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

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



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



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



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



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


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



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



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



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


přítok Q2

Souvislost mezi schématem technologickým a blokovým:

Q1 Q2 Q3


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



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



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


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



Vliv ovlivňujících veličin na měřicí zařízení

x

zi

zi

zi

snímač

převodník

vyhodnocovací zařízení


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



Blokové schéma číslicového měřicího přístroje x

měřicí obvod, zesilovač

senzor

zpracování číslicového signálu


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


Virtuální měřicí přístroj x

úprava signálu

snímač


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

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

Recommend Documents