny a působí rovnou na regulovanou soustavu. Fyzikální veličina - je kaţdá z vlastností látky, která je měřitelná. Ustálený stav určité veličiny – stav, ve kterém je daná veličina konstantní. Porucha – kaţdá změna, která způsobí odchylku regulované veličiny od nastavené hodnoty. Regulace – udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této veličiny zjištěných měřením. Je: a) ruční b) automatická Regulovaná veličina – veličina, jejíţ hodnota je regulací dorovnávána podle předem nastavených podmínek. Regulací se tedy udrţuje na poţadované hodnotě. Regulační obvod – obvod, ve kterém je realizována regulace. Jednoduchý regulační obvod – jedná se o spojení regulované soustavy a regulátoru, kde se na vstup regulátoru přivádí pouze regulovaná a řídící veličina a kde regulátor má jen jeden výstup akční veličiny. Regulovaná soustava - je zařízení, na kterém se provádí regulace. Regulátor – zařízení, které realizuje automatickou regulaci. Nastavená hodnota regulované veličiny – je jí poţadovaná hodnota nastavená na řídícím členu regulátoru. 8

AUTOMATIZACE Poruchová veličina – veličina způsobující poruchu v regulačním obvodu. Změna regulované veličiny – rozdíl mezi skutečnou a poţadovanou hodnotou regulované veličiny. Změna akční veličiny – rozdíl okamţité a poţadované hodnoty. Hystereze – závislost stavu soustavy nejen na současných vstupních veličinách ,ale i na jejich předchozích stavech. Nebo ji také můţeme popsat jako situaci kdy je rovnováţný stav systému závislý na cestě, po které se rovnováze přibliţujeme.

Obr.1 Blokové schéma regulovaného obvodu.

Kde: z – poruchová veličina y – regulovaná veličina w – požadovaná hodnota výstupní veličiny e – regulační odchylka u – akční veličina

Obr. 2 Blokové schéma regulátoru.

9

AUTOMATIZACE

1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory Studiu této kapitoly musí předcházet studium kritérií stability, co je to jednotkový skok a jednotkový impulz a rychlost přeběhu! DŮLEŽITÉ Regulační obvody se spojitými regulátory odstraňují nevýhody nespojitých regulátorů. U obvodů s nespojitým regulátorem regulovaná veličina mění svou hodnotu skokem . Je to tím, ţe akční veličina nabývá omezených počtů hodnot. Vlastností spojitého regulátoru je, že výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní veličiny, která můţe nabývat libovolné hodnoty od minima po maximum.

DŮLEŽITÉ Regulační pochod je průběh regulované veličiny, který probíhá při změnách řídících a poruchových veličin při současném působení regulátoru. Regulační pochod můţe být vyvolán změnou působení regulátoru. Jeho průběh se stanovuje hůř neţ u nespojitého regulátoru, protoţe u kaţdého okamţiku je nutno také uvaţovat vliv regulované veličiny na akční veličinu a její zpětné působení na regulovanou veličinu. Typy regulátorů: P,I D, PI, PD a PID regulátory.

1.3.1 Proporcionální regulátor P DŮLEŽITÉ Proporcionální regulátor P Zajišťuje přímou úměrnost mezi vstupní a výstupní veličinou. Řád regulátoru se určuje podle počtu elektronických kapacit v obvodu (1 kondenzátor = l řád) Kaţdé hodnotě vstupní veličiny (regulovaná) odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny výstupní(akční). Kde: K – je součinitel přenosu regulátoru

U regulovaných soustav je součinitel přenosu konstantní. Součinitel přenosu regulátoru je moţno měnit. Záporné znaménko sděluje, ţe regulátor pracuje s inverzí. Při kladné odchylce x se akční veličina zmenší a naopak. Přesnost regulace závisí na zesílení regulátoru, které u setrvačných regulovaných soustav můţe být značné, aniţ by hrozila nestabilita. U soustav vyšších řádů, kdy doba průtahu je menší neţ desetina doby náběhu, je někdy na závadu překmitnutí regulované veličiny. Překmitnutí je moţné sníţit zmenšením zesílení regulátorů, avšak za cenu větší regulační odchylky. 10

AUTOMATIZACE

POZNÁMKA Kmitání je téţ moţno odstranit zavedením setrvačnosti do regulované soustavy. To se realizuje paralelním připojením kondenzátoru nebo RC členu.

Tento regulátor je vhodný i pro astatické soustavy, je-li přípustná trvalá regulační odchylka.

Obr. 3 Schémata proporcionálních regulátorů

Statická charakteristika regulátoru P Proporcionální člen P můţeme realizovat pomocí invertujícího zesilovače, který je zobrazen na obr.3.2.2. obr 1. Výstupní napětí P členu je dáno vztahem (1) a přechodová charakteristika P členu je zobrazena na obr. 3.2.2 obr. 2. Symbol pro P člen je na obr. 3.2.2 obr. 3.

Rozporuplné požadavky na regulátor P Regulátor reguluje tím citlivěji a přesněji, čím je součinitel přenosu větší, coţ platí opačně o stabilitě regulátoru. Pásmo proporcionality je regulační odchylka, o kterou se musí změnit regulovaná veličina, aby se regulační člen přestavil z jedné krajní polohy do druhé.

11

AUTOMATIZACE DŮLEŽITÉ Přechodová charakteristika regulátoru P Při skokové změně vstupní veličiny se výstupní veličina téměř okamţitě ustálí na nové hodnotě. Její velikost je dána nastavením pásma proporcionality.

Obr. 4 Proporcionální regulátor – přechodová charakteristika.

Obr. 5 Proporcionální regulátor.

12

AUTOMATIZACE

1.3.2 Integrační regulátor – I Neţádoucí trvalá regulační odchylka proporcionálního regulátoru P je způsobena pevnou vazbou mezi regulační odchylkou a akční veličinou. DŮLEŽITÉ Jestliţe je na regulační odchylce závislá rychlost změny akční veličiny, vznikne integrační regulátor. Základní nevýhodou je, ţe se zvyšující se frekvencí klesá zesílení, takţe regulátor pomalu reaguje na poruchy. Nehodí se tedy v případech výskytu častých poruch. Regulátor I je velmi vhodný pro astatické regulované soustavy bez setrvačnosti, jeho zesílení můţe být velmi vysoké, aniţ by hrozilo nebezpečí rozkmitání. Také je vhodný pro setrvačné soustavy I. řádu. Nevýhodou je větší překmit regulované veličiny. Regulátor I je nejvhodnější ze všech ostatních typů pro regulaci statických soustav s dopravním zpoţděním. Tyto soustavy jsou nejvíce ohroţeny rozkmitáním regulovaného obvodu. Proto nastavujeme menší zesílení regulátoru. Regulátor I je méně vhodný pro regulaci soustav vyšších řádů, tam je lepší regulátor PI. Nelze jej pouţít u astatických soustav, neboť regulovaný obvod by byl nestabilní. Má stejnou charakteristiku jako u astatické soustavy. Regulátor I můţe být pouţit samostatně nebo v kombinaci: PI a PID. I regulátor zajišťuje vţdy přesné doregulování a kombinuje se s jinými regulátory pouze proto aby se zkrátila doba přechodu. DŮLEŽITÉ Statická charakteristika integračního regulátoru I je charakteristickou veličinou. S větší integrační časovou konstantou klesá jeho stabilita, naopak se zvyšováním hodnoty této konstanty stoupá.

Přechodová charakteristika Je reakcí výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku. Rychlost změny akční veličiny je úměrná regulační odchylce: Kde: Ti – integrační časová konstanta Kr – výstupní veličina odpovídající proporcionálnímu přenosu a pásmu proporcionality 100%. Integrál vstupní veličiny x odpovídá přímo úměrné hodnotě výstupní veličiny y.

13

AUTOMATIZACE

Obr. 6 Schémata integračních regulátorů.

Relé v následujícím obrázku je ze stejného důvodu jako ve stavebnici RC. Na začátku měření se kontakt rozpojí na konci měření spojí. To znamená, ţe mimo vlastní měření je na kondenzátoru I regulátoru zabezpečeno nulové napětí.

Obr.7 Integrační regulátor.

14

AUTOMATIZACE

1.3.3 Derivační-regulátor – D U integračního regulátoru odpovídala kaţdé hodnotě vstupní veličiny určitá změna výstupní veličiny. Tedy změně rychlosti vstupní veličiny vx odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny výstupní Y. DŮLEŽITÉ Nemění-li se vstupní signál, je na výstupu derivačního regulátoru výstupní signál nulový. Derivační regulátor D se nikdy nepouţívá samostatně, vţdy jako součást regulátorů sloţených. Ideální regulátor reaguje na jednotkový skok na vstupu diracovým impulsem, coţ u reálného regulátoru není moţné. DŮLEŽITÉ Statická charakteristika derivačního regulátoru D Je charakteristickou veličinou s časovou konstantou derivační. Součinitel přenosu Kz je konstantní. Derivační regulátor reguluje citlivěji. Přesnějším je časová konstanta τd, jeho větší stabilita naopak se zvyšováním hodnoty této konstanty klesá.

Přechodová charakteristika Charakteristická veličina τd je doba, za kterou výstupní veličina dosáhne stejné hodnoty, jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl proporcionální a pásmo proporcionality bylo 100 %.

Obr. 8 Schémata derivačních obvodů.

15

AUTOMATIZACE

Obr. 9 Schéma derivačního regulátoru – přechodová charakteristika.

1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických charakteristik při spojení bloků DŮLEŽITÉ Bloky mohou být vzájemně spojeny sériově, paralelně či zpětnovazebně. Pro získání výsledné statické charakteristiky je nejvhodnějším řešením pouţití grafických konstrukcí. Regulátor D se pouţívá pro zrychlení regulačních pochodů. Nelze jej samostatně pouţít. Uţívá se ve spojení s regulátory typu P nebo PI. Nereaguje na regulační odchylku, ale jen na změnu odchylky. Jejich vlastnosti jsou součtem vlastností jednotlivých regulátoru. Do činnosti zasahují nejprve derivační, pak proporcionální a na závěr integrační.

16

AUTOMATIZACE Přechodové charakteristiky kombinovaných regulátorů Typ regulátoru

Označení

proporcionální

P

integrační

I

derivační

D

proporcionálně-integrační

PI

proporcionálně-derivační

PD

proporcionálně-integračně-derivační

PID

Přechodová charakteristika

DŮLEŽITÉ PI-regulátor Paralelní spojení regulátoru P a I. Pracuje bez lineární regulační odchylky hodnot. Do regulace zásahu se zapojí nejprve proporcionální část, pak integrační.

17

AUTOMATIZACE

Obr. 11 Přechodová charakteristika PI regulátoru.

Obr. 12 Schéma PI regulátoru.

DŮLEŽITÉ PD-regulátor Vlastnosti jsou dány součtem vlastností regulátorů P a D. Do regulace nejprve zasáhne derivační část regulátoru, pak proporcionální.

18

AUTOMATIZACE

1.3.5 ID-regulátor Nepouţívá se.

1.3.6 PID-regulátor DŮLEŽITÉ Vlastnosti jsou dány součtem jednoduchých regulátorů. Do činnosti zasahují nejprve derivační, pak proporcionální a na závěr integrační. Odezva na jednotkový skok u PID regulátorů se blíţí ideálnímu stavu, tedy jednotkový skok s tlumenými zákmity nízké amplitudy

Obr. 13 Blokové schéma PID regulátoru.

19

AUTOMATIZACE

Obr. 14 Schéma PID regulátoru.

20

AUTOMATIZACE

1.3.7 Kontrolní otázky Jak nazýváme vstupní veličinu regulované soustavy? Akční veličinou Regulační obvod je? Regulátor 4 řád regulátoru je dán? Počtem kondenzátorů v obvodu Vlastností spojitého regulátoru je? Ţe výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní veličiny, která můţe nabývat libovolné hodnoty od minima po maximum. Jaký je signál na výstupu derivačního regulátoru nemění-li se vstupní signál? Výstupní signál je nulový PID regulátor je tvořen? Paralelním spojením P,I a D regulátorů Který z regulátorů je nejdokonalejší? PID Je nutný zásah člověka při automatické regulaci? Ne.

21

AUTOMATIZACE

1.4 Motory DŮLEŽITÉ Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie na mechanickou práci. Většinou jde o točivý stroj, ale existují i netočivé elektromotory, např. lineární elektromotor. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná jednoduchou konstrukcí. Nejčastěji se pouţívají jako napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí můţe být jednofázové nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.

1.4.1 Motory na střídavý proud Jsou točivé elektrické stroje (elektromotory) pracující na střídavý proud. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční. Nejčastěji jsou napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí můţe být jednofázové nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.

1.4.1.1

Rozdělení

Asynchronní motor Základem činnosti třífázového asynchronního motoru je vytvoření točivého magnetického pole, které vznikne průchodem střídavého trojfázového proudu vinutím statoru. Toto magnetické pole indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud vyvolává sílu otáčející rotorem (viz. příručka elektrické stroje). Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece. Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. Tím, ţe se tyče rotoru (nebo vodiče vinutí rotoru) pohybují v magnetickém poli vytvářeném statorem, se v rotoru indukuje elektrický proud. V důsledku indukčního účinku se ve vinutí rotoru vytváří točivé pole a točivý moment. Otáčky motoru přitom závisí na počtu pólových párů a frekvenci napájecího napětí. Směr otáčení můţe být změněn prostřednictvím záměny dvou fázových svorek: Kdyţ je motor alespoň minimálně zatíţen, v ustáleném stavu nedosáhne ideálních otáček daných frekvencí napájecího proudu. Vzniká tzv. skluz (při jmenovitém zatíţení je obvykle v řádu několika procent synchronní frekvence). V běţném provozním stavu motor nedosahuje „synchronních“ otáček proto se nazývá asynchronní motor. Vzhledem k jednoduché konstrukci, robustnosti a moţnosti bezjiskrového provedení je tento druh motoru v praxi nejběţnější. Je vyuţíván v mnoha oblastech průmyslu, dopravy i v domácnostech. Výkon asynchronních motorů se pohybuje od několika wattů aţ do 22

AUTOMATIZACE mnoha set kilowattů. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná jednoduchou konstrukcí.

Synchronní motor Rotor stroje je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějţ je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaţí uchovat si svoji konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vytvářenému průchodem střídavého proudu ve statoru, drţí se v synchronismu aţ do kritického kroutícího momentu.

PŘÍKLAD Pracovní oblast motorů řady SM (VUES Brno) Průběh momentu a výkonu motoru je patrný z následujícího grafu. V rozsahu otáček 0 aţ jmenovité otáčky (základní oblast) je oblast konstantního momentu. V rozsahu jmenovitých otáček aţ nodb pracuje motor v odbuzeném stavu s konstantním výkonem. Velikost otáček nent je závislá na velikosti motoru a nepřekračuje hodnotu 2× jmenovité otáčky.

Graf 1 Výkonové a momentové charakteristiky. Synchronní motory mají řadu nevýhod Je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím (především rozběh jako hvězda, samotný chod pak zapojen do trojúhelníku). Pokud pod zátěţí ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou vyuţívány jen ve speciálních případech (např. pohon gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváţeny poţadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, ţe frekvence napájecí 23

AUTOMATIZACE sítě je skutečně konstantní). V současné době se ovšem uplatňují i v pohonu dopravních prostředků. Synchronní motory s permanentními magnety ze vzácných zemin Pokrok v technologii výroby strojů s permanentními magnety ze vzácných zemin, dává reálnou moţnost uplatnění pohonů větších výkonů se synchronními motory buzenými permanentními magnety v aplikacích, kde je poţadován vysoký moment od nulových otáček. Další předností těchto pohonů je zvýšení účinnosti - pohony tak vykazují vyšší uţitnou hodnotu a úsporu provozních nákladů. Velmi významným parametrem je sníţení hmotnosti proti standardním motorům.

1.4.1.2

Způsoby spouštění a řízení rychlosti

Asynchronní rozběh Kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko. Po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno. Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se v táhne do synchronismu. Rozběh pomocným motorem Pro rozběh se pouţije buď budič (stejnosměrný generátor, který je umístěn na hřídeli motoru, nebo rozběhový asynchronní motor – pro velké výkony. Řízený rozběh Motor je napájen z měniče kmitočtu. Otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího napětí. Pro regulované pohony se pouţívají přímé nebo nepřímé měniče kmitočtu.

1.4.2 Motory na stejnosměrný proud Ve vnitřním magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje magnetické pole, které je vţdy orientováno stejně jako vnější magnetické pole; toho je dosaţeno díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaţdé, kdy dojde k překlopení. Energie této soustavy bude niţší, pokud budou magnetická pole orientována proti sobě. Proto působí na smyčku moment, který se ji snaţí překlopit. Po překlopení se změní směr proudu protékajícího smyčkou, a toto pokračuje pak dále. Existuje další moţné ekvivalentní vysvětlení. Proud protékající smyčkou se chová stejně jako permanentní magnet, který se můţe otáčet. Díky komutátoru se navíc dvakrát za otáčku změní jeho polarita. Pokud je komutátor nastavený tak, ţe se polarita magnetů změní v okamţiku, kdy jsou si jejich opačné póly nejblíţe, tak budou na pohyblivý magnet neustále působit síly, které ho budou nutit k pohybu, jelikoţ souhlasné póly magnetů se odpuzují.

24

AUTOMATIZACE Výhody - Snadné řízení – změnou budícího napětí na rotoru. -

Lineární charakteristika závislosti otáček na budícím napětí na rotoru.

Nevýhody - Komutátor – nutná údrţba kluzných kontaktů (uhlíkových kartáčů). -

Vzniká zde také jiskření, které v kombinaci s průmyslovým prachem můţe zapříčinit výbuch.

-

Konstrukčně náročné, rozměrné.

1.4.2.1

Rozdělení

Derivační elektromotor Má elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně závislé na zátěţi motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ motoru vyuţívá především u strojů, kde jsou poţadovány relativně neměnné otáčky.

Sériový elektromotor Místo permanentního magnetu se pro statory běţných větších motorů vyuţívá elektromagnetu. Pokud je vinutí statoru (budicí vinutí) spojeno s vinutím rotoru do série, mluvíme o sériovém elektromotoru. Tento typ elektromotoru má točivý moment nepřímo úměrný otáčkám. To znamená, ţe stojící elektromotor má obrovský točivý moment. Vyuţívá se proto především u dopravních strojů a v elektrické trakci (vlaky, metro, tramvaje). Ve spojení s generátorem je schopen ideálně nahradit mechanickou převodovku. Proto dostupnější sériový elektromotor (na rozdíl od střídavých) proto často nalezneme také v levnějších přestavbách elektromobilů.

1.4.3 Lineární elektromotor Jedná se o synchronní nebo asynchronní třífázové motory s rozloženým vinutím napájené ze statického měniče kmitočtu a se zpětnovazebním polohovým čidlem, které umoţňují přesný lineární pohyb a přenos síly při zachování vysoké dynamiky pohonu. Lineární motor si můţeme představit jako klasický nebo asynchronní motor rozvinutý do roviny viz. obrázek.

25

AUTOMATIZACE

Obr. 14 Schéma PID regulátoru. Statorem je u lineárních motorů zpravidla označován primární díl a rotorem sekundární díl. Primární část je tvořena jako u klasických strojů feromagnetickým svazkem sloţeným z elektrotechnických plechů a trojfázového vinutí uloţeného v jeho dráţkách. U synchronních motorů je proti primárnímu dílu konstrukčně spořádána sekundární část tvořená permanentními magnety ze vzácných zemin (např. Nd-Fe-B), které jsou nalepeny na ocelovou podloţku. U asynchronní verze je sekundární díl tvořen klecí nakrátko uloţenou, buď do dráţek feromagnetického svazku, nebo ocelovou podloţku poháněného zařízení. Sekundární díl tvoří zpravidla delší část stroje. O tom, která část lineárního motoru se bude pohybovat rozhoduje konstrukce poháněného zařízení. Ve většině konstrukcí se pohybuje primární část po dráze tvořené libovolným počtem sekundárních dílů. Toto uspořádání ovšem vyţaduje pohyblivý napájecí kabel, kabel snímače polohy a je-li pouţito vodní chlazení, také pohyblivý přívod a odvod chladící kapaliny. Základní princip lineárního motoru má řadu obměn. Vzhledem k tomu, ţe statická (nepohyblivá) část stroje se nachází podél celé pojezdové dráhy stroje, pořizovací náklady u velkých pohonů vybavených lineárními elektromotory, například u speciálních drah v ţelezniční dopravě nebo v městské hromadné dopravě (typicky v metru), bývají velmi vysoké. Mnohakilometrová trať je i náročnější na kontrolu a údrţbu, neţ je tomu u běţných tratí, a provozní náklady celého zařízení mohou být také velmi vysoké. Využití V přesných CNC obráběcích strojích (typicky brusy), kde jemný magnetický pohyb vítězí nad mechanickými převody, jeţ trpí vůlemi.

26

AUTOMATIZACE

1.4.4 Krokové motory Patří mezi moderní, laciné a spolehlivé pohony, které nacházejí stále širší uplatnění v průmyslové automatizaci. Umožňují s vysokou přesností definovat polohu, rychlost a časový průběh pohybu. Při současném řízení více motorů je moţné definovat přesnou trajektorii ve dvou nebo i vícerozměrném prostoru. Krokovými motory lze ve velké většině případů s úspěchem nahradit mnohem draţší servopohony. DŮLEŽITÉ Krokový motor je synchronní točivý stroj napájený impulsy stejnosměrného proudu. Magnetické pole je generováno postupným napájením jednotlivých pólových dvojic. Pohyb rotoru krokového motoru je při nízkých rychlostech nespojitý, rotor se pohybuje mezi stabilními polohami vţdy v určitém úhlu – v krocích. Počet kroků je dán počtem pólových dvojic. K pohybu tohoto motoru je vţdy třeba řídící jednotka – ovladač krokového motoru. Vyznačují se proto velkou mechanickou odolností, dlouhou dobou ţivota a provozem téměř bez údrţby. Nevýhodou krokových motorů je tzv. ztráta kroku, která nastává při překročení mezního zatíţení a sklon k mechanickému zakmitávání, které můţe vést k nestabilitě při pohybu. Obě tyto negativní vlastnosti lze předem vyloučit volbou vhodného motoru a ovladače s přihlédnutím k momentovým charakteristikám pohonu. Funkce krokového motoru Základní princip aktivního krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházející cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. Podle poţadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného odběru volíme některou z variant řízení. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je omezena rychlost otáčení motoru, a to na několik stovek kroků za sekundu (závisí na typu motoru a zatíţení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo při příliš velké zátěţi) motory začínají ztrácet kroky.

1.4.4.1

Krokové motory s pasivním rotorem

Jsou označované jako reakční či reluktanční, protoţe rotor je opatřen výstupky (zuby), takţe magnetický obvod motoru má po obvodu vzduchové mezery proměnnou magnetickou vodivost. Na statoru je osm zubů (pólu). Na kaţdém zubu je navinuta cívka, přičemţ dvojice protilehlých cívek jsou spojeny do série a tvoří vţdy jednu fázi (A, B, C, D). Rotor má na povrchu šest zubů bez vinutí. Šířka statorových i rotorových zubů ve vzduchové mezeře je stejná. Předpokládáme-li, ţe jeden pár pólů statoru je vybuzen, tj. např. fáze A, přitáhne nejbliţší zuby rotoru tak, aby magnetický obvod měl minimální magnetický odpor a motor byl v magnetické klidové poloze. V této situaci se symetricky vlevo a vpravo od vybuzeného pólu nekryjí protilehlé páry rotorových zubů se statorovými postupně o 1/4, 1/2, 3/4 zubové rozteče. Odpojením fáze A a nabuzení fáze B způsobí, ţe výslednice magnetického pole se pootočí do osy statorových zubů fáze B a rotor se pootočí tak, aby se nejbliţší zuby sesouhlasily se statorovým polem do polohy s minimálním 27

AUTOMATIZACE magnetickým odporem, tj. o čtvrtinu zubové rozteče. Vybuzením cívek C a D se analogicky rotor pootočí vţdy o další čtvrtinu rozteče, takţe po proběhnutí jednoho cyklu se rotor pootočí o jednu zubovou rozteč.

1.4.4.2

Krokové motory s aktivním rotorem

Obsahují magneticky aktivní část, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, jehoţ póly mohou být uspořádány dvojím způsobem. S radiálně polarizovaným permanentním magnetem – stator je navinut dvoufázově (počet pólů musí být dělitelný čtyřmi) tak, ţe ve vybuzeném stavu dané fáze se po obvodu střídají polarity. Rotor s permanentním magnetem má proti statoru poloviční počet pólů. Buzení statoru dvěma napětími fázově posunutými o 90° el. vyvolá pootočení rotoru o jednu rozteč statoru, přičemţ jeho polaritou je jednoznačně definován smysl otáčení. s axiálně polarizovaným permanentním magnetem Metody řízení krokových motorů a) Unipolární -

unipolární jednofázové řízení s plným krokem unipolární dvoufázové řízení s plným krokem unipolární řízení s polovičním krokem

b) Bipolární -

bipolární jednofázové řízení s plným krokem bipolární dvoufázové řízení s plným krokem bipolární řízení s polovičním krokem

1.4.4.3

Lineární krokové motory

Jsou určeny pro přesné polohování menších břemen. Jedná se o kompaktní lineárně rozvinutý systém třífázového krokového motoru. Sestává se z pevného lineárního statoru, nad kterým se pohybuje po tenkém vzduchovém polštáři běţec. Při pohybu běţce nedochází k ţádným mechanickým ztrátám ani opotřebení a funkci neomezuje ani malé znečištění povrchu. Motory tohoto typu se vyznačují poměrně vysokou účinností a dlouhou ţivotností a jsou prakticky bezúdrţbové. Velkou výhodou ve srovnání s klasickými polohovacími osami se šroubem nebo řemenem jsou celkově menší nároky na prostor, zejména zástavbová délka. Lineární krokový motor např. LINSTEP3-0621 – stator je tvořen 750 cm dlouhým hranolem z nerezové oceli, ve kterém je vytvořena velmi přesná struktura zubů a mezer vyplněných polymerem. Povrch statoru je zabroušen, takţe struktura zubů a mezer je viditelná, ale nehmatatelná. Stator vytváří současně vedení lineární osy, a proto není nutné ţádné další přídavné vedení. V běţci jsou zabudovány tři fáze vinutí motoru. Běţec se pohybuje nad statorem na stlačeném tenkém vzduchovém polštáři, jehoţ výška je 1,5 mm. Vzduch o tlaku 3,5 barů je rozváděn systémem trysek po vnitřní ploše běţce a působí proti magnetické síle přitahující

28

AUTOMATIZACE běţec ke statoru. Vypnutím přívodu vzduchu je motor zabrţděn. Běţec je magneticky pevně přitaţen ke statoru a motor tedy nepotřebuje ţádnou přídavnou brzdu. Výhoda principu krokového motoru, jak uţ bylo zmíněno, spočívá v tom, ţe není potřeba mít v soustavě měřící systém polohy. Ani v tomto případě zde nenajdeme ţádné zařízení, které by zjišťovalo polohu běţce. Lineární krokový motor dosahuje rozlišení 3,33 mm s opakovanou přesností nastavení polohy ± 2,0 mm.

29

AUTOMATIZACE

1.5 Pneumatické pohony DŮLEŽITÉ Vyznačují se jednoduchým a robustním provedením, čistotou provozu, vysokou provozní spolehlivostí, velkými přestavnými silami (řádově aţ 104 N) a poměrně krátkými přestavnými dobami. Jsou vhodné do provozů s agresivním prostředím i nebezpečím poţáru či exploze. Dělí se podle Prvku převádějícího tlak na sílu nebo výchylku • • • •

s membránou pístem vlnovcem speciální

Způsobu generování pohybu • •

jednočinné dvojčinné

Dráhy výstupního prvku • • •

posuvné kyvné rotační

Signálu • •

spojité (proporcionální) nespojité

1.5.1 Membránové pohony Dělíme je na pohony pro proporcionální činnost a pro nespojitou činnost (dvoupolohové). Membránové pohony pro proporcionální činnost se pouţívají především v oblasti spojité regulace pro pohon regulačních orgánů. Vyrábí se ve velkých sériích a ve stavebnicovém uspořádání. Jejich výhodou je dokonalá těsnost, nevýhodou je relativně malý zdvih.

1.5.2 Pístové pohony jejich předností je moţný velký zdvih (řádově aţ metry), robustnost a spolehlivost konstrukce, značné síly (desítky kN) nebo momenty (stovky Nm), malý zastavěný prostor a relativně nízká cena. Nevýhodou je značné tření při pohybu, a moţná netěsnost. Pro regulaci – musí být vybaveny korektorem, který umoţní přesné polohování.

30

AUTOMATIZACE

1.6 Hydraulické pohony      

Pouţívané pracovní tlaky dosahují řádově aţ desítky MPa. Vţdy dvojčinné a chovají se jako astatické členy, tj. mají integrační charakter činnosti (kvůli tlaku). Jsou schopny generovat největší síly nebo momenty, při malých dobách přestavení a současně při nejmenších moţných rozměrech i tíze pohonů, ve srovnání s jinými typy pohonů. Pouţívají se v mobilní technice – pozemní vozidle, lodě, letadla, atd. Pracují obvykle s elektronickým zařízením. Problémem hydraulických pohonů je jejich nečistý provoz a jsou problematické tam, kde je nebezpečí poţáru. Při pouţití pro spojitou regulaci průmyslových zařízení, tvoří vţdy jednu stavební jednotku s čerpadlem, zásobní nádrţí oleje a rozvaděčem.

Výhody  Obvykle nepotřebují transformační blok.  Snadná realizace přímočarého pohybu.  Jednoduché řízení.  Velká tuhost.  Plynulý a rovnoměrný chod.  Velká účinnost. Nevýhody  Potřeba samostatného energetického bloku.  Problém s realizací vyšších rychlostí.  Závislost viskozity média na teplotě.  Ekologie.

1.6.1 Rozdělení hydromotorů Přímočaré hydromotory  jednočinné, dvojčinné  jednostranné, oboustranné  jednostupňové, vícestupňové Rotační hydromotory  zubové  pístové –axiální, radiální Kývavé

1.6.2 Kontrolní otázky KONTROLNÍ OTÁZKY

Co je elektromotor? Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie na mechanickou práci.

31

AUTOMATIZACE

1.7 Řízení procesů 1.7.1 Základní pojmy řízení DŮLEŽITÉ Řízení je působení řídícího členu na člen řízený. Můţe to být více či méně sloţité zařízení, ve kterém se snaţíme dosáhnout předem stanoveného stavu. Teorie řízení je naukou o řízení a popisu systémů. Základní dělení je na klasickou teorii řízení a na moderní teorii řízení. Toto dělení má spíše pedagogický význam a v současné době se pouţívají jak metody z klasické, tak moderní teorie.

Klasická teorie řízení Teorie řízení, jejíţ formální rozvoj začal ke konci 19. století. Je zaloţena na vnějším popisu systémů. Základními pojmy tu jsou: přenos systému, frekvenční charakteristika, impulsní charakteristika, přechodová charakteristika, diferenciální rovnice.

Moderní teorie řízení Vizualizace procesů – vizualizací se rozumí zobrazování skutečnosti, jejíţ výsledky jsou znázorněny prostřednictvím vnímání zrakových receptorů. Vizualizace úzce souvisí s uplatňováním zásady názornosti. S vizualizací se setkáváme v mnoha oblastech, ve stavebnictví, technice, strojírenství, geografii atd. Je při tom vyuţíváno moderních metod počítačového modelování. Vizualizace v našem pojetí především znamená vizualizace výrobních procesů pro efektivní řízení objemů výroby společnosti. Hlavním předpokladem pro efektivní řízení je především znalost informací v reálném čase, a to hlavně informací o aktuálním stavu výroby, ovšem téţ i o plánu, a to pro všechny výrobní sloţky. Rozdělení řízení podle způsobu řízení: a) řízení ovládáním b) řízení regulací c) řízení kybernetickým zařízením Rozdělení řízení podle funkce:  

32

ruční samočinné (automatické) – veškerá činnost je prováděna bez zásahu člověka.

AUTOMATIZACE

1.7.2 Ruční řízení Některým z členů ovládacího nebo regulačního systému je člověk. To znamená, ţe při jakékoliv změně je nutný zásah člověka, většinou na tom místě, kde se nachází řídící prvek. Rozdělení: a) ovládání je řízení bez zpětné vazby b) regulace je udrţování velikosti některé fyzikální veličiny na poţadované hodnotě pomocí zpětné vazby.

1.7.3 Relé a stykače ZAPAMATUJ SI Relé a stykače jsou elektromagneticky ovládané spínače, určené k dálkovému nebo automatizovanému vypínání a zapínání elektrických obvodů. Mají čtyři hlavní částí 

Cívka – vinutí na kostřičce z nevodivého a nemagnetického materiálu. V provedení: kulatá nebo hranatá.



Magnetické jádro – magneticky měkký materiál, tj. materiál, který nezůstane zmagnetizovaný. Pro relé na stejnosměrné napětí jsou cívka a jádro, (které spolu tvoří elektromagnet), zhotoveny z normálního kulatého ţelezného materiálu. Pro střídavé napětí mají obdélníkový nebo čtvercový průřez. Jádro je poskládáno z transformátorových plechů se závitem nakrátko.



Kotva – mechanické zařízení, které přitaţením k elektromagnetu spíná nebo přepíná kontakty.



Kontakty – relé můţe mít jeden spínací, rozpínací nebo přepínací kontakt, můţe o se skládat také z několika přepínacích párů. Kontakty jsou všechny stejné, na stejné napětí a proud.

Stykač je relé, které je jinak mechanicky provedeno. Je určeno pro spínání velkých proudů, nízkého a vysokého napětí. Je jinak mechanicky přizpůsobeno. Má hlavní kontakty pro spínání velkých proudů, které jsou ve zhášecích komorách. Pomocné kontakty jsou menší a slouţí k ovládání buď vlastního stykače nebo dalších zařízení.

33

AUTOMATIZACE

1.7.4 Programovatelná relé Programovatelná relé nebo řídící relé jsou vlastně taková velmi jednoduchá PLC, vhodná pro ty nejjednodušší automatizované aplikace. Někdy se také stále označují jako PLC, protoţe hranice mezi těmito dvěma označeními není nijak přesně daná. Jak jiţ samotné označení „programovatelné relé“ naznačuje, jde o zařízení nabízející binární vstupy a spínané tranzistorové či reléové výstupy. Ty jsou napojeny na vnitřní elektroniku obvykle tvořenou nějakým moderním vícevývodovým mikrokontrolérem výrobců ATMEL, NEC, Freescale apod. V něm pak běţí výrobcem uloţený firmware a uţivatelem z PC nahraný program, který se ve smyčce neustále dokola opakuje a určuje, jaká bude reakce řídícího relé na vstupy a co to následně provede s výstupy. Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek umístěných na těle „krabičky“. Ta jsou vţdy jiţ ovládaná firmwarem, ale lze jim obvykle přiřadit funkce i v uţivatelském programu. Tak lze například vytvořit jednoduché HMI rozhraní v uţivatelském programu. Tlačítka i displej slouţí k zobrazování a nastavení některých výrobcem určených stavových informací a času. Základní modul je moţné rozšířit o další tzv. rozšiřující moduly dalších vstupů a výstupů. Spínací úroveň vstupů je dána hodnotou napájecího napětí. Tzn. pokud je napájení 24 V DC, vstupy rozlišují 0 V a 24 V, pokud 230 V AC, opět vstupy rozliší jen stavy 0 a 230 V. Z pohledu provedení pouzdra jde u všech výrobců o téměř shodná řešení tvořená plastovou rozebíratelnou krabičkou s upínacím mechanismem na 35 mm DIN lištu. Programovatelná relé jsou schopna řešit kombinační a sekvenční úlohy. Programování lze provádět přímo přes displej a tlačítka přímo na přístroji, nebo komfortněji počítačem pomocí programu. Vlastní programování se provádí buď pomocí tzv. spínacího schématu, které lze přirovnat k elektrickému obvodu. Zobrazení vodivých drah v provozu nebo v testovacím reţimu ukazuje, kudy teče proud. Uvedení do provozu se tak usnadňuje a urychluje. Programování je moţné téţ pomocí logických funkcí a funkčních bloků.

1.7.4.1

Rozdělení dle výrobce

Omron – Z 20C Obsahuje 12 vstupů a 8 výstupů (reléových nebo tranzistorových) v jediném modulu. Modul 20 I/O je dodáván s displejem LCD, ovládacími a programovacími tlačítky, kalendářem a hodinami, se stavovými indikátory LED.

34



ZEN-20C1/C2, rozšiřitelné aţ na 44 I/O



DC jednotky ZEN mají analogový vstup 0–10 V DC



DC modely mají také 150 Hz vysokorychlostní čítač.



Je moţné rozšíření o reléové nebo tranzistorové výstupy.

AUTOMATIZACE Moeller – řídicí relé EASY700 Má 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U variant DA, DC a AB jsou k dispozici čtyři analogové vstupy. Pro čítaní impulsů jsou k dispozici čtyři rychlé vstupy do 1 kHz. Pro zadávání kontaktních schémat nabízí EASY řady 700 tři kontakty a jednu cívku v sérii v jedné linii a maximálně 128 linií. Na vestavěném displeji lze zobrazit maximálně 16 libovolných textů vţdy se 48 znaky. V případě potřeby můţete nechat na displeji zobrazit také v kaţdém textu dvě proměnné. Tyto přístroje lze navíc rozšířit o další vstupy a výstupy nebo pomocí komunikačních modulů připojit na vyšší komunikační sběrnice. Komunikuje v češtině. Řídicí relé EASY800 Obsahuje 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U všech variant DC jsou k dispozici čtyři analogové vstupy a případně jeden analogový výstup. V kontaktním schématu lze propojit aţ čtyři kontakty a jednu cívku v sérii v jedné linii, celkem aţ v 256 liniích. Na podsvíceném displeji lze zobrazit aţ 32 libovolných textů (po 64 znacích). Zobrazovány jsou ţádané hodnoty, datum, čas a skutečné hodnoty. Zadávání ţádaných hodnot na textovém displeji je velmi jednoduché. Komunikuje v češtině.

Siemens – základní jednotka LOGO! 0BA6 Má 38/43 integrovaných funkcí s hodinami reálného času, velikost programu 200 / 400 funkčních bloků, 8 digitálních vstupů a 4 digitální výstupy (verze 12/24 RC 4 AI). Je moţné rozšířeni aţ na 24 DI, 16 DO, 8 AI a 2 AO. Umoţňuje zobrazení procesních proměnných na displeji a jejich editace pomocí tlačítek. Zajišťuje zálohu dat v případě výpadku napájení. Software LOGO! Soft Comfort. Siemens LOGO!0BA7 Největší rozdíly mezi novou a staršími verzemi tvoří komunikační moţnosti.  Umoţňuje komunikaci s dalšími základními jednotkami LOGO!.  Rozšíření počtu I/O pro základní jednotku – jedno LOGO! obsahuje program a ostatní základní jednotky LOGO! mu poskytují pouze svoje vstupy a výstupy (maximálně propojeno 8 LOGO! 0BA7). Maximální počet I/O je následující: 88 DI, 80 DQ, 40 AI a 18 AQ.  Rozšíření paměti programu – kaţdé LOGO! Obsahuje svůj vlastní program a mezi sebou si vyměňují pouze určitá data. Maximálně lze propojit 8 x LOGO! 0BA7.  Umoţňuje komunikaci s vyšší řadou programovacích kontrolérů SIMATIC S7, vizualizačními panely SIMATIC HMI či OPC serverem.  Obsahuje celou řadu nových funkcí, které programátorovi zjednoduší práci. Mezi nové funkce patří například bloky pro zjištění maximální a minimální hodnoty v určitém časovém intervalu, stopky pro měření doby trvání libovolného procesu či astronomické hodiny. K ukládání procesních dat lze pouţít funkci Datového záznamu.  Je zajištěna plná kompatibilita základních jednotek se stávajícími rozšiřujícími moduly.  Tato skutečnost značně zjednodušuje přechod ze starších verzí na nové. Kompatibilita však není pouze hardwarová, ale do nové základní jednotky LOGO! 0BA7 je moţné beze změny nahrát projekt z jakékoliv starší verze LOGO.

35

AUTOMATIZACE Lovato Electric – Kinco  Napájecí napětí: 24 V DC nebo 100 aţ 240 V AC  10, 12 a 20 vstupů/výstupů na základních jednotkách, expanzní modely obsahují 4 vstupy/výstupy, jeho maximální konfigurace je 44 vstupů/výstupů.  Tepelný proud reléových výstupů je Ith 8 A pro verzi AC i DC.  Transistorové výstupy mají hodnotu 0,3 A, 24 V DC.  Jsou k dispozici analogové vstupy 0 aţ 10 V DC, standardně hodiny s reálným časem (RTC), sériový port RS-232 pro připojení počítače nebo zálohovací baterie programu, čtyřřádkový 12 znakový displej s podsvícením, programovací jazyk: liniové schéma (max. 200 řad) nebo funkční bloky (max. 99 bloků).

1.7.5 PLC systémy      

Programovatelný logický automat – PLC je malý průmyslový počítač pouţívaný pro automatizaci procesů v reálném čase – např. pro řízení strojů nebo výrobních linek v továrně. Pro PLC je charakteristické, ţe program se vykonává v tzv. cyklech. PLC automaty jsou odlišné od běţných počítačů nejen tím, ţe zpracovávají program cyklicky, ale i tím, ţe jejich periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení na technologické procesy. Převáţnou část periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy (DO). Pro další zpracování signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy (AI) a analogové výstupy (AO) pro zpracování spojitých signálů. S rozvojem automatizace v průmyslu jsou pouţívány i další moduly periferních jednotek připojitelných k PLC, které jsou nazývány funkčními moduly (FM), např. pro polohování, komunikačními procesory (CP) pro sběr a přenos dat a další specifické moduly.

Rozdělení Kompaktní systém – je takový systém, který v jednom modulu obsahuje CPU (Central Procesor Unit), digitální a analogové vstupy/výstupy a základní podporu komunikace, v některých případech i zdroj. Rozšiřitelnost kompaktních systémů je omezena. Modulární systém – je takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů. Celý systém PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů, funkčních modulů. Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity výstavby systému), a to v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.

36

AUTOMATIZACE

1.7.6 Mikrokontroléry S elektronikou se dnes setkáváme na kaţdém kroku. Díky pokročilé integraci není nutné pro kaţdou aplikaci vyvíjet vlastní zařízení, ale je výhodné z důvodů časových i finančních pouţít to, co je k dispozici na trhu. Seznámíme se se základními principy činnosti mikroprocesorů a ukáţeme si, jaké jsou jejich základní vlastnosti. Terminologie není jednoznačná. Můţeme se setkat s pojmy jednočipové mikropočítače, mikrokontroléry, mikrořadiče. Všechny tyto pojmy zahrnují elektronické součástky určené pro realizaci zařízení s minimálními nároky na zastavěný prostor, spotřebu elektrické energie a pouţití dalších součástek a obvodů. V ideálním případě vystačíme pouze s několika pasivními součástkami. Výrobou mikrokontrolérů se dnes zabývá celá řada renomovaných výrobců. Zmíníme pouze ty nejvýznamnější, jako jsou firmy ATMEL, MICROCHIP, HITACHI, INTEL atd.

1.7.6.1

Rozdělení

Pokud jde o vnitřní uspořádání, jedná se o Harvardskou architekturu s redukovanou instrukční sadou RISC. Harvardská architektura pouţívá oddělenou sběrnici pro paměť programu. Další sběrnice je společná pro paměť dat a další části mikrokontroléru – vstupně/výstupní porty, časovače, A/D a D/A převodníky, apod. Toto řešení umoţňuje překrývání činností uvnitř mikrokontroléru. V jednom okamţiku probíhá dokončení jedné instrukce, které vyţaduje komunikaci po sběrnici dat a současně uţ můţe probíhat čtení následující instrukce z paměti programu. Podle konkrétního pouţití můţeme volit 8 bitové aţ 32 bitové řešení. Mikrokontrolér PIC16F84A Mikrokontrolér PIC16F84A od firmy Microchip patří k těm nejjednodušším. Má 8 bitovou datovou sběrnici, dva porty a pouţívá sadu 35 jednoduchých instrukcí. Přesto vyhovuje ve spoustě aplikací.

Obr. 16 Blokové schéma PIC16F84A [1]

37

AUTOMATIZACE

Obr. 17 Blokové schéma V850/ME2 [2]

Mikrokontrolér V850/ME2 Mikrokontrolér V850/ME2 od firmy Hitachi naopak patří k těm nejvýkonnějším na současném trhu. Vnitřní architektura je 32 bitová a obsahuje bloky pro sériovou komunikaci, A/D převodník, obvody pro pulsně-šířkovou modulaci pro řízení motorů, interní čítače/časovače atd.

38

AUTOMATIZACE

1.7.6.2

Příklady realizací určených pro tzv. embedded systémy

Kit AT90USB Kit AT90USB od firmy Atmel má konektor pro programovací rozhraní JTAG a můţe komunikovat s počítačem přes standartní USB rozhraní. Je rozšiřitelný o 6 portů, na obrázku je porovnána jeho velikost s krabičkou zápalek.

Obr. 18 Kit AT90USB [3]

Raspberry Pi Raspberry Pi je jednodeskový počítač o velikosti zhruba platební karty. Vyvíjí ho britská nadace Raspberry Pi Foundantion s cílem podpořit výuku informatiky ve školách. Je řízen procesorem ARM pracujícím na kmitočtu 700 MHz. Vyrábí se ve dvou verzích, s 256 MB nebo 512 MB RWM. Nemá ţádné rozhraní pro připojení harddisku nebo SSD. Pro nastartování systému a trvalé uchování dat je určen slot na SD kartu. Pro Raspberry Pi vzniklo několik neoficiálních rozšiřujících desek, které umoţňují například komunikaci po RS232, řízení DC motoru, A/D a D/A převodník, výstupy s otevřeným kolektorem atd. Samotný výrobce nabízí k počítači jako operační systémy ARM verze linuxových distribucí Debian a Arch. Jeho výhodou, kromě malých rozměrů, je minimální spotřeba, cca 3,5 W, a proto je ideálním řešením pro nonstop běţící aplikace, jako je např. hostování webových stránek, provozování datových úloţišť, virtuálních sítí apod. Také zvládne přehrát video ve vysokém rozlišení.

39

AUTOMATIZACE

Obr. 19 Raspberry Pi [4]

Arduino Arduino je platforma zaloţená na mikrokontroleru ATMega od firmy Atmel a grafickém vývojovém prostředí. Arduino můţe být pouţito k vytváření samostatných interaktivních zapojení nebo můţe být připojeno k software na počítači. Jeho cílem bylo vytvořit jednoduchou prototypovací platformu pro studenty, která umoţní rychlý vývoj a jednoduché pouţívání. Pro své univerzální uplatnění je Arduino vyhledáváno především domácími kutily. Moţnosti jeho vyuţití jsou rozsáhlé. V České republice se začíná postupně rozšiřovat. Existuje několik elektronických obchodů, které dováţí jiţ hotovou desku, a vznikají i weby a články věnované právě Arduinu.

Obr. 20 Arduino [5]

40

AUTOMATIZACE

1.7.6.3

Praktické příklady použití mikrokontrolérů

Zabezpečení budov – je to rozsáhlá problematika zahrnující prostorová čidla pohybu, čidla rozbití oken nebo výloh, kouřová čidla, v některých případech čidla venkovních ţaluzií, GSM bránu, venkovní sirénu atd.

Zabezpečovací zařízení Základní funkce zabezpečovacího zařízení (ústředny) jsou:    

Odesílá informační SMS. Zavolá na nastavená čísla a přehraje akustické upozornění. Komunikuje s pultem centrální ochrany (PCO). Umoţňuje dálkový přístup z klávesnice telefonu.

Obr. 21 Klávesnice zabezpečovacího zařízení [6]

41

AUTOMATIZACE Programátor topení Programovatelné termostaty se skládají ze dvou částí – vysílače, který bývá umístěn v referenční místnosti, např. obývacím pokoji, a přijímače, který je v blízkosti ovládaného zdroje tepla, nejčastěji teplovodního kotle. Výhodou je bezdrátový přenos v pásmu 433 MHz.

Obr. 22 Programátor topení [7]

42

AUTOMATIZACE

1.7.7 Kontrolní otázky K čemu slouží stykač? Ke spínání proudu a napětí. V jakém regulačním systému je nutný zásah člověka? Při ručním řízení. Můžou programovatelná relé Siemens LOGO!0BA7 komunikovat mezi sebou Ano Na jakých kmitočtech pracuje programovatelný bezdrátový termostat? 433 Mhz Co je Modulární systém? Takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů. Celý systém PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů, funkčních modulů. Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity výstavby systému), a to v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.

43

AUTOMATIZACE

2

Příklady regulace a automatizace z praxe

Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes běţným vybavením domácností. Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků. Během jedné vsázky se několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá proces namáčení, ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se podle programu přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu. Teplota bývá nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé etapy praní. Druhým příkladem je rodinný dům. Člověk je od přírody velmi líný, a tak si často pokládá otázku. Co vše můţu udělat pro to, abych nemusel nic dělat, nebo jen s nejmenším úsilím? Proto si i my poloţíme otázku: Co vše můţeme v rodinném domě řídit, regulovat a automatizovat? Je toho hodně, vše záleţí na účelnosti, ekonomičnosti, pohodlnosti a finanční dostupnosti. Podle toho se rozhodneme, jaké stupně pouţijeme.

2.1 Automatická pračka Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes běţným vybavením domácností. Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků. Během jedné vsázky se několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá proces namáčení, ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se podle programu přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu. Teplota bývá nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé etapy praní.

Prací program Je řízen programátorem pomocí různých typů regulátorů a snímačů. Program můţe být řízen malým motorkem poháněným mechanickým vačkovým válcem s příslušnými kontakty nebo elektronicky mikroprocesorem. Programátor nám určuje, kdy má který proces nastat a co má sepnout.

Mechanický programátor Programátor si představme jako řadu spínačů, které jsou ovládány pomocí vaček a kulis. Kulisy jsou umístěny na motorku, který je zpřevodovaný a velmi pomalu otáčí vačkami a knoflíkem. Pomocí poměrně sloţitého systému spínačů jsou ovládány přímo elektrické části pračky (topné těleso, čerpadlo, motor, atd.).

Elektronický programátor Pro jednodušší a spolehlivější spínání elektrických částí pračky se začalo pouţívat elektronického spínání a řízení. Řízení elektronických spínačů je prováděno elektrickými 44

AUTOMATIZACE signály, coţ umoţňuje připojit další elektroniku, která můţe vyhodnocovat výsledky praní a podle jejich vyhodnocení řídit spínání elektrických částí pračky. Tím se zjednodušil programátor, který jiţ nemusí řídit všechny činnosti pračky, ale musí zajistit nastavení programu uţivatelem a podle toho řídí elektronickou část ovládání pračky. Kontakty programátoru jiţ nejsou namáhány proudem elektrických částí a jejich počet se sníţil. Elektronika zajišťuje funkce, které by byly pomocí řízení mechanickým programátorem nerealizovatelné. Také můţe dávat uţivateli na vědomí, co pračka právě dělá, jaké se vyskytly chyby a další údaje. I tento volič programů má často podobu otočného knoflíku, aby se zachovala kontinuita ve způsobu ovládání.

Obr. 23 Programátor topení. Je moţné volit několik úrovní hladiny vodní lázně v pracím prostoru. Úroveň hladiny je kontrolována tlakovým snímačem hladiny (presostavem), tlakový spínač je spojen s vanou pračky trubicí s oddělovací vzduchovou tlakovou komorou. Stoupne-li hladina lázně, vzroste i tlak ve snímači hladiny a příslušný kontakt se rozpojí.

Tlakový spínač Je vyuţit i jako ochrana před zapnutím topení, jestliţe ve vaně není dostatečné mnoţství vody. Všechny tyto informace se zároveň zpracovávají v mikroprocesoru, který celý program řídí. Řídí se i přívod vody v závislosti na elektrické vodivosti vodní lázně, která se měří pomocí tyčové norné elektrody. Se zvyšující se hladinou vody ve vaně klesá elektrický odpor mezi nádobou a elektrodou. Tím se mění potenciál v můstkovém obvodu tranzistorů v elektronickém obvodu pro řízení hladiny (obr. 22). V ţádané úrovni vypne spínací relé elektromagnetický ventil pro napouštění vody a zapne časování dalšího postupného programu. 45

AUTOMATIZACE

Obr. 24 Tlakový spínač.

Automatické vážení prádla Další funkcí můţe být automatické váţení prádla, které umoţňuje napouštět vodu podle mnoţství prádla. Pracuje na principu nasákavosti prádla. Pračka napouští nejniţší hladinu vody a k ní připouští vodu, která se nasákne do prádla. Díky přesnému presostatu je tak výsledné mnoţství vody skutečně závislé na mnoţství prádla a jeho nasákavosti.

Elektromagnetické ventily Přívod vody je řízen dvěma ventily a usměrňován ve volném prostoru rozdělovače do tří vstřikovacích komor, které jsou dalším potrubím spojeny s pracím prostorem. Tři napouštěcí cesty tak odlišují hlavní přívod vody od přívodu pro předepírání a od přívodu vody se změkčovacími prostředky. Spotřebu vody podstatně ovlivňuje přidávání změkčovacích prostředků. Vypouštění vody z pračky zajišťuje samostatné vypouštěcí čerpadlo s předřazeným sítovým filtrem.

46

AUTOMATIZACE

Obr. 25 Elektromagnetické ventily.

Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky je na následujícím obrázku. Vytápění lázně je řízeno kapilárním termostatem, bimetalovým spínačem nebo elektronickým regulačním členem. Pračky bez nastavitelného termostatu mají určenu teplotu prací lázně podle nastaveného programu. Nastavitelný termostat přináší moţnost sníţit prací teplotu i u programů, které by jinak probíhaly při zbytečně vysokých teplotách a tím ušetřit elektrickou energii. Pokud na termostatu nastavíme teplotu vyšší, neţ umoţňuje program, bude nastavení termostatu ignorováno.

47

AUTOMATIZACE

Obr. 26 Zjednodušené schéma pračky

48

PBC – deska plošného spoje FA – odrušovač Switch – vypínač M – motor MR – dveřní zámek NTC – teplotní čidlo EVP, EVF – přívodní ventil P – tlakový spínač R – topné těleso B1 – vypouštěcí čerpadlo

AUTOMATIZACE

2.2 Inteligentní dům DŮLEŽITÉ Inteligentní dům je takový dům, jehoţ řídící systém sjednocuje všechny inteligentní technologie a je zaloţen na jednotné síťové infrastruktuře a systému řízení. Takový dům je vybaven počítačovými a komunikačními jednotkami, které na základě vyhodnocení situace ovládají funkce domu podle předdefinovaných potřeb obyvatel. Centrální počítač Inteligentního domu dokáže ovládat mnoho funkcí             

Multimediální domácí zábava. Připojení k internetu. Osvětlení. Elektronická ostraha objektu s kamerovým a poplašným systémem. Zabezpečení domu při poţáru, úniku plynu, zaplavení. Řízená správa energií přinášející energetické úspory aţ 40% (koordinované ovládání vzduchotechniky, vytápění, klimatizace, chlazení, větrání, zastínění, ohřev vod. Ovládání domácích elektrických spotřebičů (například spouštění určitých spotřebičů podle předem nastaveného načasování). Kontrola stavu a mnoţství potravin v lednici, objednávka chybějících potravin. Zavlaţování zahrady. Identifikace a odstraňování jednotlivých poruch Prostřednictvím telefonu nebo internetu je moţné mít přehled o všem, co se v domě děje, i tisíce kilometrů od domu a zároveň všechna zařízení ovládat např. přes plochu monitoru prostoru. Systém je natolik inteligentní, ţe dokáţe rozpoznat venkovní povětrnostní podmínky. Dokáţe vyhodnotit situaci a podle toho nejvhodnější formou přizpůsobit „chování“ domu tak, aby vyuţití energie bylo co nejefektivnější a nedocházelo ke zbytečným výkyvům a energetickým ztrátám.

2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů ZAPAMATUJ SI Regulace kamen, krbů a kotlů na tuhá paliva je problematická. Výkon můţeme regulovat pouze omezením přístupu vzduchu, a tím omezíme hoření. Omezením přístupu vzduchu sníţíme také účinnost. Automatická regulace hoření pro teplovzdušné krby a kamna je automatické nastavení spalovacího procesu tím, ţe řídí tok vzduchu k ohništi krbu. Díky moţnosti řídit proudění vzduchu do ohniště, šetří palivo. Na základě informací o průběhu kontroly hoření řídí vzduchovou klapku a udrţuje tak poţadovanou teplotu spalování. Tím se prodluţuje doba mezi přikládáním paliva do krbu.

49

AUTOMATIZACE

Obr. 27 Kotel s vzduchovou klapkou.

Obr. 28 Vzduchová klapka.

Automatizace malých kotlů je prakticky moţná jen u kotlů na peletky, kde dopravníkem ze zásobníku dopravujeme peletky do kotle. Mnoţstvím můţeme částečně regulovat i výkon kotle. Regulace kotlů na plyn a tekutá paliva je možná v širokém rozsahu. Automatizace kotlů na plyn a tekutá paliva je moţná v širokém rozsahu. Kotle na plyn a tekutá paliva vyţadují pouze uvedení do provozu, kontrolu a údrţbu. Nepotřebují zásah člověka. Pouze u propan – butanu nebo u tekutých paliv vyţadují doplňování zásobníků. Pro nejjednodušší a nejlepší regulaci se hodí elektrické přímotopy. Mají nejjednodušší instalaci. Regulovat se dá teplota v kaţdé místnosti samostatně. Nevýhoda je, ţe se jedná o nejdraţší typ vytápění.

2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD Regulační kohouty Starší soustavy obsahující pouze regulační kohouty škrtí průtok otopného média do otopného tělesa. Regulační kohouty ovšem automaticky neregulují vytápění v daném prostoru. Vyvinuté teplo je, i v případě přetopení prostoru, neustále vydávané z otopného tělesa. Uţivatel musí ventil ručně přivřít. Kdyţ je v daném prostoru teplota niţší, uţivatel opět musí ventil pootevřít, aby se teplo vydávané zdrojem vytápění prostřednictvím otopného tělesa dostalo do prostoru. Tímto způsobem nelze zajistit ani rovnoměrné, ani hospodárné vytápění.

Termostatické ventily Udrţují teplotu vzduchu v místnosti na zvolené hodnotě nastavené na hlavici uţivatelem bytu bez nutnosti uţivatele věnovat topení pozornost. Jak termostatické ventily vlastně fungují? Tělesa termostatických ventilů se skládají z těla ventilu a vloţky (obsahující kuţelku) termostatického ventilu. Vloţka termostatického ventilu je umístěna uvnitř těla

50

AUTOMATIZACE ventilu. Skrze těleso termostatického ventilu protéká otopné médium. To, kolik protéká otopného média termostatickým ventilem, určuje zdvih kuţelky termostatického ventilu. Tento zdvih je řízen pomocí termostatické hlavice.

Termostatické hlavice Pracují na principu tepelné dilatace kapaliny, plynu, nebo pevné látky. Vlivem zvyšující se teploty prostředí okolo termostatické hlavice dochází k roztahování teplotně citlivé látky. Teplotně citlivá látka je obsaţena v řídicím snímači, který je zabudován v termostatické hlavici. Roztahování teplotně citlivé látky působí na vřeteno kuţelky termostatického ventilu, a tím dochází k uzavírání či otevírání průtoku média. Nastavení poţadované teploty, otočením termostatické hlavice na odpovídající hodnotu, provádí uţivatel. Další regulace prostorové teploty je pak prováděna automaticky bez ohledu na přítomnost uţivatele v bytě. Podle potřeby přivírá nebo otevírá přívod teplonosného média do otopného tělesa. Nevýhodou je pevně daná teplota, nezávislá na čase. Pokud odcházíme z domu a ztlumíme topení, vrátíme se do chladného prostředí.

Obr. 29 Řez termostatickým ventilem.

Obr. 30 Ventil bez kuželky.

Obr. 31 Rozložený kompletní ventil s termostatickou hlavicí.

51

AUTOMATIZACE Termostaty Jejich pomocí můţeme ovládat zapínání a vypínání elektrických i plynových kotlů, přímotopných panelů, troj a čtyřcestné ventily, čerpadla kotlů, či ventily pro jednotlivé tepelné okruhy. Pokojové termostaty Slouţí k jednoduché a spolehlivé regulaci teploty v místnosti. 

Mechanické – jejich hlavní výhodou je jednoduchá obsluha a provoz bez nároku na napájení. Velké kolečko s jasnou stupnicí umoţňuje jednoduché nastavení teploty.



Elektronické termostaty - zobrazují teplotu na LCD displeji a můţou být napájené ze sítě, nebo pomocí baterií.

Obr. 32 Různé druhy mechanických termostatů. Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním programem mají přehledný displej. Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých teplot během dne.

Obr. 33 Různé druhy pokojových programovatelných termostatů.

52

AUTOMATIZACE

2.2.3 Ventily zónové a směšovací Téměř kaţdý moderní systém vytápění s více zdroji energie a více otopnými okruhy se neobejde bez zónových a směšovacích ventilů, které umoţňují komfortní a bezobsluţné vytápění s důrazem na maximální úspory energií.

Obr. 34 Ovládání všech otopných okruhů. Zónové ventily Slouţí k řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo chladicích systémů, rozvodů vody apod.). Rozdělují se na dvoucestné a třícestné. Dvoucestné mají za úkol pouze zavírat nebo otevírat jednotlivé hydraulické okruhy, třícestné se někdy také označují jako „hydraulické výhybky“, coţ přesně popisuje jejich činnost – z jednoho společného vstupu směřují průtok do jednoho z dalších dvou výstupů podle toho, zda jsou sepnuty nebo vypnuty. Zónové ventily se dále dělí podle pouţití, maximálních a uzavíracích tlaků, teplot a typů kapalin, typů elektrických pohonů a bezpečnostních funkcí.

53

AUTOMATIZACE

Obr. 35 Různé druhy elektricky ovládaných ventilů.

Směšovací ventily Slouţí ke směšování dvou kapalin o různé teplotě v takovém poměru, aby byla z ventilu docílena konkrétní poţadovaná výstupní teplota. Rozdělují se na třícestné a čtyřcestné. Třícestné ventily směšují ze dvou přívodů do jednoho výstupu, směšováním tedy sniţují nebo zvyšují průtok v jednotlivých přívodech. Typické pouţití těchto ventilů je pro směšování otopné vody do otopných okruhů (podlahové, stěnové vytápění, otopná tělesa), nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva pro zamezení nízkoteplotní koroze. Tam, kde je nutné zajistit konstantní neškrcený průtok i na přívodu do směšovacího ventilu, je nutné pouţít čtyřcestný směšovací ventil, který zajišťuje směšování na poţadovanou teplotu při zachování průtoků na obou stranách ventilu. Typickým příkladem vyuţití je směšování za plynovým kotlem, ve kterém je nutné zachovat průtok otopné vody, nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva.

Obr.36 Různé druhy směšovacích ventilů.

54

AUTOMATIZACE

2.3 Kontrolní otázky KONTROLNÍ OTÁZKY Jak dělíme Pokojové termostaty?  Mechanické  Elektronické termostaty Lze mechanickými termostaty nastavovat čas sepnutí? Ne. Co nám umožňují Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním programem? Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých teplot během dne. K čemu slouží zónové ventily? K řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo chladicích systémů, rozvodů vody apod.). Vyjmenuj výhody vytápění elektrickými přímotopy.  Nejjednodušší regulace.  Nejjednodušší instalace.  Regulovat lze teplotu v kaţdé místnosti samostatně.

55

AUTOMATIZACE

Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

20. 21. 22. 23.

24.

25. 26. 27. 28. 29.

56

Ing. Vavřiňák P, ing. Anna Řehová., Automatizace, [online]. [cit.15.července 2013]. Dostupný z http://www.ssenajizdarne.cz/dokumenty/studijni_materialy/automatizace.pdf Ing. Kovář j. a kol., PLC – hardware – LYT, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný z http://www.spszl.cz/soubory/plc/plc_hardware_lyt.pdf Akční členy, [online]. [cit.16.července 2013]. Dostupný z http://www.eautomatizace.cz/ebooks/ridici_systemy_akcni_cleny/Akc_el.html Coptel, Regulační technika základní pojmy, úvod do předmětu, [online]. [cit.22. března2013]. Dost upný z http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=18785&revision=-1&instance=2 Bydlet, [online]. [cit.16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.bydlet.cz/161292-inteligentni-dum-dum-ktery-se-postara-o-vas-i-sam-o-sebe-i-cast/ VUES, elektrické stroje a pohony, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný z http://www.vues.cz/file/429/CZ_SM250-400__091013.PDF Ing. Kocman, Synchronni stroje, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný z http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_synchronni_stroje_bc.pdf EUROLINE BOHEMIA s.r.o - Inteligentní domy - [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.euroline.cz/cz/projekty/rodinne-domy/inteligentny-dum.html Rescom s. r. o. - Inteligentní domy - úsporné a chytré řešení pro každého [online]. [cit.16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.rescomid.cz/cz/inteligentni-domy Elektrobock , Inteligentní dům, [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.elektrobock.cz/cs/inteligentni-dum/text.html?id=34 Regulus, Termostatické ventily, [online]. [cit.22.února 2013]. Dostupný z http://www.regulus.cz/cz /termostaticke-ventily-a-regulace-pro-kotle-na-tuha-paliva Měření a regulace - [online]. [cit. .22.února 2013]. Dostupný z http://vytapeni.tzb-info.cz/merenia-regulace Thermona, Pokojové regulátory teploty - přehled trhu, [online]. [cit. 22.února 2013]. Dostupný z http://www.thermona.cz/plynula-usporna-regulace Heimier, Třícestný směšovací ventil [online]. [cit. 25.února 2013]. Dostupný z http://kamna.astranet.cz/shops/3790/navody/Heimeier-ventil-in2-out1.pdf Regomat, Ventily zónové a směšovací, [online]. [cit. 25.února 2013]. http://www.regulus.cz/cz/ventily-zonove-a-smesovaci Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat ROSS, Obory činnosti, Elektroinstalace, Automatizace, ASŘ a MaR, [online]. [cit.14. prosince 2013]. Dostupný z http://www.ross.cz/Automatizace-ASR-a-MaR/Automatizace-ASR-a-MaR/sc-54sr-1-a-164/default.aspx Wikipedie, Automatizace, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z http://cs.wikipedia.org/wiki/Automatizace Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení OMRON, Programovatelné relé ELC-12DC-DA-R, [online]. [cit.15. listopadu 2012]. Dostupný z http://industrial.omron.cz/cs/products/catalogue/control_components/programmable_relays/zen_20c/defa ult.html/ Moeller, Základní přístroj řady EASY 500: EASY512 AC RC, 115/240VAC, 8/4 R [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z http://automatizace.hw.cz/programovatelna-ridici-rele-plc-moellereasy500-700-800. online/6.12.2012 Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení Akční členy: [cit. 15.7. 2013]. Dostupný z http://kteiv.upol.cz/uploads/soubory/serafin/mechatronika/akcni-cleny.ppt RCdidactic systems Výukový systém RC 2000-µLAB Regulační technika

AUTOMATIZACE

Obrázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Bokumentace firmy Microchip Dokumentace firmy Hitachi Vlastní fotografie http://cs.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi (dostupné online) http://cs.wikipedia.org/wiki/Arduino (dostupné online) Vlastní fotografie http://www.top-termostat.cz (dostupné online)

57

AUTOMATIZACE

Slovník pojmů Analogový vstup Vstupní veličina se mění spojitě a můţe nabývat libovolných hodnot v rámci daných mezí. Digitální výstup Výstupní veličina, u nichţ daná hodnota můţe nabývat několika definovaných stavů. Prakticky se jedná o „sepnuto a vypnuto“. Hydromotor, hydromotory Zařízení slouţící k přeměně kinetické a tlakové energie kapaliny na mechanickou energii posuvného pohybu (u přímočarých hydromotorů) nebo rotačního pohybu (u rotačních a kývavých hydromotorů) poháněné součásti. Transformátorový plech, transformátorové plechy (Elektrotechnické) plechy se vyrábí z křemíkové oceli o tloušťce 0,35 a 0,5 mm. Jsou alespoň jednostranně izolované. V minulosti se plechy izolovaly olepením papírem. Moderní plechy se izolují pokrytím fosfátovou vrstvou. Mikrokontrolér, mikrokontroléru Jednočipový mikropočítač vhodný pro vyuţití v řízení. Kromě vstupních a výstupních obvodů jsou v něm integrovány i mnohé další obvody – např. analogově-digitální nebo digitálně-analogový převodník, čítač, časovač, komparátor, synchronní sériový port, USB, PWM (pulsně-šířkový modulátor), EEPROM a další. Díky tomu, ţe jsou tyto obvody v mikrokontroléru jiţ integrovány, není potřeba je realizovat externě, a proto mikrokontrolér často disponuje méně výstupy, díky čemuţ můţe být jeho pouzdro menší a levnější. Mikrokontroléry se obvykle pouţívají pro tzv. vestavné (embedded) aplikace, tj. jsou součástí nějakého dalšího zařízení, kde plní nějakou specifickou funkci. Elektromagnetický ventil, elektromagnetické ventily Jsou důleţitými řídicími členy regulačních obvodů a obvodů či systémů v automatizaci. Jsou to součásti, které na základě vnějšího elektrického signálu ovládají přívod plynných a kapalných médií k dalším prvkům a zařízením. Jsou ovládány pomocí elektromagnetu. Tyto akční členy pracují dvoupolohově a jsou vyráběny v provedení „v klidu uzavřen“ i „v klidu otevřen“. Konstrukční provedení elektromagnetických ventilů určuje jejich vlastnosti a technické parametry – ovládací napětí, připojovací rozměry, druh média, pracovní tlak, průtok, teplotní rozsah, rychlost odezvy, velikost a v neposlední řadě ţivotnost. Peletky Granulát materiálu rostlinného původu z tzv. biomasy. Biomasa Souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i ţivočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu vyuţitelnou pro energetické účely

58

AUTOMATIZACE Termostat, termostaty Technické zařízení, které v určitém více méně uzavřeném prostoru udrţuje stálou teplotu. Výstup z termostatu můţe ovládat vytápění nebo naopak klimatizaci. Hallovo napětí Vloţíme-li vodivou destičku tloušťky, kterou protéká řídící elektrický proud, do magnetického pole s magnetickou indukcí, kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru, kolmém na směr proudu a zároveň na směr magnetického pole změříme potenciálový rozdíl. Následkem Hallova jevu vzniká Hallovo napětí. Akční veličina, akční veličiny Výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované soustavy. Regulovaná soustava, regulované soustavy Zařízení, na kterém se provádí regulace. Regulace Udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této veličiny zjištěných měřením. Je ruční a automatická. Přechodová charakteristika, přechodové charakteristiky Reakce výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku. Tlakový spínač, tlakové spínače Přístroj pro kontrolu a řízení tlaku. Pouţívá se v regulačních obvodech, nebo jako bezpečnostní prvky v systémech řízení. Kompatibilita V běţné řeči označuje míru, v jaké se dvě myšlenky, projekty, osoby atd. „snášejí“ čili dají kombinovat. V počítačové technice: Schopnost různých zařízení pracovat dohromady. Míra funkční shody dvou zařízení, například počítačů. Kompatibilní jsou dvě zařízení, které lze ve větší nebo menší míře zaměnit, protoţe mají stejná rozhraní, protokoly, instrukční kódy a podobně.

59