Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
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
Přednášky: úterý 14:00-15:50 BII Doc. Ing. Karel Kadlec, CSc. budova B, m.č. 225,
[email protected]
Doc. Ing. Miloš Kmínek, CSc. budova A, m.č. 322,
[email protected]
Ing. Ladislav Fišer, Ph.D. budova B, m.č. 216,
[email protected]
Ing. Iva Nachtigalová, Ph.D. budova A, m.č. 330c,
[email protected]
Pracovní texty k přednáškám na internetu: http://uprt.vscht.cz/ucebnice/MRT/predn/F0-txt-Bc.htm
1
Laboratoř měřicí a řídicí techniky 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 Turnusy a pracovní skupiny: • I. turnus: středa 8:00 – 10:50 (přednostně ININ), II. turnus: 11:00 – 13:50 • pracovní skupiny dvoučlenné • zápis a rozpis do turnusů a skupin v laboratoři MŘT: – úterý 17.2. 13:15-13:55 a 15:45-16:00 zahájení laboratoří: ve středu 25. 2. 2009 • 9 týdnů po 3 hodinách
Práce v laboratořích: 1. 2.-5. 6.-8. 9.
zpracování dat tabulkovým procesorem EXCEL měření technologických veličin modelování a simulace (PSI) regulační obvod
Vedoucí laboratoří: Ing. Jiří Macháč, CSc. budova B, m.č. 306,
[email protected]
2
Účel předmětu • poskytnout základní znalosti z oboru automatického řízení technologických procesů • připravit inženýra - technologa pro účelnou spolupráci s odborníkem pro měření a regulaci
Úkoly 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, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Úkoly provozního měření: • získání informací pro řízení procesu • kontrola kvality 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
Úkoly řízení: • automatické najíždění a odstavování procesu • stabilizace parametrů procesu • optimalizace procesu • zabezpečení při havarijních stavech • umožnění zásahu operátora • návaznost na vyšší úroveň řízení 6
Technické prostředky • Pro získání a přenos informací o procesu: – analogové měřicí přístroje – číslicové měřicí přístroje – inteligentní měřicí převodníky – počítačem podporovaný měřicí systém • Pro řízení procesu: – klasické regulátory – logické obvody a programovatelné logické automaty – řídicí počítače 7
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.2
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Probíraná témata: • skladba regulačního obvodu • měření technologických veličin • popis vlastností řízených systémů (modelování a simulace) • samočinná regulace • logické řízení • řízení počítačem • informační a řídicí počítačové systémy 8
Základní pojmy 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, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Zásady kreslení blokových schémat
u
y
u - veličina vstupní
y - 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 fyzikální veličinou, jejíž hodnota je informačním parametrem signálu • při průchodu obvodem signál může měnit svou fyzikální podstatu; přenášená informace však zůstává zachována
12
Pravidla pro rozvětvení a součet signálů Rozvětvení signálu x
x
Součet a rozdíl signálu
x1
y
x1
y
–
x x2
x2
y = x1 + x2
y = x1 - x2 13
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.4
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Základní pojmy • veličina regulovaná – y (regulovaná proměnná)
– je výstupní veličinou soustavy – její okamžitou hodnotu v měřicím místě zjišťuje čidlo regulátoru
• veličina řídicí – w
(referenční proměnná) – její hodnota určuje požadovanou hodnotu veličiny regulované
• veličina poruchová - z – každá veličina, jejíž změna způsobí změnu regulované veličiny – může působit na kterýkoli člen regulačního obvodu nejčastěji na regulovanou soustavu
14
• regulační odchylka - e – rozdíl mezi požadovanou a okamžitou hodnotou regulované veličiny (e = w - y) – 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
z1 z2
y
regulovaná soustava
akční člen
měřicí člen ústřední člen regulátoru
–
e
w
Cíl regulace • odstranit (minimalizovat) regulační odchylku 16
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.5
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Řízení • je působení řídicího členu na řízený člen • společný název pro ovládání a regulaci
Ovládání • řízení s otevřenou smyčkou • řízení bez zpětné kontroly měřením
Regulace • udržování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a podle měřených hodnot regulované veličiny • regulační obvod se zápornou zpětnou vazbou 17
Značky 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 poloviny značky se píše písmenný kód • do dolní poloviny identifikační číslo 18
Písmenný kód • druh sledované veličiny – symbol pro název veličiny: např. T (teplota), P (tlak), F (průtok), L (hladina), Q (složení, koncentrace), K (čas) . . . – přídavná písmena d (rozdíl) nebo f (poměr)
• způsob zpracování informace – – – – – –
H ukazování - I TRC LITA zapisování - R 053 053 regulace - C vysílání - T integrace, sumace - Q signalizace - A rozlišení signalizace (vyznačuje se vedle značky) » maximum - H » minimum - L
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.6
19
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Tabulka písmenného kódu podle ČSN ISO 3511-1 Písmeno
Měřená nebo řízená veličina
Příd.písmeno
Zobrazovací nebo výstupní funkce
A
Signalizace
B
Indikace stavu (chod motoru) Regulace
C D
Hustota
E
Elektrické veličiny *
Rozdíl
F G
Průtok Měření, poloha, délka
H
Ruční ovládání
Čidlo, snímač Poměr
Ukazování
I
Snímání
J K
Čas, časový program
L
Hladina
M
Vlhkost
Poznámky:
Přídavná písmena se píší malá * Je nutno doplnit vysvětlení jaká veličina se měří.
20
Tabulka písmenného kódu - pokračování Písmeno
Měřená nebo řízená veličina
Příd.písmeno
Zobrazovací nebo výstupní funkce
N
Volitelná uživatelem *
O
Volitelná uživatelem *
P
Tlak
Q R
Kvalita, analýza Radioaktivní záření
S
Rychlost, frekvence
Spínání
T U
Teplota Několik veličin
Vysílání Vícefunkční jednotka Ventil, akční člen, korekční člen
Zkušební přípojka
V
Viskozita
W
Tíhová síla, síla
X
Ostatní veličiny * Volitelná uživatelem *
Y
Volitelná uživatelem
Sečítání
Integrování, sumace Zapisování
Jiné funkce (např. zobrazení) Matematický člen, relé Nouzová, zabezpečovací funkce
Z Poznámky:
Přídavná písmena se píší malá * Je nutno doplnit vysvětlení jaká veličina se měří Písmena v písmenném kódu se píší v pořadí: I R C T Q S Z A
21
Značky . . . - 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, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Značky . . . - pokračování Chování akčního členu při výpadku pomocné energie:
a
b
a - akční člen zavírá b - zůstává v dosažené poloze c - otvírá
c
Signální vedení - přiřazení akčního členu k přístroji: přeškrtávanou tenkou čárou: alternativně i tenkou plnou čárou: šipkou je možno vyznačit směr toku informace: 23
Příklad:
Zápis a regulace průtoku v potrubí
FRC 051
24
Zařízení: Nádrž opatřená dvěma přítoky (Q1 a Q2) a jedním odtokem (Q3)
Příklad použití značek v technologickém schématu Požadavky na měření a řízení: •regulace hladiny v nádrži a signalizace maxima •ukazování a zápis teploty prvního přítoku •registrace a integrace průtoku v druhém přítoku •ukazování a regulace pH v nádrži
TIR 052
přítok Q1 H LCA 051
QIC 054
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
FRQ 053
přítok Q2
pH
odtok Q3 .8
25
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
přítok Q2
Souvislost mezi schématem technologickým a blokovým:
Q1 Q2 Q3
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
přítok Q1 hladina hladina žádaná hž h LC 05
soustava
odtok Q3
h
(nádrž)
Je třeba rozlišovat: • směr toku signálu • směr toku hmoty
snímač h
akční člen (ventil)
– regulátor
hž hž - h
26
konc. roztok c1, Q1
Příprava slaného nálevu ve směšovací nádrži
M
voda Q2
Do nádrže se přivádí: • koncentrovaný roztok soli • ředicí voda Výsledný produkt: • nálev o žádané koncentraci c - koncentrace [kg.m-3] Q - průtok [m3.s-1]
Q2 c1
nálev c3, Q3
QC
cž žádaná koncentrace
c3
soustava (nádrž)
01
Q1
– regulátor
cž cž - c3
27
Ohřev vody ve výměníku Zadání: • ve výměníku se topí parou (průtok Qp) • studená voda má teplotu Tv a průtok Qv • teplá voda má teplotu Tt • úkoly: – udržovat žádanou teplotu Tž – udržovat konstantní průtok Qž T - teplota [K] Q - průtok [m3.s-1]
• dva regulační obvody • dvě bloková schémata
TC 01
topná pára Qp
žádaná teplota Tž
teplá voda Tt FC
studená voda Qv, Tv
02
žádaný průtok Qž
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
kondenzát
.9
28
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Základní značky pro funkce řídicích počítačů ČSN ISO 3511- 4 • základní značka pro funkce zajišťované řídicím počítačem • šestiúhelník, vzdálenost
rovnoběžných stran asi 10 mm • do značky se píše písmenný kód vyjadřující měřenou veličinu a funkci přístroje • do dolní poloviny je možno vepsat H TRA identifikační číslo
053
• vodorovnou čarou se vyznačují styčné prostředky operátora v dozorně TC 053
• dotýkajícími se značkami se znázorňuje funkční vazba řízení teploty počítačem, ukazování v dozorně
TI 054
29
Měření a řízení s podporou počítače • • • •
regulace a zapisování koncentrace počítačem, ukazování v dozorně ovládání regulačního ventilu a zobrazování polohy počítačem zapisování průtoku a proteklého množství koncentrátu počítačem ovládání motoru míchadla a měření frekvence otáčení počítačem O 06
SI 07
koncentrát
voda
M O 03
FRQ 05
GB 04
nálev Vysvětlivka:
O – ovládání akčního členu
QI
QRC 01
Vodivost
02
30
Shrnutí: Skladba a veličiny regulačního obvodu z1 z2
soustava
y
v
– regulátor
w e
Chování regulačního obvodu (regulační pochod) • závisí na vlastnostech jednotlivých bloků • regulační pochod představuje dynamické chování celého obvodu
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.10
31
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Analýza regulačního obvodu Popis vlastností jednotlivých bloků • statické vlastnosti • dynamické vlastnosti Ustálený stav a přechodový děj • Ustálený stav – vstupní a výstupní veličiny jsou ustálené (časově neproměnné)
• Přechodový děj – změna vstupní veličiny vyvolá změnu výstupní veličiny – výstupní veličina se mění s časem
32
Měřicí člen jako součást regulačního obvodu z
ys
regulovaná soustava
u
ys = x
akční člen
měřicí člen y
v ústřední člen regulátoru e=w-y
–
w
porovnávací člen 33
Skladba měřicího řetězce x
snímač
převodník
vyhodnocovací zařízení
x - měřená veličina
y
y - výstupní údaj
• snímač (senzor) – vstupní blok měřicího řetězce – je v přímém styku s měřeným objektem – primární zdroj informace, snímá sledovanou veličinu a transformuje na měřicí veličinu (nejčastěji na elektrickou) – pojmy: snímač, senzor, čidlo
• převodník – transformuje měřicí veličinu obvykle na unifikovaný signál
• vyhodnocovací zařízení – koncový blok řetězce, – výstupem je indikace, zápis, signál pro vstup regulátoru 1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.11
34
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Vliv ovlivňujících veličin na měřicí zařízení
x
zi
zi
zi
snímač
převodník
vyhodnocovací zařízení
x - měřená veličina
y
y - výstupní údaj
zi - ovlivňující (poruchové) veličiny Ovlivňující veličiny – – – –
ovlivňují výstupní signál nejsou předmětem měření jejich vliv je nutno minimalizovat vliv na výstupní údaj se vyjadřuje pro každou ovlivňující veličinu zvlášť
35
Druhy signálů • podle průběhu informačního parametru – anlogové: IPmin.≤ IP ≤ IPmax. – diskrétní: IP1< IP2< . . < IP < . . < IPn • 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 veličiny je přiřazena určitá hodnota jiné fyzikální veličiny s analogickým průběhem závislosti signálu
• číslicové – poskytují diskrétní výstupní signál – udávají měřenou veličinu číselně násobkem základního kvanta signálu
37
1-FCHI09-Uv_ozn.doc
.12
K. Kadlec, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
Blokové schéma číslicového měřicího přístroje x
měřicí obvod, zesilovač
senzor
zpracování číslicového signálu
x - měřená veličina
A/D převodník
displej
yD
yD - 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
A/D
převodník
paměť RAM
baterie
D/A převodník
rozhraní
unifikovaný analogový signál
komunikace např. s PC
displej zesilovač klávesnice senzor měřená veličina
zásahy operátora
například pro zapisovač
například RS232, USB 39
Přednosti přístrojů řízených mikroprocesorem • konfigurace vlastností přístroje podle požadavků uživatele • možnost připojení několika druhů senzorů • možnost úpravy statické charakteristiky (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, 11.2.2009
Měřicí a řídicí technika pro 2. roč. ININ a 3.roč. PINIM a TEFAC na FCHI
Virtuální měřicí přístroj x
úprava signálu
snímač
Základní pojmy, označování. Měřicí řetězec.
programové vybavení
měřicí karta
PC
analýza a zpracování dat
zobrazení dat
přenos dat zpět do měřené soustavy
do nadřazeného systému
41
Virtuální instrumentace • měřicí systém vzniká podle požadavků uživatele • pro realizaci měřicího systému je zapotřebí HW-podporu (snímače měřených veličin, vhodné stykové měřicí karty do počítače, případně akční členy) • využívá se vhodného softwaru (např. vývojové prostředí, které je založeno na grafickém programování) • konečnou formou je pak panel měřicího systému na monitoru počítače a příslušný vývojový diagram
42
Ukázka grafického programování v Lab VIEW Příklad panelu a blokového schématu • měření teploty, analogový údaj a signalizace překročení meze
ikona/konektor
přední panel 1-FCHI09-Uv_ozn.doc
blokové schéma .14
43
K. Kadlec, 11.2.2009