MĚŘICÍ A ŘÍDICÍ TECHNIKA
Náplň dnešní přednášky:
pro posluchače 1. ročníku magisterského studia FTOP
• Účel předmětu Měřicí a řídicí technika
Výuku zajišťují: ÚSTAV FYZIKY A MĚŘICÍ TECHNIKY ÚSTAV POČÍTAČOVÉ A ŘÍDICÍ TECHNIKY
• Úkoly měření a řízení v technické praxi • Základní pojmy z měření a regulace • Označování měřicích a řídicích obvodů
Přednášky: Ing. Ladislav Fišer, Ph. D.
– v blokových schématech – v technologických schématech
budova B, m.č. 307a
Ing. Iva Nachtigalová, Ph. D. budova A, m.č. 330C 1
3
Účel předmětu
Úkoly provozního měření:
• poskytnout základní znalosti z oboru automatického řízení technologických procesů
• získání informací pro řízení procesu
• připravit inženýra - technologa pro účelnou spolupráci s odborníkem pro měření a regulaci
• kontrola kvality surovin, produktů či meziproduktů • provozní bilanční měření
Úkoly měření a řízení (obecně):
• informace pro zajištění spolehlivé funkce zařízení a bezpečnosti provozu
• získání informací o procesu • přenos a zpracování informací
• shromažďování informací pro analýzu procesu (např. analýza příčin havárie)
• řízení procesu – cílevědomé působení na řízený objekt 4
5
Úkoly řízení:
Technické prostředky
• automatické najíždění a odstavování procesu
• Pro získání a přenos informací o procesu: – analogové měřicí přístroje – číslicové měřicí přístroje – inteligentní měřicí převodníky – počítačem podporovaný měřicí systém
• stabilizace parametrů procesu • optimalizace procesu • zabezpečení při havarijních stavech
• Pro řízení procesu: – klasické regulátory – logické obvody a programovatelné logické automaty – řídicí počítače
• umožnění zásahu operátora • návaznost na vyšší úroveň řízení 6
7
1
Probíraná témata:
Probíraná témata:
• úvod (termíny, zvyklosti, symbolika)
• popis vlastností řízených systémů
• měření technologických veličin
• modelování a simulace
– skladba měřicího řetězce
• samočinná regulace
– měření tlaku
• logické řízení
– měření teploty
• řízení počítačem
– měření průtoku
• informační a řídicí počítačové systémy
– měření hladiny – měření koncentrace
8
9
Základní pojmy z měření a regulace
Blokové schéma regulačního obvodu
• Regulační obvod • regulovaná soustava • regulátor
regulovaná soustava
• Regulovaná soustava
_
– zařízení, ve kterém probíhá technologický proces – zařízení, na kterém se provádí regulace
regulátor
• Regulátor – zařízení, které uskutečňuje regulaci 10
11
Signál
Zásady kreslení blokových schémat
• je nositelem informace
u
y
• reprezentuje nehmotnou zprávu šířící se obvodem • je představován určitou fyzikální veličinou, jejíž hodnota je informačním parametrem signálu
u - veličina vstupní
• při průchodu obvodem signál může měnit svou fyzikální podstatu; přenášená informace však zůstává zachována
y - veličina výstupní
• nositelem informace je signál • signál se šíří jednosměrně - směr šíření označuje šipka
Př 12
13
2
Blokové schéma regulačního obvodu Pravidla pro rozvětvení a součet signálů Rozvětvení signálu
Součet a rozdíl signálu v
x
x
x1
y
x1
z1 z2
akční člen
y
–
x x2
x2
y = x1 + x2
y = x1 - x2
y
regulovaná soustava
měřicí člen ústřední člen regulátoru
e
–
w
Cíl regulace • odstranit (minimalizovat) regulační odchylku 14
Základní pojmy
15
• regulační odchylka - e
• veličina regulovaná – y
– rozdíl mezi požadovanou a okamžitou hodnotou regulované veličiny (e = w - y) – vzniká v porovnávacím členu – je vstupní veličinou do ústředního členu regulátoru
(regulovaná proměnná)
– je výstupní veličinou soustavy – její okamžitou hodnotu v měřicím místě zjišťuje čidlo regulátoru
• veličina řídicí – w
(referenční proměnná)
• veličina akční – v
– její hodnota určuje požadovanou hodnotu veličiny regulované
(akční proměnná) – je výstupní veličinou regulátoru – jejím působením na regulovanou soustavu se uskutečňuje regulace
• veličina poruchová - z – každá veličina, jejíž změna způsobí změnu regulované veličiny – může působit na kterýkoli člen regulačního obvodu nejčastěji na regulovanou soustavu
16
17
Značky měřicích a řídicích obvodů pro technologická schémata
Řízení • je působení řídicího členu na řízený člen
přístroj (čidlo, snímač, převodník)
• společný název pro ovládání a regulaci
• tenká čára určuje připojení přístroje k technologickému zařízení • elipsa se užívá pro rozsáhlejší písmenový kód
Ovládání • řízení s otevřenou smyčkou • řízení bez zpětné kontroly měřením
• přístroj umístěný na panelu
Regulace • udržování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a podle měřených hodnot regulované veličiny
TRC 053
• regulační obvod se zápornou zpětnou vazbou 18
• do horní poloviny značky se píše písmenný kód • do dolní poloviny identifikační číslo 19
3
Tabulka písmenného kódu podle ČSN ISO 3511-1
Písmenný kód Písmeno
• druh sledované veličiny - první písmeno – 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) H ukazování - I TRC LITA zapisování - R 053 054 regulace - C vysílání - T integrace, sumace - Q signalizace - A rozlišení signalizace (vyznačuje se vedle značky) » maximum - H » minimum - L
N O P Q
Měřená nebo řízená veličina
Volitelná uživatelem * Volitelná uživatelem * Tlak Kvalita, analýza
Příd.písmeno
Ruční ovládání Ukazování Snímání
L
Čas, časový program Hladina
M
Vlhkost
Poznámky:
Přídavná písmena se píší malá * Je nutno doplnit vysvětlení jaká veličina se měří.
21
Značka:
podle ČSN ISO 3511
regulační orgán všeobecná značka
Zkušební přípojka Integrování, sumace
ventil
Volitelná uživatelem *
Matematický člen, relé Nouzová, zabezpečovací funkce
automatický pohon regulačního orgánu H
ruční ovládací prvek
Jiné funkce (např. zobrazení)
Z Poznámky:
H
Čidlo, snímač
Značky . . . - pokračování
Zobrazovací nebo výstupní funkce
Y
V W
Poměr
G
Průtok Měření, poloha, délka
K
X
T U
Rozdíl
J
Zapisování Spínání Vysílání Vícefunkční jednotka Ventil, akční člen, korekční člen
S
Hustota Elektrické veličiny *
I
Volitelná uživatelem
Sečítání
Indikace stavu (chod motoru) Regulace
F
Radioaktivní záření Rychlost, frekvence Teplota Několik veličin Viskozita Tíhová síla, síla Ostatní veličiny *
R
B
E
20
Zobrazovací nebo výstupní funkce
Signalizace
D
Tabulka písmenného kódu - pokračování Písmeno
Příd.písmeno
C
• způsob zpracování informace - druhé písmeno – – – – – –
Měřená nebo řízená veličina
A
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
akční člen regulační orgán s pohonem
22
23
Značky . . . - pokračování Příklad:
Zápis a regulace průtoku v potrubí
Chování akčního členu při výpadku pomocné energie:
a
b
c
a - akční člen zavírá b - zůstává v dosažené poloze c - otvírá
FRC 051
Signální vedení - přiřazení akčního členu k přístroji: přeškrtávanou tenkou čárou: alternativně i tenkou plnou čárou: šipkou je možno vyznačit směr toku informace: 24
25
4
Zařízení: Nádrž opatřená dvěma přítoky (Q1 a Q2) a jedním odtokem (Q3)
Příklad použití značek v technologickém schématu
FRQ 053
Požadavky na přítok měření a řízení: Q2 •regulace hladiny v nádrži a signalizace maxima •ukazování a zápis teploty prvního přítoku •registrace a integrace průtoku v druhém přítoku •ukazování a regulace QIC pH v nádrži 054
TIR 052
hladina hladina žádaná hž h LC 05
přítok Q1 H
Q1 Q2
051
soustava (nádrž)
odtok Q3
M
– regulátor
26
voda Q2
hž hž - h
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
nálev c3, Q3
Je třeba rozlišovat: • směr toku signálu • směr toku hmoty
snímač h
akční člen (ventil) pH
odtok Q3
h
Q3
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
přítok Q1
LCA
konc. roztok c1, Q1
Příprava slaného nálevu ve směšovací nádrži
přítok Q2
Souvislost mezi schématem technologickým a blokovým:
T - teplota [K] Q - průtok [m3.s-1]
• dva regulační obvody • dvě bloková schémata
01
topná pára Qp
teplá voda Tt
QC
soustava (nádrž)
cž žádaná koncentrace
c3
Q1
01
FC
studená voda Qv, Tv
– regulátor
02
žádaný průtok Qž
cž cž - c3
žádaná teplota Tž
TC
28
kondenzát
29
Měření a řízení s podporou počítače
Základní značky pro funkce řídicích počítačů
• • • •
ČSN ISO 3511- 4
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 N 06
• základní značka pro funkce zajišťované řídicím počítačem
SI 07
koncentrát
• 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
voda
M O 03
FRQ 05
053
GB
• vodorovnou čarou se vyznačují styčné prostředky operátora v dozorně • dotýkajícími se značkami se znázorňuje funkční vazba řízení teploty počítačem, ukazování v dozorně
poloha ind. chodu
04
TC 053
nálev Vysvětlivka:
O – ovládání akčního členu N – příkon motoru
TI 054
30
QRC 01
QI 02
Vodivost 32
5
Shrnutí:
Řešení regulačních úkolů
Skladba a veličiny regulačního obvodu z1 z2
soustava
• na základě zkušenosti (empiricky) – vhodné jen pro jednoduché regulační obvody
y
v
• na základě matematicko-fyzikální analýzy – vytvoření matematického modelu – možnosti simulace na počítači – ekonomicky výhodné
– regulátor
w e
Chování regulačního obvodu (regulační pochod) • závisí na vlastnostech jednotlivých bloků • regulační pochod představuje dynamické chování celého obvodu
33
Analýza regulačního obvodu
34
…. a téma příští přednášky:
Popis vlastností jednotlivých bloků • statické vlastnosti • dynamické vlastnosti
• • • •
Ustálený stav a přechodový děj • Ustálený stav – vstupní a výstupní veličiny jsou ustálené (časově neproměnné)
skladba měřicího řetězce analogové a číslicové měřicí přístroje měřicí přístroje řízené mikroprocesorem virtuální měřicí přístroje
• Přechodový děj – změna vstupní veličiny vyvolá změnu výstupní veličiny – výstupní veličina se mění s časem
35
36
38
6
