Bankovní institut vysoká škola, a. s. Katedra matematiky, statistiky a informačních technologií
Návrh regulačního systému chlazení
Diplomová práce
Autor:
Bc. Zbyněk Frýdl, DiS. Informační technologie a management
Vedoucí práce:
Praha
Ing. Vít Fábera, Ph.D.
Duben 2014
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.
V Praze, dne 30. 4. 2014
Zbyněk Frýdl
Poděkování Děkuji mému vedoucímu práce panu Ing. Vítu Fáberovi, Ph.D. za odborné konzultace, pomoc, vstřícnost, čas a za další cenné rady při zpracování mé diplomové práce.
Anotace
Tato diplomová práce se zabývá návrhem automatického systému řízení strojovny chlazení. Pozornost byla věnována především teoretickému rozboru, který se v jednotlivých kapitolách zaobírá funkčností současných automatizačních systémů a jejich architekturou. Teoretická část obsahuje i zdrojový kód PID regulátoru vytvořený v softwaru MATLAB©. PID regulátor je hlavní komponentou řídicího systému. Praktická část se zaobírá návrhem řídicího rozvaděče a simulací řídicího systému v softwaru LogoSoft©.
Annotation This thesis deals with the design of an automatic control system of an air-cooling plant. A close attention was paid to the theoretic analyses, which focuses on the functionality and architecture of contemporary automation systems. The theoretic part contains the source code of a PID controlled written in the commercial software MATLAB©. The PID controller is the main component of the control system. The practical part deals with the design of a control distributor and with the simulation of the control system in the commercial software LogoSoft©.
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 7 1. Úvod do automatického řízení ............................................................................................. 8 1.1 Historický vývoj automatizace ......................................................................................... 8 1.2 Základní pojmy ............................................................................................................... 10 1.3 Přínosy automatizace ...................................................................................................... 12 1.3.1 Spolehlivost automatizační techniky........................................................................ 13 1.3.2 Bezpečnost automatizačního systému ...................................................................... 13 1.4 Trendy automatizace....................................................................................................... 14 2. Regulované soustavy .......................................................................................................... 15 2.1 Popis regulačního obvodu .............................................................................................. 15 2.2 Druhy regulovaných soustav .......................................................................................... 17 2.2.1 Vlastnosti členů regulačních obvodů....................................................................... 17 2.2.2 Soustavy ................................................................................................................... 18 3. Regulátory ........................................................................................................................... 22 3.1 Rozdělení regulátorů....................................................................................................... 22 3.1.1 Spojité regulátory .................................................................................................... 23 3.1.2 Nespojité regulátory ................................................................................................ 34 3.2 Stabilita regulačního obvodu .......................................................................................... 35 3.2.1 Nutná a postačující podmínka ................................................................................. 36 3.2.2 Nutná, ale nepostačující podmínka ......................................................................... 38 3.3 Kritéria stability .............................................................................................................. 39 3.3.1 Hurwitzovo kritérium stability ................................................................................. 39 3.3.2 Routhovo-Schurovo kritérium stability.................................................................... 40 4. Akční členy .......................................................................................................................... 42 4.1 Frekvenční měniče NN ................................................................................................... 42 4.1.1 Historie .................................................................................................................... 42 4.1.2 Nejčastější využití .................................................................................................... 42 1.1.3 Princip funkčnosti .................................................................................................... 43 4.1.4 Druhy řízení asynchronních motorů ........................................................................ 46 4.1.6 Výhoda použitelnosti ............................................................................................... 52 4.2 Frekvenční měnič VN..................................................................................................... 53 4.2.1 Úvod ........................................................................................................................ 53 4.2.2 Vliv vyšších harmonických na síť ............................................................................ 54 5
4.2.3 Vysoký účiník ........................................................................................................... 55 4.2.4 Výstupní sinusové napětí ......................................................................................... 55 4.2.5 Konfigurace usměrňovače ....................................................................................... 56 4.2.6 Popis bypassu výkonových buněk ............................................................................ 56 4.2.7 Funkce bypassu výkonových buněk ......................................................................... 57 5. Snímače ................................................................................................................................ 58 5.1 Měření teploty odporovými teploměry ........................................................................... 58 5.1.1 Úvod ........................................................................................................................ 58 5.1.2 Princip měření ......................................................................................................... 58 2.1.3 Chyby měření ........................................................................................................... 60 5.2 Měření průtoku a množství tekutin................................................................................. 63 5.3 Termistory ...................................................................................................................... 65 2.3.1 Úvod ........................................................................................................................ 65 2.3.2 NTC termistory ........................................................................................................ 65 2.3.3 PTC termistory ........................................................................................................ 66 7. Praktická část...................................................................................................................... 67 7.1 Úvod do problematiky .................................................................................................... 67 7.2 Rozbor funkčních prvků klimatizace.............................................................................. 69 7.2.1 Princip klimatizace .................................................................................................. 69 7.2.2 Rozbor funkčních prvků ........................................................................................... 70 7.2.3 Rekuperace .............................................................................................................. 71 7.2.4 Regenerace .............................................................................................................. 72 7.2.5 Filtrace .................................................................................................................... 73 7.2.6 Ohřívače .................................................................................................................. 74 2.2.5 Chladiče ................................................................................................................... 77 7.2.8 Ventilátory ............................................................................................................... 78 7.2 Řízení vzduchotechniky s řídicím systémem Siemens LOGO....................................... 80 7.2.1 Úvod ........................................................................................................................ 80 7.2.2 Funkce řídícího programu ....................................................................................... 80 8. Závěr .................................................................................................................................... 93
6
Úvod V současné době si nedovedeme již představit náš život bez techniky a počítačů. Tyto revoluční vymoženosti dvacátého a jednadvacátého století trvale ovlivnily náš všední den a setkáme se s nimi na každém kroku. Bez nich nemůže fungovat prakticky žádné průmyslové odvětví. Jsme obklopeni elektronikou, počítači, řídicími systémy a tyto všechny prvky se staly samozřejmostí a nutností. Stejně tak, jako si naši předci nedovedli představit tolik usnadněný život, jaký máme my dnes, tak si i my již nedovedeme představit, že bychom se vrátili v čase o sto let zpět. Automatizační systémy dnes řídí prakticky vše, co je přímo i nepřímo spojené s výrobními faktory. Můžeme zde zmínit např. průmyslové výrobní linky, centralizované velíny, průmyslové strojovny chlazení, dopravní semafory, úpravny pité vody, dopravníky, pračky, mikrovlnné digitální trouby atd. Pokud zde v úvodu rozebereme pojem automatizace, budeme se nejprve věnovat tomu, s jakými procesy je spojena. Výrobní procesy v jednotlivých odvětvích mohou probíhat ručně, mechanicky nebo automaticky. Mechanizací rozumíme zavedení mechanizačních prostředků do lidské společnosti; zbavuje člověka namáhavé, časově náročné a zdraví ohrožující práce. Člověku zůstává činnost řídící - ta je částečná, úplná, komplexní. Automatizace je mechanizace řízení, která nahrazuje řídící činnost člověka automatizačními prostředky. Jsou to taková zařízení, která sama zajišťují sled a vzájemnou návaznost činnosti stroje. Člověku zbývá pouze činnost kontrolní. Dalším rozvojovým prvkem v automatizaci je robotizace. Roboti se spíše používají v prostředí zdraví škodlivém, životu nebezpečném nebo zcela nepřístupném, případně při výrobě v naprosto čistém prostředí (výroba čipů). Dalším důležitým pojmem je vizualizace, která má nezpochybnitelné přednosti pro výrobní a technologické podniky. Vizualizační systémy nejen že transformují data do přijatelné (vizualizační) podoby, ale také umožňují vytváření výstupních sestav nezbytné pro výkonový management. Na základě těchto aktuálních a přesných informací mají organizace lepší konkurenci - schopnost. Součástí této diplomové práce je i praktický návrh řídicího rozvaděče. Řídicí rozvaděč byl dle mého návrhu vyroben a implementován ve Strakonickém pivovaru k řízení klimatizační jednotky pro odvětrávání sudové (místnost pro uchovávání pivních sudů). Řídicí rozvaděč je postaven na řídicím systému firmy AMIT. Pro praktické odsimulování funkčnosti celého systému jsem zvolil řídicí systém firmy Siemens.
7
1. Úvod do automatického řízení Automatizací se rozumí náhrada fyzické práce člověka činností strojů. Již ve starém Řecku vznikl název automat „automátos“ = samohybný. Účelem automatizačních systémů je částečné nebo úplné odstranění lidské práce z výrobních procesů, které chceme automatizovat. Pro implementaci automatizačních systémů je mnoho důvodů, které lze rozdělit do několika skupin: a) vynucená automatizace -
nahrazení lidského faktoru z důvodu jeho chybovosti
-
řízení velkého množství procesů (elektrárny, průmyslové továrny)
-
lepší jakost výrobních produktů (přesné sváření, přesné a rovnoměrné barvení)
b) automatizace z ekonomického hlediska -
snížení výrobních nákladů
-
snížení režijních nákladů (menší prostory pro technologii, sklady)
-
zvýšení produktivity práce a objemu výroby
-
flexibilní reakce na přání zákazníků
c) jiné důvody automatizace -
zvyšování komfortu člověka
-
lepší poskytování informací (o stavu stroje, technologie)
-
ekologické (monitorování nečistot, řízení optimálního spalování)
-
zábavní průmysl (hrací automaty, dětské hračky)
1.1 Historický vývoj automatizace Počátky automatizace jsou známy již ve středověku. Tehdy vznikaly první uměle vytvořené „zázraky“, jako jsou samootevírající se vrata chrámu (viz obr. 1.1) a další takto řešená zařízení, která využívaly jednoduchých fyzikálních zákonů (gravitace, tlak tekutin, roztažnost páry a teplého vzduchu).
8
Postupem času začaly vznikat místo jednoduchých strojů i první mechanismy, které začínaly vykazovat automatické chování. Příkladem je v mlýnech použitá regulace přísunu zrní mezi kameny v závislosti na jejich otáčkách. Autory těchto zařízení byli především hodináři, kteří začínali používat ve svých strojích (orloje, zvonkohry) jednoduché programovací prvky (válce s kolíčky, kotouče s otvory, zářezy atd.). S nástupem kapitalismu začala vzrůstat poptávka po těchto mechanických zařízeních, která by značně zvýšila produktivitu práce výrobních faktorů. První vynálezce, který začal využívat programování pomocí děrných štítků, byl v roce 1801 Joseph Marie Jacquard u svého stroje Tkalcovský stav. Bylo u něj možno „naprogramovat“ vzor látky pomocí pásu s otvory, který procházel „čtecím zařízením“. V průběhu první průmyslové revoluce vznikl velký převrat v technologiích a sociální ekonomice. Tento fakt zapříčinilo hromadné zavádění strojů do výrobních procesů. Se stále se zvyšujícím stupněm automatizačních systémů se začínaly projevovat i sociální problémy. I přes všechna tato úskalí se automatizace rozšířila do všech společenských oblastí. V první polovině 20. století se tak staly symbolem pro automatizační systémy centralizované velíny (např. u vodních a parních elektráren), automatizované výrobní linky, řízení provozu na nádražích. Práce v takovýchto velínech vyžadovala rychlé reakce, rozhodování a často i zásah do celé technologie. Toto s sebou neslo velké nároky na spolehlivost, což se stalo častým problémem. Za 2. světové války značně vzrost zbrojní průmysl, což mělo za následek větší implementaci automatizačních systémů do výrobních procesů. S tímto faktem souvisel i vznik kybernetiky, která popsala obecné principy automatického řízení. Tehdy vznikaly podmínky pro sestrojení prvních samočinných počítačů. Mezi první počítačové průkopníky se do historie nesmazatelně zapsal německý inženýr Konrád Zuse. Ten v roce 1936 sestrojil svoji prvotinu, kterou nazval Z1. Jednalo se o binární mechanický kalkulátor s plovoucí desetinou čárkou a omezenou programovatelností. Dalšími myšlenkovými otci prvních počítačů byly osobnosti jako J. Babage, Jonh von Neumann, Alan Turing a další. [1] Historicky první Turing-kompletní elektronkový počítač, jehož vývoj byl zahájen v roce 1943, se nazýval ENIAC. V roce 1946 byl dokončen a až do roku 1955 pracoval pro americkou armádu. ENIAC dokázal provádět podmíněné výpočty, iterace, odskakování do podprogramů. Program musel být nejdříve navrhnut na papíře a až poté nakonfigurován (buď pomocí přepínačů, později však pomocí děrných štítků). Toto „programování“ mělo značnou nevýhodu, tj. trvalo řádově několik hodin, až týdnů. Do počátků éry samočinných počítačů se
9
člověk převážně zaobíral myšlenkou strojů za účelem usnadnění fyzické práce. Nyní však dovedl sestrojit stroj, který v podstatě dokázal napodobit duševní myšlení a tím i realizovat složité řídicí systémy. Počítače 2. a 3. generace využívající tranzistory a integrované obvody, byly převážně využívané pro vědecké výpočty a hromadné zpracování dat. Tyto počítače nahradily stovky měřících přístrojů ve velínech a různých průmyslových zařízeních. [2] V období před nástupem mikroprocesorů existovaly tři nejnaléhavější problémy v oblasti počítačů. Tyto problémy byly po dlouhá léta noční můrou všech počítačových expertů - zvýšení rychlosti provádění operací, zvýšení kapacity paměti a zvýšení rychlosti přenosu dat. Lék na tyto obtíže se vyřešil s nástupem polovodičové technologie. Polovodiče ve formě tranzistorů a diod - integrované obvody dneška - byly teprve vzdálenou hudbou budoucnosti. S nástupem mikroprocesorů v 80. letech 20. století mohla být vskutku realizována „pružná“ automatizace. Ta měla za následek rychlou změnu řídícího programu pro danou automatizovanou funkci. Na tomto principu jsou založeny i dnešní programovatelné automaty, automatizované regulátory, CNC systémy a jiné výrobní stroje. Poslední etapou se staly PC pro průmyslovou automatizaci, tj. způsobily značné snížení nákladů na automatizační systémy. S tímto faktem také souvisí postupná náhrada analogové automatizační techniky využívající spojité zpracování signálu technikou automatizačně číslicovou. Tyto systémy se staly běžnou součástí života a obklopují nás prakticky všude. Nejnázornějším příkladem je domácnost, kterou by si bez těchto systémů dokázal už jen málokdo představit (žehličky, pračky, mikrovlnné trouby, myčky nádobí, hudební centra, CD a DVD přehrávače, TV přijímače atd.). [1]
1.2 Základní pojmy Pro ulehčení své práce vytvářel člověk nástroje nebo sadu nástrojů za účelem vzniku více čí méně dokonalého stroje. Potřebnou hnací sílu obstarávaly lidské svaly nebo zvířata. Alternativou této energie se především stalo spalování uhlí – období mechanizace. Člověk začal ve větší míře využívat motory, které dodávaly potřebnou energii, těžiště jeho činnosti ve výrobním procesu se transformovalo do oblasti kontrolní, řídící a do udržovacích a vývojových prací. Na mechanizaci striktně navazuje automatizace. Stroj zde přebírá i většinu kontrolních a řídících činností. Automatizace umožňuje dosahovat větší produktivity práce
10
a výrobní kapacity. Odstraňuje subjektivní vlivy na výrobní proces (únava či nepozornost pracovníka). Velký význam má automatizace pro práce nebezpečné či zdraví škodlivé. [3] Komplexní automatizace – zcela mechanizovaný proces, který je automaticky řízen a člověk zastává funkci strategického řízení Částečná automatizace – zde jsou automatizovány jen vybrané procesy a funkce, přičemž ostatní části procesu zůstávají zcela neautomatizovány Řídící činnost – činnost člověka, která je úzce spjatá s jeho myšlením (logické usuzování, analyzování, rozhodování, zapamatování, tvorba a realizace složitých postupů) Řízení – posloupnost předem určených zásahů realizovaných řídící soustavou za účelem dosažení žádaného cíle. Automatické řízení lze technicky uskutečnit několika způsoby, které se zásadně liší principem působení řídicího systému na řízený proces. Z tohoto hlediska rozdělujeme automatizované řízení na tyto části: -
direktivní řízení (řízení bez zpětné vazby, viz kapitola 3.1)
-
indirektivní řízení (řízení se zpětnou vazbou, viz kapitola 3.1)
-
logické řízení
-
spojité řízení
-
diskrétní řízení
-
fuzzy řízení
Logické řízení – řízení, které v řídící smyčce využívá dvouhodnotové veličiny ve formě vyjadřující hodnoty 0 a 1 (ventil je otevřen / zavřen, přepínač je sepnut / rozepnut). Algoritmus řízení lze z větší části zapsat logickými funkcemi a řídící obvody pracující na tomto principu jsou nazývány logické řídící obvody. Spojité řízení – řízení, kde je akční zásah spojitě nastavován. Stejně tak i údaje o řízeném systému jsou měřeny jako veličiny spojitě proměnné v čase, žádná z nich není ani dvouhodnotová ani diskrétní. Diskrétní řízení – diskrétní řídicí systémy, které vytvářejí vztah mezi vstupy a výstupy na základě posloupností impulsů, snímaných v časovém sledu tzv. vzorkovací perioda. Mezi vzorkovacími okamžiky není regulovaná veličina měřena a ani akční veličina není upravována. Tato vzorkovací perioda je tím kratší, čím rychlejší je řízený proces. [4] 11
Fuzzy řízení – pozornost je zaměřena na člověka, který systém umí řídit, ale nemá žádný pojem o matematickém modelu řízeného systému. Člověk pak zastává funkci řízení na základě pravidel typu „jestliže klesá hladina, otevři trochu víc ventil vody“. Vstupním veličinám fuzzy regulátoru nejprve přiřadíme jazykové hodnoty (studená, vlažná, teplá), které kvantifikujeme pomocí funkce příslušnosti. Při fuzzy řízení se měřené hodnoty převedou na míry příslušnosti (číselné hodnoty z intervalu 0,1) k jednotlivý
fuzzy
množinám
kvantifikující
jazykové hodnoty, tzv. fuzzyfikace. [5]
Algoritmus – přesný návod či postup, kterým lze vyřešit daný typ úlohy. Algoritmus se nejčastěji vyskytuje při programování, kdy se jím myslí teoretický princip řešení problému. Obecně se může objevit algoritmus i v jiném vědeckém odvětví. Jakýmsi druhem algoritmu se může chápat i kuchařský recept. Obecně však platí, že algoritmus musí splňovat určité požadavky: -
konečnost
-
obecnost (hromadnost)
-
determinovanost
-
výstup [6]
Kybernetika – věda zabývající se dynamickými, samoučícími se řídicími systémy s dávkou inteligence, člověk je již vyčleněn z výrobního procesu. Novodobá kybernetika Norbert Wiener je věda o řízení a sdělování informace v živých organismech a strojích. K popisu nejčastěji využívá matematické postupy. [3]
1.3 Přínosy automatizace Přínosem je značné zkrácení výrobního procesu a možnost rychlé reakce na požadavky zákazníka. Vytvoření vizualizace pro danou aplikaci a tím přesné informování o stavu a průběhu celé výroby má přínos pro automatické řízení z těchto hledisek: a) Flexibilita a zvýšení jakosti -
odstranění lidského faktoru z výrobního procesu
-
spolehlivost a přesnost 12
b) Snížení výrobních nákladů a zvýšení produktivity -
kvalitnější organizace výrobních procesů
-
úspory materiálu a výrobních ploch
-
eliminování nekvalitní výroby
-
energetická úspora z důvodu přesného měření a regulace
-
využití nižší sazby elektrické energie (HDO)
-
odstranění drahé lidské práce
c) Zvýšení stability výrobního procesu -
dosažení vysoké a totožné kvality
-
dodržení stanovených termínů a nákladů
d) Optimalizace výrobních nákladů -
rychlé a přesné měření různých parametrů
-
vyhodnocení naměřených hodnot a provedení potřebné operace v reálném čase [1]
1.3.1 Spolehlivost automatizační techniky Pojem spolehlivost automatizační techniky musíme chápat v širším kontextu, zejména jako schopnost plnit bezpečně a pohotově požadované funkce. Tento aspekt musí být zohledňován ve všech fázích životního cyklu automatizačního systému, počínaje stanovením koncepce systému přes definici systému, formulování požadavků na systém, návrh systému, jeho integraci, evaluaci, validaci až po následný provoz a údržbu. Spolehlivost systému vyjadřuje míru, do jaké se uživatel může spolehnout, že systém funguje tak, jak je stanoveno, že je v daných podmínkách a v daném časovém úseku použitelný, a že je bezpečný. Spolehlivostí se zde rozumí kombinace bezporuchovosti, pohotovosti, udržovatelnosti a bezpečnosti. Používá se pro ni zkratka RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety), která charakterizuje dlouhodobou činnost systému.
1.3.2 Bezpečnost automatizačního systému Programovatelná elektronická zařízení a systémy jsou ve stále větší míře nasazovány v aplikacích, ve kterých může jejich porucha způsobit materiální škody, zranění nebo ztráty na životech. A to ne pouze v zařízeních „tradičních“ rizikových oborů, jako jsou letectví, nukleární energetika, drážní zabezpečovací systémy, lékařské přístroje či náročné technologie, 13
ale stále více i v „obyčejných“ zařízeních, jako jsou mikrovlnné trouby, automobily atd. Do řídicích systémů jsou alokovány bezpečnostní funkce (safety function), které zaručí, že se řízené zařízení/systém uvedou do bezpečného stavu nebo zůstanou v bezpečném stavu (fail-safe) při výskytu konkrétních nebezpečných událostí. Takto koncipovaný systém je nazýván systém se vztahem k bezpečnosti (safety-related system). [7]
1.4 Trendy automatizace Vlastní řízení nepřetržitě provozovaných technologických procesů bude směřovat ke stále širšímu využívání inteligentních čidel a akčních členů. Tím se bude zpětnovazební řízení přesouvat na nejnižší úroveň přímého distribuovaného řízení v provozu. Klasické řídicí systémy převezmou úlohu nadřazeného řízení technologických skupin a celků. S tím snad dojde k širšímu využití moderních poznatků teorie automatického řízení. Standardizace nebude využívána jen v oblasti komponent a nástrojů pro automatizaci, ale také pro řešení cílových úloh (viz např. současné požadavky na implementaci systémů s vlivem na bezpečnost řízených technologických zařízení). Se stále se zvyšující složitostí celé soustavy řízení bude hrát čím dál tím větší úlohu jak diagnostika vlastního řídicího systému, tak především řízených soustav. Častěji budou využívány komfortnější a komplexnější nástroje pro podporu projektování a údržbu životního cyklu řídicího systému. Při požadované vysoké míře spolehlivosti a bezpečnosti cílových automatizačních řešení bude pokračovat pronikání prostředků z oblasti IT do automatizace (hardware, software, internetové metody atd.). Realizovány budou také nové aplikační nástroje pro zpracování online i off-line velkého množství získávaných a uchovávaných výrobních dat. [8] Stále více se bude automatizace prosazovat v nevýrobních procesech: -
malá energetika
-
technika budov
-
dopravní systémy
-
přístupové a sledovací systémy
-
audiovizuální přístroje
-
měřící a monitorovací systémy [1]
14
2. Regulované soustavy 2.1 Popis regulačního obvodu Teorie automatického řízení se zabývá analýzou a syntézou regulačních obvodů se zápornou zpětnou vazbou. Systémy se zpětnou vazbou jsou takové systémy, se kterými je velikost regulované veličiny měřena a srovnávána se žádanou hodnotou. Tímto vznikne obvod, který je blokově znázorněn na obr. 2.1 a ve kterém jsou vyznačeny základní veličiny regulačního obvodu.
Popis jednotlivých členů: NČ – nastavovací člen => pro nastavení řídící veličiny (jedná se o převodník mezi tím, c zadá člověk, a tím, co se vstupuje do porovnávacího členu) PČ – porovnávací člen => porovnává skutečnou hodnotu y se žádanou hodnotou w regulované veličiny UČ – ústřední člen => zpracovává regulační odchylku e dle požadavku na regulační pochod AČ – akční člen => výkonový člen, který ovládá přítok energie do soustavy
-
P – pohon
-
RO – regulační orgán
15
RS – regulovaná soustava => je dána všeobecně tokem energie (tepelné, elektrické, tlakového vzduchu, atd.) a tokem hmoty (kapaliny, sypkého materiálu, atd.) MČ – měřící člen => slouží pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny
-
SN – snímač => převede fyzikální veličinu na elektrický signál
-
A – adaptér => vytvoří napětí, např. 0 – 10V
Popis jednotlivých veličin: Regulovaná veličina (y) - je veličina, jejíž hodnota je regulací udržována v předepsaných podmínkách. Je zároveň rovna výstupní veličině řízeného systému a současně vstupuje do regulátoru. Řídící veličina (w) - někdy též označována jako žádaná hodnota. Je nositelem informace o tom, jaká hodnota regulované veličiny má být nastavena. Může to být číselný kód, napětí, nebo jiná informačně vhodná veličina. Regulační odchylka (e) - je definována jako rozdíl žádané hodnoty a regulované veličiny e(t) = w(t) – y(t). Vzniká změnou žádané hodnoty nebo když na systém působí poruchové veličiny. Regulační odchylku zpracovává ústřední člen regulátoru, pro který je odchylka vstupem. Akční veličina (u) - zasahuje do regulačního procesu tak, aby regulační odchylka byla minimální. Je to výstupní veličina řídicího systému a současně vstupní veličina řízeného systému. Akční orgán je většinou napájen výkonovým zesilovačem. Ústřední člen regulátoru určuje algoritmus řízení, což znamená, že v něm probíhají požadované matematické operace. Poruchová veličina (v) - může obecně působit v kterémkoli místě regulačního obvodu. Nejčastěji se však uplatňují vlivy poruch přímo v regulované soustavě. [9]
16
2.2 Druhy regulovaných soustav Regulovaná soustava je zařízení, které je přímo řízeno regulací. Regulace se provádí v regulačním obvodu, jehož základem je regulovaná soustava. Může to být zařízení zcela jednoduché - např. nádrž s vodou, i velmi složité - např. elektrárna. Regulace se provádí na základě signálu odebraného z regulované soustavy. Prostředkem pro získání signálu je snímač (čidlo), který převádí údaj o velikosti měřené veličiny na signál vhodný pro další zpracování (obvykle se jedná o signál elektrický). Signál ze snímače je v převodníku převeden na jednotný (unifikovaný) signál. To je signál, který se mění v předem stanovených mezích. Nejčastěji se používá: -
stejnosměrné napětí 0 až 10 V
-
stejnosměrný proud 0 až 20 mA nebo 4 až 20 mA
-
tlak vzduchu v rozmezí 20 až 100 kPa
Úkolem regulačního techniky bývá správné zvolení vhodného regulátoru. K tomu je třeba znát dynamické vlastnosti regulované soustavy, tj. jak bude soustava reagovat na změny vstupního signálu, změny zatížení a další vlivy, které z hlediska regulace považujeme za poruchy. Výstupním signálem regulované soustavy je regulovaná veličina. Vstupní signál je akční veličina, kterou regulátor řídí činnost regulované soustavy. Základním parametrem soustavy v ustáleném stavu je přenos Ks. Tento přenos lze určit jako poměr velikosti výstupního a vstupního signálu ( K s =
Y ). [10] X
2.2.1 Vlastnosti členů regulačních obvodů Vlastnosti všech členů regulačního obvodu se zejména projevují na kvalitě regulace. Nejvýrazněji se tyto vlastnosti uplatňují na regulovanou soustavu a ústřední člen regulátoru. Členy
regulačních
obvodů
se
vyhodnocují
podle
jejich
statických
(klidových)
a dynamických (pohybových) vlastností. -
statické vlastnosti - vyjadřují vlastnosti obvodu v ustáleném stavu. Zpravidla udávají závislost mezi dvěma veličinami, obvykle mezi velikostí výstupního a vstupního signálu
17
-
dynamické vlastnosti - vyjadřují závislost vstupních a výstupních veličin v neustáleném stavu (v okamžiku, kdy se tyto veličiny mění). K vyjádření dynamických vlastností regulované soustavy se nejčastěji používá matematické řešení, přechodová charakteristika, frekvenční charakteristika
2.2.2 Soustavy Důležitým kritériem pro klasifikaci regulovaných soustav je koeficient a0, který je označován jako součinitel autoregulace. Určuje, zda bude mít regulovaná soustava statický nebo astatický charakter. -
a0 ≠ 0, jedná se o statickou soustavu
-
a0 = 0, jedná se o astatickou soustavu [11]
2.2.2.1 Statické soustavy
Po skokové změně vstupní veličiny se soustava ustálí v novém ustáleném stavu a určité hodnotě vstupní veličiny odpovídá určitá hodnota výstupní veličiny. Řečeno jinak, po vychýlení z rovnovážného stavu jsou schopny teoreticky vždy dosáhnout nového rovnovážného stavu bez působení regulace. [9]
a) Regulované soustavy (bez-kapacitní) => statické 0. řádu
Neobsahuje žádnou kapacitu, tedy nehromadí hmotu ani energii. Příkladem může být pákový mechanismus nebo velmi krátký úsek potrubí, kterým protéká nestlačitelná kapalina.
Diferenciální rovnice
a0 y(t ) = u (t ) Přenos soustavy
F( p ) =
1 = Ks a0
=> zesílení soustavy [12]
18
Přechodová charakteristika Z přechodové charakteristiky vidíme, že změna signálu na vstupu se okamžitě projeví na výstupu soustava nevnáší do obvodu zpoždění. V
ustáleném
stavu
je
soustava
charakterizována svým přenosem Ks.
b) Regulované soustavy (jedno-kapacitní) => statické 1. řádu Tyto soustavy obsahují jednu kapacitu (RC, RL člen), která umožňuje hromadit energii nebo látku. Příkladem může být nádrž, která se plní vzduchem přes regulační ventil. Diferenciální rovnice
a1 y ′(t ) + a0 y(t ) = u (t ) Přenos soustavy
F( p ) =
1 a1 p + a0
F( p ) =
Ks Tp + 1
a0
Přechodová charakteristika Přechodová charakteristika ukazuje, že po skokové změně na vstupu začne výstupní signál ihned růst, přičemž rychlost změny se postupně zmenšuje, až se výstupní veličina ustálí na nové (konečné) hodnotě. Doba náběhu Tn (časová konstanta) - je doba, za kterou by soustava dosáhla konečnou hodnotu, kdyby změna probíhala počáteční rychlostí. Dobu 19
náběhu můžeme určit z přechodové charakteristiky jako subtangentu tečny vedené ke kterémukoli bodu charakteristiky => subtangenta je průmět tečny do vodorovné osy. Přechodová charakteristika má takový průběh, že doba náběhu určená z kteréhokoli bodu je vždy stejná. [10] c) Regulované soustavy (dvou-kapacitní) => statické 2. řádu Soustavy obsahující dvě kapacity řazené v kaskádě (dobu náběhu Tn a dobu průtahu Tu) => dvě místa, ve kterých se hromadí energie nebo hmota. Procházející signál soustavou nejprve přichází do první kapacity a až poté do kapacity druhé. Většina průmyslových soustav v praxi jsou soustavy 2. řádu – soustrojí pro regulaci otáček, výměníky tepla atd. Zdárným příkladem může být místnost vytápěná radiátorem ústředního topení. Tepelná energie (teplá voda) plní nejprve radiátor (první kapacita) a až z něj vydávané teplo zahřívá místnost (druhá kapacita). [13] Diferenciální rovnice
a2 y ′′(t )a1 y ′(t ) + a0 y (t ) = u (t ) Přenos soustavy
F( p ) =
1 a2 p a1 p + a0
F( p ) =
Ks T2 p + T1 p + 1
2
2
a0
2
Přechodová charakteristika
Z přechodové charakteristiky vidíme, že po skokové změně signálu na vstupu soustavy se výstupní veličina změní jen málo. Je to z toho důvodu, že se plní především první kapacita, která se začne na výstupu projevovat, až po
20
uplynutí určitého času. Přechodný děj v soustavě charakterizují dva parametry: doba průtahu Tu (vyjadřuje plnění první kapacity) a doba náběhu Tn (vyjadřuje plnění druhé kapacity). Součtem obou dob je doba přechodu Tp. Dobu průtahu a dobu náběhu můžeme určit pomocí tečny vedené inflexním bodem charakteristiky. Inflexní bod je takový bod, ve kterém dochází k přechodu křivky z konvexní na konkávní. [10]
d) Regulované soustavy (několika-kapacitní) => statické n-tého řádu Přechodové charakteristiky těchto soustav mají obdobný tvar jako přechodová charakteristika soustavy dvoukapacitní. Mají i stejné charakteristické veličiny - KS, Tu, Tn. Regulovatelnost statických soustav lze přibližně posoudit z poměru doby průtahu k době náběhu.
Tu ≤ 0,1 Tn
-
dobře regulovatelné =>
0 <
-
regulovatelné =>
0,1 <
Tu ≤ 0,4 Tn
-
obtížně regulovatelné =>
0,4 <
Tu ≤1 Tn
-
nelze regulovat =>
Tu > 1 [11] Tn
2.2.2.2 Astatické soustavy
Astatické soustavy nemají, na rozdíl od soustav statických, samoregulační schopnost. Po vyvedení soustavy z rovnovážného stavu se výstupní signál po odeznění přechodového děje mění konstantní rychlostí. Protože astatické soustavy nemají autoregulaci, je možné odstranit rozvážení soustavy vzniklé poruchovou nebo jinou vstupní veličinou (akční) jen pomocí připojeného regulátoru. Obdobně, jako soustavy statické, tak i soustavy astatické můžeme rozdělit podle počtu kapacit s tou výjimkou, že neexistuje astatická bezkapacitní soustava. [9]
21
3. Regulátory Regulátor je zařízení, které provádí regulaci, čili které prostřednictvím akční veličiny působí na regulovanou soustavu tak, aby se regulovaná veličina udržovala
na
předepsané
hodnotě
(ve
zvláštních
případech
to
nemusí
být
konstantní hodnota) a regulační odchylka byla nulová nebo co nejmenší. Podle obr. 3.1 se regulační obvod skládá z regulované soustavy a regulátoru. Všechny členy tohoto obvodu s výjimkou regulované soustavy tedy zahrnujeme pod pojem regulátor. [14]
3.1 Rozdělení regulátorů 1. Podle energie s kterou pracují a) Mechanické regulátory – jsou většinou jednoduché přímé regulátory (regulátor hladiny ve splachovači, tlakový hrnec), které mají výhodu snadné opravy. Značnou nevýhodou se však stává malá přesnost a rychlost odezvy. b) Pneumatické regulátory – regulátory jsou vhodné do prostředí s nebezpečím výbuchu. Využívají ventilů, membrán, vzduchových válců atd. Výhodou u těchto regulátorů je snadné zjištění poruchy. Nevýhodou může být pružnost a cena stlačeného vzduchu. c) Hydraulické regulátory - tyto regulátory se používaly v těžkém průmyslu, dnes jsou nahrazovány elektrickými. d) Elektrické regulátory - jsou v dnešní době nejobvyklejší. Mají velkou přesnost, rychlost a jsou dostatečně spolehlivé. Značnou výhodou je kompatibilita s výpočetní technikou a poměrně nízká cena. Nevýhodou se stává citlivost na elektromagnetické rušení v síti.
22
2. Podle způsobu napájení a) Přímé (direktní) - energii potřebnou pro svou činnost odebírají přímo z regulované soustavy. Většinou se jedná o jednoduché mechanické nebo elektromechanické regulátory s omezenou přesností. Výhodou těchto regulátorů je jejich jednoduchost a velká spolehlivost. Příkladem může být - bimetalový termostat nebo tlakový hrnec. b) Nepřímé (indirektivní) - pro svou činnost potřebují pomocný zdroj energie. Jsou značně složitější, ale mají větší přesnost a stabilitu. Patří sem zejména spojité regulátory (PID). 3. Podle charakteru přenášeného signálu a) Spojité - výstupní veličina se mění plynule (spojitě) v čase (lineární). Spojité regulátory reagují na spojitou změnu regulované veličiny (tj. vstupní veličiny regulátoru) spojitou změnou akční veličiny (tj. výstupní veličiny regulátoru). Jejich výstupní signál se může spojitě měnit v určitém rozmezí hodnot. b) Nespojité - výstup se mění skokem, podle počtu pevných poloh se rozdělují na dvou a více polohové (nelineární). Nespojité regulátory reagují na spojitou změnu regulované veličiny skokovou změnou akční veličiny. Podle toho, kolik hodnot může jejich výstupní signál nabývat, máme regulátory dvoupolohové, třípolohové atd. [10]
3.1.1 Spojité regulátory Jsou to takové regulátory, u kterých je výstupní veličina spojitého regulátoru (akční veličina) spojitou funkcí jejich vstupní veličiny (regulační odchylka). Z toho vyplývá, že regulovaná veličina neustále ovlivňuje akční veličinu, která může nabývat libovolné hodnoty od x = 0 až po x =
x max .
Regulátory jsou převážně konstruovány tak, aby bylo
možné jejich vlastnosti volit, a tím je co nejefektivněji přizpůsobit dané regulované soustavě. Volba vlastností daného regulátoru spočívá v tom, že můžeme volit závislost mezi výstupní a vstupní veličinou regulátoru. Spojité regulátory mají i některé nevýhody, např. regulátory P a PD pracují s trvalou regulační odchylkou v ustáleném stavu. [9]
23
3.1.1.1 Proporcionální regulátor (P - regulátor) Nejjednodušší závislostí výstupní a vstupní veličiny regulátoru je přímá úměrnost. Regulátor, který v rovnovážném stavu danou závislost splňuje, se nazývá proporcionální regulátor. Proporcionální regulátor funguje tak, že vynásobí regulační odchylku konstantou zesílení a výsledek použije jako akční veličinu. To má za následek, že čím větší je regulační odchylka, tím větší bude akční veličina. V podstatě regulátor typu P funguje pouze jako zesilovač. Tomu odpovídá rovnice: u (t ) = K R e(t ) . Protože platí e(t) = w(t) – y(t), pak regulátor pracuje tak, že roste-li hodnota regulované veličiny, klesá hodnota akční veličiny, a naopak. Pro danou regulovanou soustavu je součinitel přenosu konstantní a nelze jej měnit. U regulátoru (na rozdíl od regulované soustavy) máme možnost součinitel přenosu měnit (můžeme jej nastavovat). Tím je dána i možnost ovlivňovat vlastnosti regulátoru. [15] Statické
vlastnosti
proporcionálního
regulátoru
jsou
dány
jeho
statickou
charakteristikou. Z ní lze určit, že se zvětšujícím se součinitelem přenosu regulátoru se zvětšuje jeho citlivost a přesnost, ale jeho stabilita značně klesá. Přitom v praxi od regulátoru vyžadujeme, aby byl co nejcitlivější, ale zároveň i stabilní. Při nastavování KR musí být kompromis mezi těmito protichůdnými hledisky. Zesílení je v praxi často nahrazováno pásmem proporcionality => pp =
1 ⋅ 100 KR
[%]
[9]
Ideální P - regulátor
F ( p) = −
24
R1 − R2 R R = − 1 − 2 = 2 = K R R1 R1 R1
3.1.1.2 Integrační regulátor (I - regulátor) Vzhledem k tomu, že hodnota výstupní veličiny je úměrná integrálu vstupní veličiny, nazýváme tento regulátor integrační regulátor. Ten dokáže oproti proporcionálnímu regulátoru P úplně odstranit regulační odchylku e v ustáleném stavu. K úplnému odstranění regulační odchylky e však dochází za určitý čas, proto se integrační regulátory používají tam, kde četnost poruch není příliš častá, nebo kde regulovaná soustava má velkou setrvačnost (odolnost proti dlouhodobým poruchám). [15] Statické vlastnosti integračního regulátoru lze ovlivnit nastavením jeho integrační časové konstanty Ti a jeho součinitele přenosu KR, který je konstantní. Ze statické charakteristiky integračního regulátoru lze vyčíst, že se zmenšující se integrační časovou konstantou se zvětšuje citlivost a přesnost regulátoru, zatímco jeho stabilita se naopak zmenšuje. Dynamické vlastnosti integračního regulátoru se nejčastěji vyjadřují přechodovou charakteristikou. Z přechodové charakteristiky je zřejmý astatismus (nestabilita) integračního regulátoru. Integrační časovou konstantu Ti lze definovat jako dobu, za kterou výstupní veličina integračního regulátoru dosáhne stejné hodnoty, jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl pouze proporcionální a pásmo proporcionality by bylo 100 %. Tento regulátor je především vhodný pro regulaci statických regulačních soustav I. řádu, není však vhodný pro soustavy vyšších řádů. Jako samotný ho lze použít pro regulaci průtoků a regulaci tlaku plynu a páry. V praxi se zejména používá v kombinaci s proporcionálním regulátorem a tímto spojením tvoří nejčastěji používaný typ regulátoru v technice elektrických pohonů. [9] Ideální I - regulátor
1 pC i 1 1 1 1 = ⋅ = = F ( p) = Ri pC i Ri pC i Ri pTi
25
3.1.1.3 Derivační regulátor (D - regulátor) Derivační regulátor reaguje již při malé změně regulované veličiny, jestliže se tato veličina mění velkou rychlostí. Statické vlastnosti derivačního regulátoru můžeme ovlivňovat pouze nastavením jeho jediné charakteristické veličiny, tj. derivační časová konstanta Td. Jeho součinitel přenosu KR je konstantní a nelze jej měnit. Ze statické charakteristiky derivačního regulátoru lze vyčíst, že se zvětšující se derivační časovou konstantou se zvětšuje citlivost a přesnost regulátoru, zatímco jeho stabilita se značně zmenšuje. [14] Dynamické vlastnosti derivačního regulátoru se nejčastěji vyjadřují pomocí přechodové charakteristiky. Derivační časová konstanta Td je doba, za kterou výstupní veličina derivačního regulátoru dosáhne stejné hodnoty, jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl pouze proporcionální a pásmo proporcionality by bylo 100%. Derivační regulátor se používá pro zrychlení regulačního pochodu a tím i ke zlepšení jakosti regulačního pochodu. Vzhledem k tomu, že tento regulátor nereaguje na ustálenou hodnotu regulační odchylky, ale pouze na změnu její rychlosti, neplní hlavní úkol regulátoru, tj. neodstraňuje regulační odchylku (nelze jej používat samostatně). Proto musí být vždy používán
pouze
v kombinaci
s proporcionálním
nebo
proporcionálně
integračním
regulátorem. V tomto spojení má derivační regulátor funkci zrychlování regulace (předvídavost) a zvyšování stability, což hraje velký význam při odstraňování krátkodobých a četných poruch. [9] Ideální D - regulátor
F ( p) =
26
Rd R pC d = d ⋅ = pRd C d = pTd 1 1 1 pC d
4. PID – regulátor PID regulátory jsou bezkonkurenčně nejpoužívanějšími regulátory pro průmyslové aplikace. Dokonce se uvádí, že až 95% všech regulačních algoritmů je typu PID, ale velká část z nich využívá pouze proporcionální a integrační složku. Přes nepochybnou jednoduchost PID regulátorů jsou s nimi v průmyslu velké problémy, a to zejména s jejich optimálním nastavením, které je složité kvůli derivační složce. Velká část vynikajících odborníků zabývajících se automatickým řízení se skutečně domnívá, že moderní teorie řízení nabízí lepší a efektivnější řešení než klasické, již skoro 100 let staré PID regulátory, a že pouze konzervativní průmysl tato nová řešení nedokáže využít. Reálná situace v řízení procesů tomu však nenasvědčuje. Výrobci regulátorů vyvíjejí stále novější a důmyslnější produkty vybavené nejrůznějšími funkcemi, jako jsou např. automatické nastavování parametrů nebo diagnostika funkce regulátoru, avšak jádrem těchto produktů stále zůstávají tytéž PID algoritmy. Zdá se, že v mnohamiliónové populaci PID regulátorů dochází k evoluci, kterou dominantně řídí praxe a nikoliv teorie. To má za následek velký počet vzniku různých variant regulátorů, a jen zřídka jsou dostatečně přesně popsány v příslušných uživatelských příručkách. Často není vůbec jasné, jaký je přesný význam zadávaných parametrů a jak bude regulátor reagovat v nestandardních režimech. [15] PID regulátor obsahuje proporcionální, integrační a derivační složku, které prostřednictvím akční veličiny působí na regulovanou soustavu tak, aby se regulovaná veličina udržovala na předepsané hodnotě a regulační odchylka byla nulová nebo co nejmenší. Požadavkem na optimální nastavení PID regulátoru pak může být (a je) kladeno více cílů, často i protichůdných. Mezi takto definované cíle může patřit např. sledování žádané hodnoty, potlačení působení poruch, necitlivost na šum, stabilita odezvy, atd. Optimální nastavení PID regulátoru může být tedy určitý kompromis mezi jednotlivými požadavky. Často se zde setkáváme např. s nastavením, které musí řešit požadavek rychlé reakce PID regulátoru na změny v regulačním obvodu při dodržení minimálního přeregulování s dobrou stabilitou odezev. Ve většině případů plně postačí využít regulátor typu PI (derivační složka je deaktivována). Typickým příkladem je regulace teploty. V následující tabulce je vidět vliv jednotlivých parametrů PID regulátoru na regulační činnost.
27
Vliv zvětšování hodnot konstant na rychlost a stabilitu odezvy Konstanta
Rychlost odezvy
Stabilita odezvy
Proporcionální (K)
Zvyšuje
Snižuje
Integrační (Ti)
Snižuje
Zvyšuje
Derivační (Td)
Zvyšuje
Snižuje
Tab. 1 Vliv konstant na rychlost a stabilitu odezvy [vlastní]
Vliv parametrů PID na regulaci Na základě Proporcionální, Integrační a Derivační konstanty PID regulátoru se počítá výsledná akční veličina (akční zásah). Konstanty společně ovlivňují celý průběh regulačního pochodu. V řídicích systémech je akční veličina PID regulátoru vypočítána pomocí tohoto vztahu (tento vztah je používán firmou Amit): 1 y = K ⋅x + Ti
t
∫ x ⋅ dt + Td ⋅ 0
dx dy
Pro lepší pochopení PID regulátoru lze demonstrovat jeho funkčnost na následujícím příkladu - regulátor má za úkol regulovat teplotu mikropájky, která bude dodávat výkon. Aby PID regulátor věděl, jak velký výkon má dodávat, bude také měřit teplotu (na jakou teplotu má páječku rozehřát) => žádaná hodnota. -
proporcionální konstanta (K) Regulátor odečte hodnotu měřené teploty od hodnoty teploty žádané a rozdíl
(regulační odchylku) vynásobí konstantou (proporcionální konstanta K). Výsledek je výkon, jakým bude páječka rozehřátá (např. v procentech). Čím víc se bude měřená teplota blížit k teplotě žádané, tím bude výkon nižší a naopak. Nastavíme-li konstantu na hodnotu 1, bude např. při rozdílu teplot 10 °C, výkon 10 %. Zvětšováním konstanty K lze trvalou regulační odchylku zmenšit, ale vzniká nebezpečí nestability regulačního obvodu => regulovaná veličina kmitavě nebo i nekmitavě narůstá, což může vést až k poškození zařízení (tento fakt se eliminuje použitím integrační složky Ti). -
Integrační konstanta (Ti) Integrační část PID regulátoru vynásobí regulační odchylku konstantou a přičte ji
ke své hodnotě. Toto znamená, že pokud bude měřená teplota nižší než požadovaná, integrační složka se bude zvyšovat a naopak. Čím bude regulační odchylka narůstat, tím 28
rychleji se integrační složka začne měnit. Pokud bude regulátor pouze integrační, bude páječka topit nejdříve málo a výkon se bude postupně zvyšovat. Jakmile požadovanou teplotu překročí, bude se výkon snižovat, až se ustálí na požadované hodnotě => výkon, který je třeba pro udržení ustálené teploty (dodáváme stejný výkon, jakým se páječka ochlazuje). Jestliže u PID regulátoru budeme podíl integrační složky zmenšovat (zvětšováním konstanty Ti), budeme tlumit kmitavost regulačního obvodu a naopak. Do jisté míry toto lze eliminovat přidáním derivační složky. -
Derivační konstanta (Td) Derivační složkou PID regulátoru vynásobíme rychlost změny odchylky konstantou
Td. Jestliže měřená teplota klesá, pak derivační složka zvyšuje výkon. Čím rychleji měřená teplota klesá, tím vyšším výkonem bude derivační část PID regulátoru topit a naopak. Tento fakt se projeví právě v okamžiku, kdy s rozehřátou páječkou začneme pájet. To zapříčiní pokles teploty a derivační složka na to musí okamžitě reagovat zvýšením výkonu. Ale v případě rychlého růstu teploty musí derivační složka PID regulátoru výkon snižovat. Tento pokles nebo naopak nárůst derivační složky vyvolá buď rychlejší, nebo pomalejší reakci na změnu žádané hodnoty v regulačním obvodu. Postup při návrhu regulátoru -
určení parametrů soustavy Parametry je nejlepší a též nejjednodušší určit z naměřené přechodové
charakteristiky soustavy. Změříme dvě odezvy na skok vstupu soustavy a parametry určíme průměrem ze dvou měření: 1. skok 0 .. 50 % akčního zásahu, např. otevření ventilu 2. skok 50 % ..100 % akčního zásahu, např. otevření ventilu U každého z těchto dvou měření je nezbytně nutné dbát na to, aby byl systém v klidu, tj. aby se regulovaná veličina neměnila. Na konci každého měření by se měla regulovaná veličina opět ustálit. Zesílení soustavy je pak dáno vztahem:
Ks =
∆y ∆u
29
- ∆y => je rozdíl teplot na začátku a na konci měření - ∆u => je rozdíl hodnot na konci a na začátku měření (při 50 %) Časová konstanta Ts se určí jako doba, za kterou výstup dosáhne 63 % své ustálené hodnoty. -
Určení parametrů regulátoru Integrační časová konstanta Ti se zvolí totožná, jako je naměřená časová konstanta
soustavy Ts . Zesílení je pak dáno vztahem: Kr =
1 Ks
Nastavení těchto parametrů regulátoru by mělo zapříčinit, že regulovaný systém bude mít mírně přetlumený charakter, tj. výsledná odezva na skok žádané hodnoty bude bez překmitu. Pokud bychom zesílení ještě zmenšovali, nastalo by výrazné zatlumení celého systému. Druhým extrémem je stálé zvyšování zesílení až k narůstání kmitů, které mohou vést k nestabilitě systému. Integrační časovou konstantu obvykle není zapotřebí jakkoliv dolaďovat (dvojnásobná integrační časová konstanta => dlouho dotahuje; poloviční integrační časová konstanta => nežádoucí překmity). Pokud jsou všechny konstanty nastaveny správně, má PID regulátor takovýto charakter: [16]
Obr. 3.5. Správně zvolené konstanty PID regulátoru [16]
30
Výpočet PID regulátoru v softwaru MATLAB function PID regulátor clear all, close all scrsz = get(0,'ScreenSize'); Ta = 0.1;
% efektivní doba regulace
Ts = 0.005;
% čas vzorkování
if
Ts > 0.1 * Ta,
warning (['Sampling time should be smaller or equal to ',num2str (0.1*Ta),'!']) % varování - vzorkovací frekvence je moc velká endif
U_init = 0;
% regulovaná veličina U % např. pokojová teplota
U_final = 10;
% požadovaná teplota % Parametry regulátoru
Ks = U_final; Kp_0 = 1.5; Ki_0 = 100; Kd_0 = 0; cas = []; # čas před změnou požadované teploty for
i=1:5 cas(end+1) = i*Ts; U_0(i) = U_init; e_0(i) = U_final-U_init;
% odchylka
U_step_0(i) = U_init;
% skoková funkce
endfor
31
int = 0; while cas(end) < Ta int = (e_0(end)+e_0(end-1))/2*Ts+int; x = Kp_0 * (e_0(end) + int / Ki_0 + Kd_0 * (e_0 (end) - 2 * e_0 (end-1) + e_0 (end-2)) / Ts);
% velikost akčního zásahu U_0(end+1) = U_0(end) + x;
% reakce soustavy
e_0(end+1) = U_final-U_0(end);
% nová odchylka
U_step_0(end+1) = U_final; % reálný čas
cas(end+1) = cas(end)+Ts; endwhile
figure ('Position',[scrsz(4) scrsz(4) scrsz(4) scrsz(4)]), hold on, grid on plot(cas,U_step_0,'k') plot(cas,U_0,'g') xlabel('time [s]') ylabel('U') obrazek=gcf; hold off print(obrazek,'PI.png','-dpng') endfunction
32
-
Grafické znázornění regulované veličiny na akční zásah
Obr. 3. 5. Závislost regulované veličiny na akční zásah [vlastní]
33
3.1.2 Nespojité regulátory Za nespojité regulátory jsou většinou považovány dvoupolohové (dvoustavové) nebo třípolohové (třístavové) regulátory. Akční člen dvoustavových regulátorů je zpravidla tvořen buďto elektromechanickým (relé, spínač, stykač) nebo elektronickým zařízením (triak, tyristor). Akční člen třípolohových regulátorů zpravidla tvoří (relé nebo stykač).
Dvoupolohové regulátory mají pouze dva stabilní stavy výstupu (u), kterým je ovlivňován akční člen. Bude-li skutečná hodnota regulované veličiny (y) pod předem nastavenou regulační hodnotou (w) o hodnotu necitlivosti ∆h , bude akční veličina (u) nabývat jednoho ze dvou možných stavů (sepnuto nebo rozepnuto). Překročí-li skutečná hodnota regulované veličiny hodnotu žádanou o hodnotu necitlivosti ∆h , bude mít akční veličina (u) opačný stav než v předchozím případě.
Přepínání stavů se děje s určitou hysterezí (H). U některých dvoustavových regulátorů je nastavena vyšší spínací hystereze => zhorší se tím sice přesnost regulace, ale menší četnost spínání značně prodlouží životnost regulátoru. Regulační pochod kterékoliv dvoustavové regulace je vždy na mezi stability. [9]
Průběh dvoustavové regulace
Obr. 3.6. Dvoustavová regulace [19]
34
3.2 Stabilita regulačního obvodu Stabilita je jedním ze základních požadavků a tím i nevyhnutelnou podmínkou, aby byla zajištěna správné funkce regulačního obvodu. Definice stability regulačního obvodu Regulační obvod je stabilní tehdy, jestliže po vychýlení regulačního obvodu z jeho ustáleného stavu odeznění vnější sily, které tuto odchylku způsobily, a regulační obvod se během časového horizontu znovu vrátí do svého rovnovážného stavu.
Z hlediska stability rozlišujeme regulační obvod na stabilní, nestabilní a na mezi stability. Průběhy těchto přechodových charakteristik jsou znázorněny na obr. 3.7 [17]
Obr. 3.7. Průběhy přechodových charakteristik [19]
Uzavřený regulační obvod musí být vždy a ve všech případech stabilní. Abychom této stability dosáhli, musíme zohlednit parametry regulované soustavy, která jsou dány její konstrukcí, a v mnoha případech tudíž nestabilní. K dosažení stability musíme měnit parametry regulátoru, případně volit jiný vhodnější typ regulátoru. Nyní se objevuje problém, jak poznáme, zda je námi navrhovaný regulační obvod stabilní anebo nestabilní. Pro toto posouzení máme dvě podmínky -
nutná a postačující podmínka stability
-
nutná, ale nepostačující podmínka stability [18]
35
3.2.1 Nutná a postačující podmínka Mějme jednoduchý regulační obvod, který je vyobrazen na obr. 3. 8. Přenos řízení
a
regulačního
přenos
poruchy
obvodu
je
dán
tohoto těmito
rovnicemi:
Fw =
FR . FS FO y = = w 1 + FR . FS 1 + FO
Fz =
FS y = z 1 + FR . FS
F( p )
bm . p m + bm −1 . p m −1 + K + b2 . p 2 + b1 . p + b0 = a n . p n + a n −1 . p n −1 + K + a 2 . p 2 + a1 . p + aO
A( p ) = a n . p n + a n −1 . p n−1 + K + a 2 . p 2 + a1 . p + aO =>
polynom
jmenovatele
obou
přenosů (charakteristický polynom) Nutnou a postačující podmínkou stability regulačního obvodu je, aby kořeny p (n ) charakteristického polynomu A( p ) přenosů uzavřeného regulačního obvodu ležely v záporné části komplexní roviny (měly zápornou reálnou část).
Jestliže existuje alespoň jedna dvojice komplexně sdružených kořenů A( p ) na imaginární ose (tedy s nulovou reálnou částí), je obvod na mezi stability.
Jestliže všechny kořeny A( p ) jsou reálné, je regulační pochod aperiodický. Jestliže se objeví alespoň jedna dvojice komplexně sdružených kořenů (s nenulovými imaginárními částmi), je regulační pochod kmitavý. [9]
36
Tato situace je znázorněna na obr. 3.9.
Obr. 3.9. Stabilní a nestabilní oblast v komplexní rovině [19]
Ze začátku je třeba říci, že pro charakteristický polynom prvního a druhého stupně je postačující
podmínkou
stability
regulačního
obvodu
kladnost
jejich
koeficientů
=> A( p ) = A1 . p + A0 , kde musí být A0 > 0; A1 > 0. To samé musí platit i pro charakteristický polynom druhého řádu A( p ) = A2 . p 2 + A1 . p + A0 , i zde musí platit A0 > 0, A1 > 0, A2 > 0.
Je zcela evidentní, že analytický výpočet polohy kořenů pro charakteristický polynom vyššího než druhého stupně by byl obtížný (pro stupeň vyšší než čtyři dokonce nemožný). Je ale třeba si uvědomit, že při posuzování stability nemusíme určit přesnou hodnotu kořenů, ale zajímá nás pouze odpověď na otázku, ve které polorovině komplexní roviny kořeny leží. Na tuto otázku dávají odpověď kritéria stability. [18]
37
3.2.2 Nutná, ale nepostačující podmínka
Podle tvaru charakteristického polynomu přenosu
F( p )
můžeme jednoznačně
rozhodnout o tom, zda je či není systém stabilní a to hned ze dvou hledisek
-
je-li charakteristický polynom A( p ) maximálně druhého stupně a jsou-li všechny jeho
koeficienty kladné, je systém vždy stabilní. Tomuto tvrzení odpovídá přenos:
F( p ) =
-
3p + 2 4p + 2p +1 2
nejsou-li všechny koeficienty charakteristického polynomu kladné nebo některý člen
polynomu dokonce chybí (počínaje nejvyšší mocninou), je systém vždy nestabilní.
Tomu to tvrzení odpovídá přenos:
F( p ) =
3p + 2 4 p2 − 2 p
Je-li charakteristická rovnice vyššího než druhého stupně a jsou-li všechny její koeficienty kladné (nutná podmínka), nelze o stabilitě jednoznačně rozhodnout. Z toho důvodu je nutné vypočítat všechny reálné kořeny a zjistit, jaký mají charakter (obecná podmínka stability). Tento úkol je poměrně náročný, protože pro rovnice vyšších stupňů je numerické řešení příliš obtížné. Abychom se vyhnuli vyčíslování kořenů, používáme tzv. kritéria stability, umožňující rozhodnout o stabilitě bez numerického vyčíslování kořenů. [9]
38
3.3 Kritéria stability Vypočtení kořenů charakteristické rovnice vyššího než druhého stupně je dosti náročná záležitost i za použití výpočetních technik. Z toho důvodu byla zavedena matematická kritéria, která umožňují z charakteristické rovnice určit, zdali mají kořeny záporný nebo kladný charakter. Těmi to technikami určíme stabilitu obvodu, aniž bychom museli danou rovnici pracně řešit.
Kritéria stability můžeme v zásadě rozdělit na algebraická, která vychází z koeficientů charakteristického polynomu, a frekvenční, vycházející z frekvenčních vlastností regulačního obvodu. Zde uvedeme pouze dvě nejznámější (nejpoužívanější) algebraická kritéria stability. [17]
3.3.1 Hurwitzovo kritérium stability Kritérium vychází z koeficientů charakteristického polynomu přenosu uzavřeného regulačního obvodu. Podmínkou stability uzavřeného regulačního obvodu je, aby všechny koeficienty polynomu A( p ) byly kladné (nutná a postačující podmínka). Systém je stabilní tehdy, pokud Hurwitzův determinant a všechny jeho subdeterminanty jsou kladné.
Obecný Hurwitzův determinant
a1 a 0 0 0 0 LLLL DH =
a 3 a 2 a1 0 0 L LLL a 5 a 4 a 3 a 2 a1 0 0 LL a 7 a 6 a 5 a 4 a 3 a 2 a1 0 0
39
Hurwitzův determinant pro rovnici třetího stupně
A( p ) = a3 . p 3 + a 2 . p 2 + a1 . p + a0
a1 a0 0 a1 a 0 D3 = a3 a 2 a1 a3 a 2 0 0 a3 0 0
D1 = a1 > 0 D2 = a1 . a 2 − a0 . a3 > 0 D3 = a1 . a 2 . a3 − a3 . a3 . a 0 > 0
Praktický příklad pro vyřešení stability uzavřeného regulačního obvodu
F( p ) =
2p +1 3p + p2 + 2 p + 1 3
2 1 0 2 1 D3 = 3 1 2 3 1
D1 = 2 D2 = 2 − 3 = − 1
0 0 3 0 0 => systém je nestabilní
3.3.2 Routhovo-Schurovo kritérium stability Vycházíme opět z charakteristického polynomu přenosu uzavřeného regulačního obvodu. Podle daného algoritmu provádíme postupnou redukci charakteristické polynomu na rovnici nižšího stupně, než se dostaneme ke kvadratické rovnici. Aby se mohla stabilita regulačního obvodu vyšetřovat, musí být splněna nutná, ale nepostačující podmínka stability.
Postup při řešení Schurova algoritmu -
vypíšeme koeficienty charakteristického polynomu A( p ) seřazené podle mocniny sestupně
-
každý druhý koeficient zleva podtrhneme
40
-
potržené koeficienty vynásobíme takovým číslem K a výsledek násobení sepíšeme o jeden sloupec vlevo, aby se první pod sebou ležící hodnoty po rozdílu vynulovaly
-
odečteme pod sebou ležící čísla, potržené opíšeme a redukci opakujeme až ke kvadratickému polynomu (tj. až nám zůstanou pouze tři koeficienty)
Systém je stabilní, jsou-li po redukci čísla ve všech řádcích kladná.
Praktický příklad pro vyřešení stability uzavřeného regulačního obvodu
A( p ) = p 6 + 3 p 5 + 5 p 4 + 12 p 3 + 6 p 2 + 9 p + 1
1 −1
3
5 4
12
6 3
9
1
0
3 −3
1
12 9
3
9 3
1
0
1 −1
3
3 2
6
1
0
3 −3
1
6 3
1
0
1
3
1
K=
1 3
K =3 K=
1 3
K =3
=> systém je stabilní [9]
41
4. Akční členy
4.1 Frekvenční měniče NN 4.1.1 Historie
Pokusy ekonomicky regulovat otáčky asynchronních motorů změnou frekvence byly realizovány již před druhou světovou válkou, avšak nebyla k dispozici vhodná technologie pro bezkontaktní spínání (použít bylo možné pouze řízené rtuťové usměrňovače). První průmyslově realizované frekvenční měniče se objevily koncem šedesátých let minulého století. Od té doby se značně vyvinula jak výkonová elektronika a její prvky (přechod od tyristorů k vypínatelným tyristorům GTO „Gate Turn Off“ a tranzistorům IGBT „Insulated Gate Bipolar Transistor“), tak i řídící technika (integrované obvody byly nahrazeny mikroprocesory). Průběžně s tímto vývojem rostla sériovost výroby, výrazně vzrostla i spolehlivost, pohodlnost obsluhy a snadné parametrizování. Měniče pro několik motorů (výrobní linky) navíc absorbovaly i nižší úroveň nadřazeného řídicího systému, takže mohou pracovat autonomně. Lze konstatovat, že v současné době jde o vývojově a technicky vyzrálé a spolehlivé výrobky. [35] 4.1.2 Nejčastější využití
Jedním z hlavních trendů v oblasti moderních regulovaných pohonů je snižování spotřebovávané elektrické energie a zvyšování jejich účinnosti. Takřka šedesát procent elektrické energie spotřebovávají elektromotory pro pohon mechanických zařízení. Jsou-li pohony neregulované, značná část této energie je neefektivně mrhána. Výrobci strojních mechanických
zařízení
proto
častěji
instalují
elektromotory
vzájemně
propojené
s frekvenčními měniči. Hlavními přednostmi tohoto řešení jsou kromě regulace otáček také rozběhy motorů, zabudované ochranné funkce a snížení mechanického opotřebení navazujících zařízení. Měniče frekvence lze najít ve spoustě aplikací, např. v pračkách, pohonech garážových vrat a závor, v tepelných čerpadlech, dopravnících, jeřábech, drtičích, dmychadlech, kompresorech, odstředivkách, pecích, papírenských strojích a válcovnách, na čerpadlech a ventilátorech v domácnostech i v průmyslu a v mnoha dalších úlohách. [36]
42
1.1.3 Princip funkčnosti
Fungování měniče frekvence lze nejlépe pochopit z blokového schématu na obr. 4.1. Je zcela zřejmé, že síťové napětí nejprve projde odrušovacím filtrem a poté se usměrní. Usměrňovač v nejběžnějších aplikacích je diodový. Ve stejnosměrném meziobvodu se napětí filtruje tlumivkou a kondenzátory a toto stejnosměrné napětí se přivede na vstup střídače, který opět vytvoří střídavou třífázovou síť, nyní však s proměnným napětím a frekvencí. Frekvenční měnič odebírá z napájecí sítě prakticky pouze činný výkon (cos φ ~ 1). Jalový výkon potřebný pro provoz motoru dodává meziobvod stejnosměrného napětí. Díky tomu je možné upustit od kompenzačních přístrojů cos φ na straně síťového napájení. Na výstup měniče frekvence je připojen asynchronní motor, jehož otáčky jsou přímo úměrné frekvenci. [45]
Obr. 4. 1. Schéma frekvenčního měniče [45]
Usměrňovač
Měnič s IGBT
Meziobvod stejnosměrného napětí
Řízení/regulace
1. Usměrňovač
Nejrozšířenějším typem usměrňovače je šestipulzní diodový můstek ve spojení s kondenzátorem v meziobvodu DC a indukčností, která je buď na stejnosměrné, nebo střídavé straně, popř. je zcela vynechána. Šestipulzní usměrňovač je jednoduché a podstatně levné řešení, ale je zdrojem většího množství harmonických složek proudu a to především páté, sedmé a jedenácté.
43
Je-li použit dvanáctipulzní usměrňovač, jenž je tvořen dvěma šestipulzními usměrňovači zapojenými paralelně, musí se použít třívinuťový napájecí transformátor, popř. dva dvouvinuťové transformátory. V obou případech je fázové posunutí 30°. Výhodou tohoto uspořádání je, že na straně zdroje jsou některé harmonické v protifázi, a tudíž dochází k jejich vzájemnému vyrušování. V tomto spojení se výrazněji uplatňuje pouze jedenáctá a třináctá harmonická. O variantě měniče s dvanáctipulzním usměrňovačem se obvykle uvažuje přibližně od výkonu nad 500 kW. [24]
Obr. 4. 2. Diodový usměrňovač [21]
1. Meziobvod
Střední část frekvenčního měniče může být považována za takzvaný sklad, odkud motor přes střídač čerpá svou energii. Meziobvod může být postaven dle třech různých principů, záleží na typu usměrňovače a silové části měniče, které ji budou používat.
U napěťově řízeného frekvenčního měniče se střední část skládá z filtru (kondenzátor s cívkou). Tento typ meziobvodu lze kombinovat s oběma typy usměrňovačů. Filtr vyhlazuje pulsující stejnosměrné napětí UZ1, které dodává střídači. [19]
Obr. 4. 3. Schéma vyhlazovacího filtru [21]
44
Silová část (střídač)
Střídač je posledním prvkem před motorem. Je to místo, kde je výstupní napětí finálně přizpůsobeno požadavkům motoru. Střídač nastavuje výstupní napětí požadavkům zátěže tak, aby měl motor dobré pracovní podmínky v celém regulačním rozsahu. Je tedy možné udržet optimální magnetizaci motoru i mimo jmenovitý provozní bod. [20] Ve střídači převažují tranzistory IGBT před tyristory. Jedná se o bipolární tranzistory s izolovaným hradlem. Ty mohou přepínat velmi rychle mezi vodivým a blokovaným stavem. V porovnání s tyristory mají tranzistory tu výhodu, že mohou vést nebo blokovat v celém svém rozsahu periody. Tyristor ve vodivém stavu nelze zavřít a to do té doby, než napětí na nich neprojde nulou. Pokud je třeba tyristor zavřít v jiném čase, jsou třeba speciální zhášecí obvody. [37] Tranzistory zvládnou vysoké spínací frekvence, což umožňuje snížit typický magnetický hluk motoru "pulzní magnetizace". Další značnou výhodou tranzistorů je, že vysoké spínací frekvence modulace výstupního napětí jsou velmi flexibilní. Řídící obvody frekvenčního měniče sepnou/vypnou tranzistor dle vzoru, který se hodí nejlépe. Tímto lze dosáhnout téměř perfektní sinusoidy na svorkách motoru. Spínací frekvence měniče je značným kompromisem. Vysoké frekvence vedou k vyššímu zahřívání motoru, což má za následek snížení jeho jmenovitého výkonu (tímto snížením jmenovitého výkonu se musí počítat při dimenzování pohonu). Nízké spínací frekvence mohou mít za následek rušivý hluk (pískání motoru). [46]
Obr. 4. 4. Vliv spínací frekvence na proud motoru [24]
45
4. Řídící obvod
Řídící elektronika posílá a přijímá signály z usměrňovače, meziobvodu a silové části. Přesně do kterých částí a jak řízení probíhá, závisí čistě na konstrukci FM. Společné pro všechny frekvenční měniče je, že signály z řídících obvodů ovlivňují silové polovodičové součástky tak, aby střídavě vedly nebo nevedly elektrický proud z meziobvodu frekvenčního měniče. Způsob řízení napájení motoru lze definovat dle různých principů a často se frekvenční měniče dělí právě podle tohoto vzorku: -
Proudově řízené frekvenční měniče – CSI (current source inverter)
-
Pulsně amplitudově modulovaný frekvenční měnič PAM (Pulse Amplitude Modulation)
-
Pulsně šířkově modulovaný frekvenční měnič PWM (Pulse Width Modulation) [44]
4.1.4 Druhy řízení asynchronních motorů
4.1.4.1 Skalární řízení
Skalární řízení frekvenčních měničů vychází z rovnic pro ustálený stav asynchronního stroje. Model motoru nerespektuje elektromagnetické jevy uvnitř stroje a z tohoto důvodu neumožňuje řízení okamžité hodnoty momentu, což má za následek zhoršující se dynamiku regulace rychlosti. [46] Pro dosažení maximálního možného momentu pomocí statorového proudu musí být velikost magnetického toku (Ψ) strojem konstantní a blízká jeho jmenovité hodnotě. K řízení na konstantní magnetický tok je především nutné řídit fyzikální veličiny (napětí U a frekvenci f) v konstantním poměru. Při zvyšování frekvence nad jmenovitou hodnotu je statorové napětí
konstantní, což zapříčiní pokles jmenovitého momentu motoru (pokles magnetického toku). V tuto chvíli je možné asynchronní motor popsat těmito rovnicemi: [25]
46
Obr. 4. 5. Frekvenční řízení na konstantní poměr U/f [46]
1.1.4.2 Vektorové řízení 1) Bez zpětné vazby
V případě tohoto režimu se využívá matematického modelu motoru založeného na parametrech motoru. Tento adaptivní model lze porovnat s referenčním modelem a tím získat chybový vektorový signál. Jinými slovy vypočítává se, v jaké vzdálenosti za rotorem se nachází točivé magnetické pole statoru. Tato chyba se předá PI regulátoru, který posléze kompenzuje případné chyby. Tento model řízení umožňuje získat přibližně jmenovitý moment, ale je to stále jen výpočet (odhad). [26] Momentová regulace je možná pro jednoduché aplikace, kde nepotřebujeme plný
točivý
moment
až k nule. Lze získat slušné řízení až do 1 Hz. Nepřesnost otáček je možno definovat v tomto rozmezí 0,1 až 0,5 %.
Obr. 4. 6. Blokové schéma nepřímého vektorového řízení [44]
47
2) Se zpětnou vazbou
V tomto principu řízení asynchronního motoru máme zpětnou vazbu od rotoru zaimplementovanou do frekvenčního měniče pomocí encoderu (snímač otáček), tj. není potřeba počítat velikost chyby vzhledem k statoru točivého magnetického pole. V tomto případě se porovnává skutečná hodnota otáček a porovná se s nastavenou (požadovanou) hodnotou a korelace se odešle do PI regulátoru. Výhodou tohoto režimu je především znalost skutečných otáček rotoru a tím i plná kontrola nad točivým momentem až do nulové rychlosti. Tento způsob řízení nám dává přesnost řízení otáček od 0.01 % až do 0.05 %. [44]
Obr. 4. 7. Blokové schéma přímého vektorového řízení [25]
1.1.4.3 Přímé řízení momentu DTC
Základní myšlenka metody DTC je naznačena na obr. 4. 8. Jádrem celého systému jsou hysterezní regulátory momentu a magnetického toku, které využívají optimalizovanou spínací logiku, čímž odpadá prvek modulátoru (PWM). Jedno z nejdůležitějších částí řízení je přesný model motoru. V něm se vypočítává skutečný moment, statorový magnetický tok a otáčky hřídele z proudu měřeného ve dvou fázích motoru, a ze stejnosměrného napětí v meziobvodu. Tyto výpočty se realizují v časových intervalech 40 000 za jednu sekundu, takže DTC „ví“ přesně, jak se chová hřídel motoru. Přesnost modelu motoru závisí na tzv. identifikačním běhu, který se uskuteční při uvádění pohonu do provozu. [37]
48
Obr. 4. 8. Přímé řízení moment DTC [37]
Referenční hodnoty momentu a toku jsou porovnávány se skutečnými hodnotami a řídící signály jsou generovány dvouúrovňovou hysterezní logikou. Vysoká kvalita řízení je dána tím, že každý regulační cyklus trvá pouze 25µs. V DTC není samostatný pulzně šířkový modulátor (PWM – Pulse Width Modulator), který by řídil napětí a frekvenci. Optimální spínací logika je realizována procesorem ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Metoda DTC je popisována jako spínání “just in time”, tj. každé sepnutí je potřebné a efektivně využité (u klasické metody PWM bývá 30 % sepnutí nevyužitých). [25]
Přesnost otáček je velmi dobrá v celém rozsahu, a to i bez nutnosti použití zpětnovazebního signálu (čidla otáček). V tabulce „tab. 4. 1“. Je znázorněno porovnání statické chyby otáček a dynamické chyby otáček jednotlivých typů řízení. Navíc při použití čidla otáček se pohon rovná stejnosměrnému pohonu (statická chyba otáček je 0,01 %), tj. splňuje nejvyšší požadavky jak na dynamiku, tak na přesnost. Dalšími přednostmi DTC jsou: překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí, letmý start, potlačení momentových rázů, snížení hladiny hluku, optimalizace magnetického toku motoru, brzdění tokem, dostupnost maximálního momentu i v nulových otáčkách. [46]
49
Druh
Statistická chyba otáček Dynamické chyba otáček
PWM
PWM
DTC
DTC
bez čidla
s čidlem
bez čidla
s čidlem
± 1 až 3 % ± 0,1 % ± 0,1 až 0,5 % ± 0,1 % 3%
0,3%
0,3%
0,4%
Tab. 4. 1. Srovnání přesnosti řízení [vlastní]
1.1.5 Vliv harmonických na síť
Výstupní část frekvenčního měniče je mnohem silnější zdroj rušení než vstupní část. Pokud frekvenční měnič tvoří požadované výstupní napětí o určité frekvenci svými spínacími tranzistory, je výstupní napětí realizováno krátkými napěťovými pulzy. Tyto pulzy tvoří rychlý nárůst vysokofrekvenčního napětí především v oblasti 100 MHz. Pokud je motor napájen tímto vysokofrekvenčním napětím, musejí být použity stíněné kabely pro jeho připojení. [24]
1) Vstupní síťové svorky
Vstup frekvenčního měniče je zapojen jako diodový usměrňovač (šesti pulzní, dvanácti pulzní, třiceti pulzní), který má na výstupu filtrační kondenzátor. Tento usměrňovač odebírá ze sítě nesinusový proud, který protéká obvodem pouze tehdy, je-li napětí sítě vyšší než napětí na filtračním kondenzátoru (proud s obsahem vyšších harmonických). Zkreslení proudu THiD dosahuje až 140 % (zejména 5., 7., 11., 13. harmonické). Použitím takzvané síťové tlumivky dojde k filtraci proudu a k poklesu THiD na hodnotu 40 %. [37] Síťové tlumivky se dále rozdělují na takzvané stejnosměrné/střídavé (viz obr. 4. 9). Každá z těchto tlumivek má své klady a zápory. Renomovaní výrobci frekvenčních měničů standardně vybavují svá zařízení stejnosměrnými tlumivkami.
50
Obr. 4. 9. DC a AC tlumivky [24]
Rušení vzniká pouze otevíráním a zavíráním vstupních diod. Toto rušení se přenese z výstupu na vstupní svorky zejména spínáním IGBT tranzistorů střídače, tj. dochází k poklesu a nárůstu napětí na filtračním kondenzátoru (impulzy s frekvencí 4-32 kHz a výše). Tyto změny jsou velmi rychlé a vlivem nedokonalosti filtračních kapacit (sériový odpor, vlastní indukčnost) se na přívodech kondenzátoru objevují jako napětí s kmitočty řádově 20 až 30 MHz. Toto napětí se již snadno dostává přes kapacity usměrňovacích diod na síťové svorky. [24]
2) Výstupní síťové svorky
Výstupní napětí má frekvenci PWM 2 až 16 kHz a napěťový rozkmit 560 V. Je to největší zdroj rušení ve frekvenčním měniči. Napětí na výstupu se přímo dostává na asynchronní motor, vlivem indukčnosti motoru je proud do motoru prakticky sinusový. Pro krátké napojení (cca do 20 metrů) frekvenčního měniče a motoru se kabely od motoru připojují rovnou na výstupní svorky frekvenčního měniče. Pokud by trasa pro napojení přesahovala již zmiňovanou délku 20 metrů, docházelo by k velkým nárazovým proudům, které dosti zatěžují tranzistory frekvenčního měniče. Tyto rázy má za následek poměrně velká kapacita vodičů proti stínění kabelu. Abychom předešli těmto jevům, doporučuje se použít jednu z těchto alternativ: -
magnetický toroid,
-
motorové tlumivky,
-
filtr Ud/dt,
-
sinusový filtr. [24, 36]
51
4.1.6 Výhoda použitelnosti
Hlavní předností z hlediska napájecí sítě je především odebíraný proud s účiníkem (cos φ) blízkým jedné. Z toho jednoznačně vyplývá příznivá okolnost - není třeba instalovat kompenzaci účiníku. Z hlediska energetických ztrát má měnič frekvence obvykle účinnost okolo 98 %. Z hlediska použití jsou nejdůležitějším parametrem energetické úspory, proto se měniče frekvence běžně v průmyslu instalují. Nezanedbatelné jsou však i jiné vlastnosti, tj. zcela plynulý rozběh motoru, snadná, rychlá a přesná regulace, možnost nadřazeného řízení po komunikační sběrnici, maximální dosažitelný moment (150 % až 200 % svého jmenovitého momentu), malé opotřebení mechanického zařízení. [35]
52
4.2 Frekvenční měnič VN 4.2.1 Úvod
Pohon Perfect Harmony od společnosti Siemens je založen na patentované (patent USA č. 5,625,545) technologii víceúrovňového výstupu. Střední hladina napětí se získává sčítáním výstupů většího počtu nízkonapěťových výkonových buněk. Nízkonapěťové buňky
představují zjednodušenou verzi standardních motorových pohonů PWM pro nízkonapěťový provoz, které jsou vyráběny ve velkém již mnoho let. Každá fáze motoru je poháněna x buňkami zapojenými do série. Skupiny výkonových buněk jsou zapojeny do hvězdy s neuzemněným nulovým vodičem. Každá buňka je napájena izolovaným sekundárním vinutím vestavěného izolačního transformátoru. Každé z těchto x sekundárních vinutí je dimenzováno pro napětí 690 VAC.
Obr. 4. 10. Topologie VN frekvenčního měniče [30]
Každá výkonová buňka je jednoduchým výkonovým měničem. Ten má příkon 690 VAC, třífázový, 50/60 Hz a dodává jednofázový proud o proměnné frekvenci od 0,5 Hz až po maximální jmenovitou výstupní frekvenci pohonu.
53
4.2.2 Vliv vyšších harmonických na síť
Sekundární vinutí transformátoru, která napájí výkonové buňky v každé z výstupních fází, jsou navinuta tak, aby mezi nimi byl malý rozdíl ve fázovém úhlu. Tím se vyruší většina harmonických proudů vyvolávaných jednotlivými buňkami a proudy v primárním vinutí mají tedy téměř sinusový průběh. Účiník je vždy vysoký – typická hodnota je 95 % při plné zátěži. Vstupní křivky pohonu Harmony pro pohon při plné zátěži:
Obr. 4. 11. Vstupní křivky pohonu Perfect Harmony [30]
Všimněte si, že na obrázku je vstupní proud opožděn za vstupním napětím při plné zátěži o méně než 15°. To znamená hodnotu účiníku vyšší než 96 %. Pohony řady Harmony za všech okolností udržují vysoký účiník; typická hodnota je více než 95 % v celém rozsahu rychlosti a zátěže. Poznámka: Zobrazené křivky představují nejhorší případ pohonu řady Harmony,
kdy jsou v každé fázi pouze 3 buňky. Při použití více buněk (jako u pohonů s 12 nebo 15 buňkami) se křivky podstatně zlepší.
Obr. 4. 12. 15buňkový pohon Harmony při plném výkonu [30]
54
4.2.3 Vysoký účiník
Pohon řady Perfect Harmony vykresluje téměř dokonalou sinusoidu vstupního proudu s účiníkem přesahujícím 94 % v celém rozsahu výstupní frekvence, a to bez použití externích kondenzátorů pro korekci účiníku. Eliminují se tak postihy ze strany dodavatelů
proudu za maximální odběr a zlepšuje se regulace napětí. Navíc nedochází k přetěžování napájecích kabelů, jističů a transformátorů jalovým výkonem. Řada Perfect Harmony je obzvláště vhodná pro aplikace o nízkých otáčkách, protože i při použití standardních indukčních motorů je v celém výstupním rozsahu udržován vysoký a stabilní účiník.
4.2.4 Výstupní sinusové napětí
Konstrukce pohonů s frekvenčním měničem řady Perfect Harmony sama o sobě zajišťuje sinusový výstup bez použití externích výstupních filtrů. To znamená, že tento pohon vytváří napěťovou křivku s nízkým výstupním zkreslením, která nevytváří žádný významný hluk motoru. Navíc není nutné snižovat výkon motorů (tento pohon lze použít jak u nových, tak u stávajících motorů). Pohony Perfect Harmony dokonce eliminují škodlivé harmonické vytvářené pohony VFD, které způsobují zahřívání motoru. Dále dochází k eliminaci kolísání momentu vyvolávaného pohony VFD (a to i při nízkých otáčkách), a tím dochází ke snížení namáhání mechanického zařízení. Dochází také k minimalizaci zatížení souhlasným napětím a zatížení dv/dt. Obvyklý graf výstupního proudu z pohonu Perfect Harmony naleznete na obrázku:
Obr. 4. 13. Výstupní proud z pohonu Perfect Harmony [30]
55
4.2.5 Konfigurace usměrňovače
Vstup každé výkonové buňky pohonu se konfiguruje šestipulsním neřízeným diodovým usměrňovačem. Vstupní transformátor má pro každou buňku speciální sekundární vinutí, tj. sekundární vinutí transformátorů jsou uspořádána do trojúhelníku nebo rozšířeného trojúhelníku s různě velkým fázovým posuvem. Konfigurace typických pohonů s frekvenčním měničem Perfect Harmony sestává z 3 až 8 sériově zapojených buněk v každé výstupní fázi.
Efektivní konfigurace usměrňovače je následující:
• 3 buňky/fáze = 18 impulzů • 4 buňky/fáze = 24 impulzů • 5 buněk/fáze = 30 impulzů • 6 buněk/fáze = 36 impulzů • 7 buněk/fáze = 42 impulzů • 8 buněk/fáze = 48 impulzů
4.2.6 Popis bypassu výkonových buněk
Každá buňka pohonu může být volitelně vybavena stykačem bypassu. Stykač je aktivován automaticky hlavním ovladačem pohonu s frekvenčním měničem, jestliže dojde k poruše příslušné buňky. Po aktivaci stykače je poškozená buňka elektricky odpojena ze systému střídače, což umožňuje obnovit chod pohonu. Protože jsou napájecí buňky v každé fázi pohonu Perfect Harmony zapojeny do série, nemá bypass žádný vliv na maximální proud pohonu - sníží se pouze maximální výstupní napětí. Požadované napětí motoru je obvykle zhruba úměrné rychlosti, což znamená snížení maximální rychlosti, při které je pohon schopen splnit požadavky dané aplikace.
56
4.2.7 Funkce bypassu výkonových buněk
Pro určení, zda je možná transformace nahoru/dolů s aktivním bypassem buněk, nejprve vypočteme maximální výstupní napětí pohonu se všemi buňkami v chodu (Vdostupné), jak je uvedeno níže. Je-li x nejvyšší počet buněk s aktivním bypassem ve dvou fázích, vypočteme výkon pohonu s bypassem buněk (Vout_bypass) tak, jak je uvedeno níže. Předpokládáme-li, že Vin je vstupní napětí, s nímž chceme pohon synchronizovat, umožní software NXG transformaci nahoru nebo dolů pouze tehdy, platí-li Vout_bypass > Vin.
Vdostupné [V] = 1,78 * (počet buněk) * (napětí buňky) * Vin / Vjmenovité * (nastavení odbočky transformátoru) kde:
-
1,78 = součinitel pro tři fáze násobený součinitelem třetí harmonické složky
-
počet buněk = počet sériově zapojených buněk v jedné fázi
-
napětí buňky = napětí výkonové buňky (Vrms)
-
Vin = měřené napětí ve vstupním vedení (Vrms)
-
Vjmenovité = jmenovité vstupní napětí pohonu s frekvenčním měničem (Vrms)
Mějme pohon Genllle s 18 buňkami. Maximální výstupní napětí, kterého je pohon schopen dosáhnout při odbočce transformátoru v poloze +5 % a při jmenovitém napětí ve vedení, je následující:
Vdostupné = 1,78 * 690 * 6 * 0,95 * (1) = 7001 V
Nyní aktivujeme bypass některých buněk tak, že zůstane 6 buněk ve fázi A, 5 buněk ve fázi B a 4 buňky ve fázi C; maximální napětí, kterého je pohon schopen dosáhnout při stejném nastavení jako v předchozím vzorci, je následující (při X = 1 + 2 = 3, kdy je aktivní bypass 2 buněk ve fázi CD a jedna buňka ve fázi B):
Vout_bypass = 7001 * {[(2 * 6) - 3] / (2 * 6)} = 5251 V [30]
57
5. Snímače 5.1 Měření teploty odporovými teploměry 5.1.1 Úvod
Nultá věta termodynamická říká, že každý termodynamický systém (těleso) dospěje po určité době do stavu termodynamické rovnováhy, který je jednoznačně určen jediným parametrem, tj. teplotou. Z toho plyne, že jsou-li termodynamické systémy navzájem v termodynamické rovnováze, pak tyto systémy mají stejnou teplotu. Teplota je intenzivní stavová veličina, tj. nezávisí na velikosti systému. Teplota patří k několika málo veličinám, které nelze měřit přímo, ale měří se pomocí jiných fyzikálních veličin jako např. objemová a délková teplotní roztažnost látek, změna elektrického odporu kovů nebo polovodičů, vznik kontaktního napětí a další. [19] Teplota je jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin. Ovlivňuje téměř všechny stavy a procesy v přírodě i technice. Pominou-li se klasické rtuťové a kovové bimetalové teploměry, používají se převážně k měření teploty standardní měřicí řetězce sestavené z čidla, převodníku, vyhodnocovací a zobrazovací jednotky. Převod teploty na elektrický signál zajišťuje čidlo, jehož signál se v převodníku zesiluje, upravuje a obvykle digitalizuje. Převodník a vyhodnocovací jednotka zpravidla tvoří jeden celek. V poslední době se často nabízejí jako inteligentní (SMART) snímač teploty. [38]
5.1.2 Princip měření
Měření teploty odporovými teploměry je založeno na vlastnosti společné všem vodičům a polovodičům, kterou je závislost jejich elektrického odporu (dále jen odporu) na teplotě. Tato vlastnost víceméně závisí na konkrétním materiálu. Relativní změna odporu v závislosti na teplotě (dR/dt), je známá jako teplotní koeficient, jehož hodnota obvykle není konstantní v rozsahu měřených teplot, ale je funkcí teploty. Výsledkem je matematický vztah mezi odporem a teplotou, který má formu mnohočlenu vyššího řádu. [27]
58
Kovové odporové senzory vychází z teplotní závislosti elektrického odporu kovu. Kov si lze zjednodušeně představit jako krystalovou mřížku, v jejichž uzlových bodech jsou umístěny atomy kovu a mezi nimi se chaoticky pohybují elektrony. Atomy kovu kmitají kolem uzlových bodů mřížky. S rostoucí teplotou se amplitudy těchto kmitů zvyšují, dochází k rozptylu vodivostních elektronů (elektrický odpor kovu se zvětšuje). [39]
Základní parametry
V teplotním intervalu 0°C – 100°C roste elektrický odpor s teplotou přibližně lineárně podle vztahu: [38] Rt = R0 [1 + α (t − t 0 )] -
Rt je odpor senzoru při teplotě t
-
R0 je odpor senzoru při teplotě t0
-
α je teplotní součinitel odporu
Obr. 5. 1. Závislost odporu na teplotě [38]
Při měření odporu se čidlo v principu napájí zdrojem konstantního proudu a měří se úbytek napětí na čidle. Zjednodušené schéma řešení vstupních obvodů (např. podle aplikační poznámky firmy Amit) je znázorněn na obr. 5.2, kde se využívá odporový dělič (na proměnném odporu je měřen úbytek napětí). Čím větší by byl odpor Rser, tím bychom se více přibližovali zapojení se zdrojem konstantního
proudu.
V praxi
jsou obvody doplňovány filtry, ochranami proti přepětí atd.
Obr. 5. 2. Vstupní obvod řídicího systému AMIT [33]
59
2.1.3 Chyby měření 1) Galvanické problémy
Tyto problémy nastávají nejčastěji. Jejich příčiny bývají jednak v nekvalitních projektech, jednak v odbyté realizaci. Galvanické ovlivňování měřené hodnoty čidel nastává tehdy, když do vstupních obvodů měření teploty protéká vodivou vazbou nežádoucí proud z jiných okruhů. Tento proud buď přímo prochází vstupem regulátoru do společné země, nebo vytváří na vedení od čidla k regulátoru úbytek napětí, který měřenou hodnotu zkresluje. Typicky k tomuto dochází při společné zemi pasivních čidel a čidel aktivních (tlak vody, relativní vlhkost atd.). [33]
Obr. 5. 3 Správné připojení pasivního čidla [33]
2) Indukované rušení
Indukované rušení je zákeřné v tom, že se šíří bezdrátově. Indukované napětí může pocházet z nejrůznějších zdrojů. Obvykle to jsou frekvenční měniče, fotovoltaické střídače, spínané zdroje nebo cizí systémy, jako motory, průmyslové přístroje či jiné spotřebiče. Základ pro ochranu proti indukovanému rušení:
-
souběhy vedení mimo rozvaděč: ačkoli doporučení udávají samostatné trasy
pro silnoproud a sdělovací vedení s odstupem alespoň 20 cm nebo kanály oddělené
60
vodivou přepážkou, v praxi se zvláště u střešních venkovních VZT jednotek používají společné trasy -
souběhy vedení v rozvaděči: snažme se silová vedení a sdělovací vedení vést
po opačných bocích skříně, oddělovat silové prvky (stykače, frekvenční měniče) a vstupní měřicí moduly, a pokud možno udržovat vedení co nejkratší (vhodným umisťováním přístrojů na desku rozvaděče) -
instalace filtrů k přístrojům, které by je měly mít a nemají: to je spojeno
s vícenáklady, což investor nese s nelibostí nebo zamítne zcela („problém je v měření a regulaci, ne v technologii“) [40]
2.1.4 Zapojení odporových senzorů do měřícího obvodu
Při měření odporovými senzory se musí vzít v úvahu, že naměřená hodnota teploty je ovlivněna odporem vodičů, kterými je senzor k měřicímu přístroji připojen. Nejběžnějším způsobem jak určit změnu hodnoty odporu čidla je připojením ho do vyváženého Wheatstonova (odporového) můstku. Odporové čidlo o odporu Rt je zapojeno do jedné větve vyváženého odporového můstku. Změna teploty vyvolá změnu odporu čidla, čímž dojde k rozvážení můstku. Příkladem je dvouvodičové zapojení, které je zachyceno na následujícím obrázku. Můstek je vyvážen při určité teplotě; pokud se teplota změní, dojde ke změně odporu vedení, která je příčinou chyby při měření teploty.
U
zapojení
není
odporu
vedení
protože
se
v jedné
větvi
zapojení
dvouvodičového teplotní
změna
kompenzována,
vyskytuje
pouze
můstku.
poskytuje
Toto
nejmenší
přesnost měření. Z těchto důvodů se používá pouze pro běžná měření na kratší vzdálenosti. [19] Obr. 5. 4. Dvouvodičové zapojení [19]
61
Následujícím příkladem je třívodičové zapojení. Jak je patrné z následujícího obrázku, odpor vedení se mění s teplotou současně ve dvou větvích můstku, proto se přírůstky odporu vedení v každé z obou větví téměř vyruší. Vliv teplotních změn odporu vedení
na
měření
se u třívodičového ve srovnání
teploty zapojení
s dvouvodičovým
zapojením zmenší (nikoli odstraní). Třívodičové zapojení je nejběžněji využívaným
zapojením,
které
kompenzuje vliv teplotních změn odporu vedení do délky 100 m. [39] Obr. 5. 5. Třívodičové zapojení [19]
62
5.2 Měření průtoku a množství tekutin Měření průtoku množství tekutin patří do oblasti velmi důležitých (především bilančních) měření. Při vlastním návrhu snímače a jeho konstrukčním řešení, výběru a instalaci se obvykle vyskytne mnoho problémů, ať již z hlediska druhu (kapalina, pára, plyn) a vlastností (např. tlak, teplota, hustota, viskozita, znečištění pevnými látkami, elektrická vodivost, výbušnost, chemické vlastnosti atd.) měřené tekutiny nebo z hlediska správnosti a přesnosti výsledků měření. Důležité jsou také druhy proudění (laminární nebo turbulentní), tvary rychlostního profilu v potrubí (kanálu), časové změny měřeného průtoku apod. Všechny tyto okolnosti mají vliv na volbu fyzikálního principu snímače pro danou aplikaci. [19]
5.2.1 Rozdělení snímačů průtoku 1) Objemové snímače
Z objemových průtokoměrů jsou pro provozní měření zajímavé především spojitě pracující snímače, jejichž odměrné nádoby se samočinně střídavě plní a vyprazdňují. Protože potřebnou energii dodává samotná proudící tekutina, vzniká zde trvalá tlaková ztráta. Objemové (jinak také dávkovací) průtokoměry mají velmi často impulsní výstup, což je jejich velkou výhodou. Všechny jejich konstrukce jsou ale velmi náročné na přesnost výroby mechanických částí. -
zvonové – nespojité (s přerušovanou činností), pro plyny: jsou určeny pro laboratoře,
pro nejpřesnější měření
-
bubnové – spojité (s nepřerušovanou činností), pro plyny i kapaliny: měřicí rozsah
pro kapaliny je 0,1 až 7m3h–1 při přesnosti ±1 %, pro plyny 0,25 až 25 m3h–1 (laboratorní typy) a 300 až 104 m3h–1 při přesnostech ±0,2 až ±1 %;
-
pístové – spojité, se dvěma rotujícími písty ve tvaru ozubených oválů navzájem
v ozubení spojených (odtud také název oválové měřidlo), měřicí rozsah 1dm3h–1 až 2 m3h–1, některé typy 3,5 až 7 m3h–1, provozní tlak až 2 MPa a teplota 120 °C. [42]
63
2) Rychlostní snímače
Rychlostní snímače průtoku jsou v provozech nejpoužívanější. Je jich velké množství druhů, konstrukcí a provedení s různými druhy výstupních signálů, korekčních obvodů apod. Jednotlivé typy rychlostních snímačů průtoku se liší způsobem měření střední rychlosti proudění. [19] Používají se průtokoměry:
-
indukční – pouze pro elektricky vodivé kapaliny, včetně tekutých kovů: velmi vhodné
pro širokou oblast použití při světlosti potrubí od 0,002 do 2 m, neobsahují pohyblivé části, mohou pracovat v libovolné poloze a měří při obou směrech proudění
-
ultrazvukové – dotykové a bezdotykové, hlavně pro kapaliny ve velkých potrubích:
využívá se unášení ultrazvukového signálu proudící tekutinou, změny rychlosti šíření tohoto signálu tekutinou (pro relativně čisté tekutiny), popř. odrazu signálu od překážky v proudu tekutiny (např. vzduchových bublin nebo nečistot – Dopplerův jev); měřené rychlosti proudění do 13 m·s–1 při teplotě do 260 °C; světlosti potrubí od 0,006 m do 3 m; nutné přímé úseky potrubí před snímači
-
průřezové (škrticí orgány) – normovaná clona, dýza, Venturiho dýza, Venturiho trubice, čtvrtkruhová dýza, dvojitá clona a pro znečištěné tekutiny a kaly segmentová
clona: výstupním signálem je rozdíl tlaků, vyvolávají trvalou tlakovou ztrátu
-
rychlostní sondy – Pitotova a Prandtlova trubice k měření okamžité rychlosti
proudění a výpočtu střední rychlosti; několikaotvorové sondy k přímému měření střední rychlosti proudění a tím i průtoku se zasouvají kolmo na směr proudění v potrubí - na náběžné straně jsou čtyři, šest, osm i více otvorů ke snímání střední hodnoty celkového tlaku a na odtokové straně jeden (popř. stejný počet jako na náběhové straně) otvor ke snímání tlaku v úplavu. Jsou vhodné především v potrubích velkých světlostí, vyvolávají nepatrnou trvalou tlakovou ztrátu a deformace rychlostního profilu nemá vliv na přesnost měření. [42]
64
5.3 Termistory 2.3.1 Úvod
U polovodičových senzorů teploty se podobně jako u kovových využívá teplotní závislosti odporu na teplotě. Na rozdíl od kovů je ale princip vodivosti polovodičů odlišný, a proto jsou jiné i vlastnosti těchto senzorů. Vedení proudu v kovech zajišťují valenční elektrony, které jsou k jádru vázány velice slabě a vytváří tzv. elektronový plyn. S rostoucí teplotou se zvyšuje amplituda kmitů jednotlivých atomů, které tak znesnadňují elektronům průchod a zvyšují elektrický odpor materiálu. U polovodičů je tomu ovšem jinak. Při teplotě absolutní nuly jsou všechny elektrony pevně vázány ke svým jádrům a materiál nemůže vést proud. Elektronům je třeba dodat určitou energii k tomu, aby „přeskočily“ přes tzv. zakázaný pás do pásu vodivostního a mohly se účastnit vedení proudu. Touto energií může být např.
energie elektromagnetického pole nebo energie tepelná. S rostoucí teplotou tedy bude koncentrace nosičů náboje růst a elektrický odpor materiálu se bude snižovat. Zatímco se tento jev snažíme u klasických polovodičových součástek potlačit, u termistorů se ho naopak snažíme vhodnou technologií a složením zvýraznit. [41]
2.3.2 NTC termistory
Již v názvu mají termistory NTC (Negative Temperature Coefficient) záporný teplotní součinitel odporu, což odpovídá výše zmíněnému jevu. S rostoucí teplotou se zvyšuje koncentrace nosičů náboje a elektrický odpor klesá. Polykrystalické NTC termistory se vyrábí práškovou technologií spékáním oxidů Fe2O3, TiO2, CuO, apod. Kromě termistorů pro běžné teplotní rozsahy -50 °C až 150 °C se vyrábí i speciální termistory pro nízké (od cca 4 K) a vysoké teploty (zhruba do 1000 °C). NTC termistory se dobře uplatní v méně náročných aplikacích, pro bodové měření
a pro měření malých nebo rychlých změn teploty. Jsou snadno dostupné a obvykle mají i příznivou cenu. K dostání jsou ovšem i termistory s vysokou přesností, širokým rozsahem teplot a značnou stabilitou. [19]
65
2.3.3 PTC termistory
Termistory PTC (positive temperature coefficient) mají na rozdíl od NTC termistorů kladný teplotní koeficient. Jak je zřejmé z grafu (viz níže), vykazují termistory PTC nelineární závislost odporu na teplotě. Jejich odpor s rostoucí teplotou nejprve mírně klesá
a po překročení Curieovy teploty strmě roste. Po nárůstu zhruba o tři řády hodnota odporu opět mírně klesá (s touto částí charakteristiky se však již obvykle nepracuje). V grafu je vyznačeno několik důležitých údajů (odpor termistoru R0 při teplotě 25 °C, minimální odpor Rmin, teplota přechodu TTR a teplotní koeficient α). Teplota přechodu TTR úzce souvisí s Curieovou teplotou, kterou je však složité stanovit. Proto bývá obvykle definována jako teplota, při které je odpor termistoru v určitém poměru k minimální hodnotě odporu Rmin nebo k R0.
Obr. 5. 6. Závislost teploty na odporu [41]
Referenční teplota PTC termistorů (teplota přechodu) závisí na chemickém složení a obvykle se používá teplota v rozsahu 60 °C až 180 °C. Použití PTC termistorů plyne z tvaru jejich charakteristiky. Lze využít jejich velmi vysokého teplotního součinitele odporu a pro měření teploty ve velmi úzkém teplotním pásmu nebo lze PTC termistory použít jako dvoustavové senzory například pro signalizaci překročení určité teploty. Většina aplikací však využívá toho, že se termistor průchodem proudu sám ohřívá. [41] 66
7. Praktická část 7.1 Úvod do problematiky Abychom byli schopni vytvořit kvalitní technologické schéma celé vzduchotechniky, musíme nejprve pochopit princip a funkčnost tohoto zařízení. Mým cílem a zároveň úkolem bylo navrhnout a vytvořit P&I diagram celé technologie. Na základě projekčních vzduchotechnických podkladů jsem vhodně napočítal potřebné radiální ventilátory, a to jak pro přívod čerstvého vzduchu, tak i pro odtah vzdušiny z větraného objektu. Na základě vzduchotechnických parametrů těchto ventilátorů (příkon na hřídeli) jsem vhodně nadimenzoval jejich pohony (frekvenční měniče a asynchronní motory). Mým hlavním cílem nebylo pouze navrhnout technologické schéma celého systému, nýbrž řídicí systém této technologie. Abych mohl vytvořit kvalitní řídicí „regulační“ systém pro 100% využívání rekuperačního systému, musel jsem vybrat vhodné snímače a akční členy. Výběr vhodných snímačů a akčních členů však nestačí pro kvalitní regulační systém. Tyto prvky musejí být vhodně umístěny a hlavně odborně instalovány. Pokud jsou dodrženy tyto principy, lez dosáhnout sofistikovaného řídicího systému. Mozkem řídicího rozvaděče byl vybrán PLC systém od firmy AMIT (firma AMIT je přední český výrobce řídicích systémů, počítačů a elektroniky pro průmyslovou automatizaci). Pro tuto aplikaci byl zvolen kompaktní řídicí systém AMAP99S s rozšiřujícími moduly (viz tabulka níže). Popis
Výrobce
Typ
Počet
Kompaktní automatizační stanice
AMIT
AMAP99S
1
Ovládací panel 4 x 20zn
AMIT
APT130
1
Propojovací kabel k ovládacímu panelu
AMIT
KAB
1
Modul analogových výstupů
AMIT
AM-AO2U
3
Napájecí zdroj 24VDC/3A
AMIT
Tab. 7. 2. Sestava řídicího systému AMIT [vlastní]
67
1
Řídicí systémy AMAP99S byly speciálně navrženy pro řízení malých až středně velkých autonomních celků především v oblasti řízení tepelných soustav a podnikové energetiky. Snadným sesíťováním řídicích systémů lze vytvořit relativně rozsáhlé celky měření a regulace jak z hlediska teritoriálního, tak i z pohledu celkového počtu technologických vstupů a výstupů. Řídicí jednotka v základním uspořádání obsahuje tyto počty vstupů / výstupů: Číslicové vstupy Typ číslicových vstupů Číslicové výstupy Typ číslicových výstupů Analogové vstupy Typ analogových vstupů Analogové výstupy Typ analogových výstupů Komunikační linky Krytí Napájení Pracovní teplota Rozměry (š x v x h) Montáž
24 24 V ss. / stř. 19 relé + 4 19x relé (230 V / 6 A), 4x 24 V /0.5 A ss. 15 0..5 V, 0..10 V, 0..20 mA, Ni1000 (samostatně nastavitelné) až 6 0..10 V (modul AM-AO2U), 0..20 mA (modul AM-AO2I) 1 x RS232, 1x Ethernet, 1x volitelná linka pomocí komunikačního modulu řady AM-xx IP20, kovový kryt 24 V ss. ±20% 0..65 °C (AMAP99S) -20 ..65 °C (AMAP99S/I2) 423 x 230 x 50 mm montáž na základovou desku rozvaděče Tab. 7. 3. Kompaktní řídicí systém AMAP99S [vlastní]
Abych dokázal zdárně nakreslit silové a ovládací elektrické schéma řídícího rozvaděče (viz příloha) a vytvořit zdrojový kód řízení onoho systému, musel jsem nejprve pochopit funkčnost celé této technologie. Na první pohled si člověk řekne, že na klimatizačních jednotkách není nic až zas tak složitého, ale opak je pravdou. Spousta programátorů klimatizačních jednotek pořádně nezná princip jednotlivých vzduchotechnických prvků a tato teoretická neznalost se zřetelně projevuje na systému regulace. Bez této teoretické znalosti bych nebyl schopen navrhnout jeden z nejdůležitějších algoritmů této technologie, kterým je
68
efektivní řízení rekuperačního zařízení. Jednoduše řečeno - efektivní řízení rekuperačního zařízení nám šetří provozní náklady celé klimatizační soustavy.
7.2 Rozbor funkčních prvků klimatizace 7.2.1 Princip klimatizace
Vzduchotechnika je zařízení určené pro zajištění čistého a zdravého vzduchu v daných prostorách. Lidé a zařízení v daných prostorách vyžadují různé podmínky. Existuje množství fyzikálních veličin, které jsou ovlivňovány vzduchovou výměnou v objektu. Je to např. teplota, vlhkost, množství čerstvého či vyměněného vzduchu, čistota vzduchu atd. Vzduchotechnika je vlastně jakási skládačka, která se nastavuje pro daný typ prostředí individuálně. Nejčastější problémy, se kterými se majitelé a provozovatelé setkávají, jsou: nedostatečné větrání a vytápění, neúčinné odsávání pachů a škodlivin, nedostatečná údržba nainstalovaného vzduchotechnického zařízení, vysoká hlučnost a prašnost pronikající z vnějšího prostředí, vysoká tepelná zátěž tj. neúčinné chlazení a další. Klimatizační zařízení je nákladná investice, a jako takové vyžaduje kvalifikovanou obsluhu a údržbu, se kterou je nutno počítat v provozních nákladech. [31] Odborník v oboru klimatizace musí mít znalosti zejména z oblastí:
-
vzduchotechniky a psychrometrie
-
chlazení
-
vytápění
-
elektrotechniky
-
regulace a řídicích systémů [28]
69
7.2.2 Rozbor funkčních prvků Klimatizační zařízení podle svého provedení a typu může v místnosti vykonávat tyto funkce:
-
větrání
-
chlazení
-
vytápění
-
zvlhčování vzduchu
-
odvlhčování vzduchu
-
filtraci (ionizaci) vzduchu
Na mnou vytvořeném P&I diagramu klimatizační jednotky si rozebereme funkčnost jednotlivých prvků, posléze celé technologie. Tento popis je důležitý pro pochopení zdrojového kódu a elektrických schémat řídícího rozvaděče. P&I diagram vzduchotechnické technologie:
Obr. 7. 1. P&I diagram klimatizační jednotky [vlastní]
70
7.2.3 Rekuperace
Zjednodušeně řečeno, rekuperační zařízení využívá teploty vzduchu odsávaného z větraného objektu k ohřevu chladného vzduchu, který je přiváděn zvenku. V létě je
to naopak, tj. teplý vzduch je odváděn ven a dovnitř proudí chladný. Příchozí a odchozí vzduch se přitom nikdy nepotkají, pouze si přes speciální výměník předají teplotu. Při
tomto principu nedochází k žádnému přenosu hmoty mezi odpadním a přiváděným vzduchem, a proto se obecně hodí pro znečištěný odpadní vzduch. Konstrukční provedení můžou být velmi odlišná. Základním typem je trubkový rekuperační výměník. Výhodou tohoto řešení je velmi dobrá čistitelnost, tj. tento typ se používá zejména v průmyslu. Nevýhodou je relativně malý povrch a z toho vyplývající nízká účinnost, která bývá 20-40%. Vyšších účinností obvykle v rozmezí 40-70% dosahují deskové křížové rekuperátory. Jejich konstrukce je kompaktní a relativně jednoduchá. Desky výměníku mohou být z různých materiálů (nerez, ocel, hliník, plasty) a bývají slepeny nebo jinak mechanicky spojeny, sletovány nebo svařeny, výjimečně i sešroubovány. Profil desek a šířka průduchů záleží na předpokládaném znečištění vzduchu. Se zvyšující se účinností, které je dosahováno uspořádáním, tvarováním desek a zvětšující se měrnou plochou ovšem klesá čistitelnost a stoupají tlakové ztráty. Ještě vyšších účinností v rozsahu cca 60 až 90 % je možné dosáhnout protiproudým uspořádáním a kanálkovým profilem průtokových cest výměníku. Deskové rekuperační výměníky jsou velmi rozšířené především v zařízeních s menším průtokem vzduchu pro menší provozovny. Konstrukce a účinnosti
Nejčastější je provedení deskových výměníků s kolmým křížením proudů ve tvaru čtverce. Teplotní účinnost deskových výměníků s křížením proudů je 40 až 80%. [34, 28]
Obr. 7. 2. Schéma deskového výměníku s křížovým proudem [34]
71
7.2.4 Regenerace
Regenerační systém zpětného získávání tepla využívá hmoty výměníku k akumulaci tepelné energie a případně i vlhkosti. Teplo se střídavě předává z odpadního vzduchu do hmoty a odevzdává do přívodního vzduchu, to znamená, že teplosměnný povrch hmoty je omýván střídavě odpadním i přívodním vzduchem. V současnosti se nejčastěji používají dva systémy. Jeden s použitím rotačního regeneračního výměníku, kdy akumulační hmota je tvořena válcem s průtočnými kanálky, který se otáčí v prostoru mezi vzduchovými kanály a střídavě zasahuje půlkou objemu hmoty do obou kanálů. Druhým principem je přepínání, kdy akumulačním blokem protéká střídavě pomocí
přepínacích
klapek
odpadní
a
přívodní
vzduch.
Aby
nedocházelo
k nerovnoměrnostem proudění, jsou obvykle použity dva shodné akumulační bloky a klapkový systém přepíná proudění střídavě mezi nimi. Konstrukce a účinnosti
Obr. 7. 314. Rotační rekuperátor se svislou osou otáčení [34]
Účinnost může být podobně jako u rekuperace až 100%, ale reálná účinnost bývá 60 až 80%. V závislosti na konstrukčním řešení výměníku není obvykle u regeneračních výměníků zajištěna 100% těsnost, a proto se tento typ hodí většinou pro jiné aplikace než rekuperátory. [28]
72
7.2.5 Filtrace
Ve větrání a klimatizaci je filtrace atmosférického vzduchu nedílnou součástí a základním principem k dodržení požadované čistoty vnitřního ovzduší v klimatizovaném prostoru a k jeho ochraně před tuhými a kapalnými znečišťujícími látkami. Dále slouží filtrace atmosférického vzduchu k ochraně komponent větracích a klimatizačních zařízení. Vícestupňová filtrace je nepostradatelnou součástí vysoceúčinné filtrace při vytváření čistých prostorů, kde jsou požadavky na vysokou čistotu vzduchu technologických procesů. Filtry atmosférického vzduchu jsou i nepostradatelnou součástí odsávacích a odlučovacích systémů, tam kde je použito oběhového vzduchu nebo ZZT. Mezi základní parametry filtrů patří účinnost filtrace a tlaková ztráta filtru. Účinnost filtrace záleží na závislosti frakční odlučivosti vláknité vrstvy a na charakteru znečištění atmosférického vzduchu pevnými či kapalnými částicemi. Účinnost filtrace se v praxi podobně jako u filtrace průmyslové vyjadřuje celkovou odlučivostí OC (%),
kde CP je koncentrací příměsí před filtrem a CV - koncentrace na výstupu z filtru, koncentrace příměsí se uvádějí buď jako hmotnostní (v mg/m3 nebo µg/m3), nebo početní (v l/m3). Tlaková ztráta filtru v čistém stavu vychází
z tlakové ztráty filtračního materiálu a ztráty třením při průchodu vzduchu jednotlivými štěrbinami, které jsou tvořeny
filtračním
materiálem.
Pro
provoz
filtrů
atmosférického vzduchu je důležitá znalost změny jejich tlakové ztráty ∆pF se zanášením. Tuto závislost je nutno zjistit experimentálně pro daný typ filtru a konkrétní podmínky jeho použití. Se zanášením filtru výrazně dochází ke změně tlakové ztráty, ale může docházet i ke změně jeho odlučovacích vlastností. Filtry mají většinou nejvyšší takovou ztrátu ze všech zařízení v klimatizační jednotce, proto je jich návrhu a údržbě nutné věnovat
73
Obr. 7. 4. Filtrační vložky [28]
značnou pozornost. U všech větracích a klimatizačních jednotek je třeba zajistit pravidelný servis a výměnu filtrů. [28]
7.2.6 Ohřívače
Ohřívače patří v našich klimatických podmínkách mezi základní komponenty větracích a klimatizačních systémů. Ohřev přiváděného venkovního vzduchu musí být zajištěn nejen v zimním období, ale i po značnou část přechodového období zima/léto. Podle teplonosné látky rozlišujeme ohřívače: -
vodní (teplovodní výměník)
-
tepelné čerpadlo (vzduch/vzduch)
-
elektrické a chladivové (kondenzátor) Samostatnou kategorii tvoří plynové či olejové hořáky. Podle konstrukce ohřívače
dělíme na výměníky z hladkých trubek a výměníky žebrované. Ohřívače lze rozlišovat dle počtu řad a způsobu zapojení trubek (sériové, paralelní). [32]
a) Vodní ohřívače
Pro ohřev vzduchu ve větracích a klimatizačních zařízeních jsou nejrozšířenějším typem vodní ohřívače. Jsou to vlastně rekuperační výměníky voda-vzduch. Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji tepla obvykle mezi 70 až 90 °C. Obvykle bývají konstruovány jako jednořadé či víceřadé výměníky s lamelami na straně vzduchu (provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami). Kompaktní jednotky mívají různě osazené ohřívače (většinou šikmo) tak, aby se maximálně využil prostor v jednotce a zároveň byl zachován rovnoměrný ohřev vzduchu. Vodní ohřívač by měl být vždy kvalitně vyspárován, aby bylo možné jeho vypuštění a odvzdušnění. Regulace vodních ohřívačů je možná kvalitativní (směšováním vody), kdy se nemění
průtok vody, ale pouze teplota. To však vyžaduje samostatné oběhové čerpadlo pro ohřívač. Tento způsob regulace by se měl používat pro všechny ohřívače venkovního vzduchu.
74
Druhou možností regulace vodních ohřívačů je kvantitativní regulace škrcením či rozdělením průtoku. V tomto případě zůstává konstantní teplota přiváděné vody do ohřívače. Protože pro výkon výměníku je rozhodující rozdíl teploty vody a vzduchu, je kvantitativní regulace mnohem méně účinná a lze ji použít pouze pro malá zařízení nebo tam, kde je zajištěna předregulace teploty vody na zdroji tepla. Obecně je třeba si uvědomit, že větrací a klimatizační zařízení mají jiný charakter potřeby tepla než běžné otopné soustavy, a proto by měly být vzduchotechnické jednotky vždy napojeny na zdroj tepla samostatnou větví, případně by měly mít vlastní zdroj tepla. [28, 32] Na vodním ohřívači musíme hlídat protimrazovou ochranu, protože oprava či výměna výměníku je několikanásobně dražší než jeho ochrana. Zásah mrazové ochrany vyhodnocujeme při jakémkoli stavu vzduchotechniky (běh i odstávka). Ochranu teplovodního výměníku realizujeme dvěma způsoby.
Obr. 7. 5. Mrazová ochrana [43]
-
První způsob
Instalování kapilárové mrazové ochrany přímo na lamely výměníku. Standardní kapilárové mrazové ochrany mívají délku kapiláry okolo 6 metrů. Pokud nám délka jedné kapilárové mrazové ochrany nestačí, použijeme více ochran tak, abychom pokryli celou plochu výměníku tepla. Chceme-li ušetřit digitální vstupy na řídicím systému, zapojíme mrazové ochrany do série. Dále musíme mít na paměti, že je-li teplota v oblasti přístroje nižší než ve vzduchotechnice, přístroj vyhodnocuje teplotu okolí a ne teplotu na výměníku, tj. vlastní mrazová ochrana reaguje už při ochlazení cca 5 až 20 cm kapiláry, a proto ji instalujeme přímo dovnitř vzduchotechniky.
75
-
Druhý způsob
Hlídání teploty vratné vody z výměníku. Pro tuto ochranu použijeme snímač teploty umístěný hned na výstupu vratné vody z teplovodního výměníku. Pokud teplota vratné vody klesne pod minimální hodnotu, odstavujeme vzduchotechniku a chování je totožné jako při aktivaci kapilárové mrazové ochrany. [43] b) Elektrické ohřívače
Elektrické ohřívače vzduchu by se měly používat jen výjimečně tam, kde není k dispozici jiný zdroj tepla, tj. u malých zařízení nebo jako doplňkové či havarijní ohřívače. Pro ohřev vzduchu se používají různé typy topných tyčí a spirál. Jejich tvar a parametry lze přizpůsobit konkrétnímu uplatnění ve vzduchotechnické jednotce. Většina elektrických ohřívačů je konstruována tak, aby rychlost proudění kolem tyčí dosahovala alespoň 1,5 m/s. Regulace elektrických ohřívačů se obvykle provádí kaskádovým spínáním jednotlivých sekcí. Ohřívače bývají obvykle třífázové v zapojení do hvězdy. Regulaci lze provádět změnou napětí či proudu. Takto regulované elektrické ohřívače se využívají spíše ke speciálním účelům (např. pro laboratorní měření). Velkou výhodou těchto ohřívačů je, že nepotřebují protimrazovou ochranu.
Obr. 7. 6. Schematické zapojení ohřívače do hvězdy [32]
76
2.2.5 Chladiče
Chladiče slouží k ochlazování vzduchu a jsou nedílnou komponentou klimatizačních zařízení. Podle teplonosné látky rozlišujeme chladiče vodní a chladivové (přímé výparníky). Chladiče jsou stejně jako ohřívače rekuperační výměníky tepla. Základním rozdílem oproti ohřívačům je, že chladiče mají nižší teplotní rozdíl mezi teplonosnou látkou a vzduchem. Ve většině případů dochází při chlazení ke kondenzaci vodních par ze vzduchu. Díky tomuto jevu se chladiče mírně liší od ohřívačů konstrukcí i provedením. Pro výkon chladičů je stejně jako u ohřívačů rozhodující teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Teplotní rozdíly při vodním chlazení však bývají malé, proto mají chladiče větší teplosměnnou plochu.
Vodní chladiče jsou rekuperační výměníky vzduch – voda.
Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji chladu. Obvykle je vstupní teplota chladící vody 3 až 8 °C a výstupní teplota o 5 až 8 K vyšší. Vodní chladiče bývají konstruovány jako víceřadé (nejčastěji 2 až 5tiřadé) s lamelami na straně vzduchu. Běžné je provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami.
Obr. 7. 7. Vodní chladící okruh [32]
Protimrazová ochrana chladičů není při letním provozu nutná. Chladiče
se v klimatizačních jednotkách umisťují až za ohřívače, takže v zimním provozu jsou chráněny protiúrazovou ochranou ohřívače. V případě, že je v jednotce chladič před ohřívačem nebo v jednotce protimrazová ochrana chybí (např. elektrický ohřívač), musí být použita nemrznoucí směs nebo se musí voda ze systému chlazení v zimě vypouštět. V případě vedení rozvodů chladicí vody ve venkovním prostředí je třeba rovněž zajistit protimrazovou ochranu těchto rozvodů. [32]
77
7.2.8 Ventilátory
Pro větrací a klimatizační zařízení se používají různé typy ventilátorů. Axiální ventilátory se uplatní zejména pro nucený odvod, případně přívod tepelně neupraveného vzduchu. Axiální ventilátory jsou součástí některých parapetních či nástěnných cirkulačních jednotek. Pro rozsáhlejší zařízení s úpravou vzduchu se však nejčastěji používají ventilátory radiální.
Hlavní funkcí ventilátoru ve větracím nebo klimatizačním zařízení je doprava vzduchu do větraného prostoru. Ventilátor musí zajistit dostatečný tlakový rozdíl pro pokrytí tlakových ztrát jak vzduchotechnické jednotky, tak rozvodů vzduchu a jeho distribuce v prostoru. Pracovní bod ventilátoru je průsečíkem výkonové křivky ventilátoru a odporové křivky daného vzduchotechnického systému, do které musí být zahrnuty všechny výše zmíněné odpory. Regulace ventilátorů
-
Regulace škrcením - se provádí nejčastěji klapkami, které se zařazují buď před, nebo za ventilátor, čímž dojde ke změně charakteristiky potrubní sítě (změna místního odporu) a tím ke změně pracovního bodu ventilátoru (obr. 7.8). Z hlediska energetické náročnosti se jedná o regulaci ztrátovou. Vzduchotechnický výkon, který se škrcením zmaří, je dán vztahem
.
Obr. 7. 8. Regulace ventilátoru škrcením s naznačením zmařeného výkonu [23]
78
-
Regulace změnou otáček - je jednou z nejhospodárnějších regulací. Při změně otáček
dojde ke změně charakteristiky ventilátoru (
;
∆ ∆
;
).
Při zachování charakteristiky potrubní sítě (obrázek 7.9) pak nedochází při změně pracovního bodu z 1 na 2 ke změně účinnosti ventilátoru. Existuje několik možností, jak měnit otáčky motoru: a) Víceotáčkové motory Základní
možností
je
použití
víceotáčkových
motorů
(zpravidla
dvou-,
nebo tří otáčkových). Změna otáček je uskutečňována skokově, přepínáním počtu pólů u asynchronních motorů. b) Napěťová regulace Napěťová regulace je založena na změně napětí, která je uskutečňována zařazením odporu do obvodu rotoru (např. motory s kroužkovou kotvou). Regulace výkonu ventilátoru může probíhat např. v 5 - ti stupních s krokem cca 20 %, čemuž odpovídá 5 pracovních charakteristik ventilátoru. c) Kmitočtová regulace Optimální regulací z hlediska energetické náročnosti je regulace kmitočtu. Jedná se o plynulou výkonu,
která
regulovat
průtok
regulaci umožňuje vzduchu
v plném rozsahu od 0 do 100 %. Pro tento typ regulace se používají frekvenční měniče a lze je použít pro všechny typy ventilátorů. Zejména je tato regulace vhodná pro vyšší výkony ventilátorů. [23]
Obr. 7. 9. Regulace ventilátoru změnou otáček ventilátoru [23]
79
7.2 Řízení vzduchotechniky s řídicím systémem Siemens LOGO 7.2.1 Úvod
Aplikace „řízení klimatizační jednotky“ pro řídicí systém LOGO je určena k řízení vzduchotechnické jednotky ve Strakonickém pivovaru a obsahuje tyto prvky: -
dva jednootáčkové ventilátory (přívod a odvod vzduchu)
-
vstupní a výstupní klapky
-
teplovodní ohřívač vzduchu
-
chlazení
-
zpětné získávání tepla (rekuperátor s obtokem)
7.2.2 Funkce řídícího programu
Řídící systém měří všechny potřebné teploty pro uzpůsobení kvalitní regulace (venkovní teplota, teplota přívodního vzduchu, teplota regulované soustavy a teplota odtahové vzdušiny). Dále řídí provoz obou ventilátorů pomocí frekvenčních měničů, reguluje teplotu přiváděného vzduchu a to dvěma způsoby (topným ohřívačem a chladičem). Vyhodnocuje poruchové stavy celého systému a v případě jejich vzniku činí potřebná opatření (např. stav HAVÁRIE, tj. odstavení klimatizační jednotky, při vzniku této poruchy musí dojít k odkvitování systému, jinak nelze jednotku opět najet).
1) Měřené teploty
Pro měření všech teplot jsou použity teplotní snímače typu Ni1000 s citlivostí 6180 ppm od firmy Regment. Pro každou měřenou teplotu je použit snímač s jiným měřícím rozsahem, tj. větší citlivost měření fyzikální veličiny. a) Venkovní teplota TB3.3
Venkovní teplota se využívá pro volbu letního a zimního režimu vzduchotechniky, pro volbu topení nebo chlazení přiváděného vzduchu a pro řízení deskového rekuperátoru. Při poruše měření venkovní teploty se vzduchotechnika provozuje v zimním režimu (z důvodu možnosti zamrznutí tepelného výměníku).
80
b) Teplota přiváděného vzduchu TB3.1
Teplota
přiváděného
vzduchu
alias
„regulovaná
veličina“.
Při
provozu
vzduchotechniky se teplota přiváděného vzduchu reguluje na žádanou hodnotu (teplota, kterou vyžadujeme v místnosti). Je možné zadávat přímo žádanou hodnotu teploty přiváděného vzduchu nebo zadávat žádanou teplotu ve větraném prostoru. Ve druhém případě se žádaná teplota přiváděného vzduchu určuje jako žádaná teplota prostoru korigovaná podle skutečné teploty prostoru.
c) Teplota odváděného vzduchu TB3.2
Teplota odváděného vzduchu se používá při regulaci teploty ve větraném prostoru. Podle odchylky skutečné teploty od žádané se koriguje teplota přiváděného vzduchu. Dále se teplota odváděného vzduchu používá pro volbu topení nebo chlazení přiváděného vzduchu a pro řízení rekuperátoru.
2) Signalizace stavů a) Chod vzduchotechniky
Obr. 7. 10. Obrazovka stavu systému [LOGOSoft]
81
Stavová obrazovka informuje o základních stavech technologie vzduchotechniky. Tato obrazovka se zobrazí automaticky při zpuštění systému. Aby systém indikoval stav systému „CHOD“, musejí být splněny tyto náležitosti: -
Musí dojít k otevření klapek na vstupu vzduchotechniky (přívod / odtah). Řízení otevírání obou klapek je řešeno samostatnými analogovými výstupy.
-
Musí dojít k najetí obou ventilátorů. Řízení otáček obou ventilátorů je řešeno samostatnými analogovými výstupy. Rozběh ventilátorů se bere až po indikaci binárního výstupu z frekvenčního měniče (D IN / OUT) a binárního výstupu tlakové ztráty (tlaková ztráta musí do 30sekunt sepnout svůj beznapěťový kontakt, tj. pokud by se tak nestalo, musí dojít k odstavení klimatizační jednotky a odkvitování HAVARIJNÍ poruchy). Motory obou ventilátorů mohou být spuštěny maximálně 5x do hodiny. Pro tuto blokaci slouží procedura, viz níže.
Obr. 7. 11. Blokace spouštění motorů [LOGOSoft]
-
Tlaková ztráta rekuperátoru musí do 30 sekund sepnout svůj beznapěťový kontakt, tj. pokud by se tak nestalo, musí dojít k odstavení klimatizační jednotky a odkvitování HAVARIJNÍ poruchy
82
Ukázka zdrojového kódu pro stav „CHOD“ klimatizační jednotky
Obr. 7. 11. Zdrojový kód signalizace systému CHOD [LOGOSoft]
b) ALARMY systému
Alarmová obrazovka informuje provozovatele vzduchotechnické jednotky ve dvou stupních, tj. PORUCHA / HAVÁRIE
Pokud obrazovka indikuje stav systému „PORUCHA“, nemusí bezprostředně dojít k odstavení celé vzduchotechnické jednotky. Tento stav nastane, pokud dojde ke splnění těchto podmínek: -
zanesení jednoho z filtrů (přívodní / odtahový). Při tomto jevu nemusí provozovatel klimatizační jednotky kvitovat celý systém.
83
Ukázka zdrojového kódu pro signalizaci stavu „PORUCHA“ bez vypnutí jednotky
Obr. 7. 12. Zdrojový kód signalizace systému PORUCHA [LOGOSoft]
Pokud obrazovka indikuje stav systému „HAVÁRIE“, musí bezprostředně dojít k odstavení celé vzduchotechnické jednotky, tj. pokud k tomuto stavu dojde, musí obsluha odstranit patřičnou závadu a odkvitovat celý systém (pokud by se tak nestalo, nelze ani při odstranění poruchy celý systém opět najet). Tento stav nastane, pokud dojde ke splnění těchto podmínek: -
Řídicí systém neobdrží logickou „1“ tlakové ztráty obou ventilátorů
-
Řídicí systém neobdrží logickou „1“ tlakové ztráty rekuperátoru
-
Řídicí systém neobdrží logickou „1“ chodu obou ventilátorů
-
Řídicí systém obdrží logickou „1“ mrazové ochrany (pouze pro režim ZIMA)
-
Řídicí systém obdrží logickou „1“ poruchy chlazení (pouze pro režim LÉTO)
-
Řídicí systém obdrží logickou „1“ poruchu oběhového čerpadla topného ohřívače (pouze pro režim ZIMA)
-
Řídicí systém obdrží logickou „1“ EPS (systém požární ochrany) 84
Obrazovka stavu systému „PORUCHA / HAVÁRIE“
Obr. 7. 13. Stav systému PORUCHA [LOGOSoft]
Obr. 7. 14. Stav systému HAVÁRIE [LOGOSoft]
3) Řízení teplotního ohřívače
Pro ohřev přiváděného vzduchu je použit teplovodní ohřívač. Na vstupu ohřívače je zapojen regulační uzel sestávající se z třícestného regulačního ventilu MV3.1 a oběhového čerpadla C3.1. Regulační ventil mísením přiváděné a vratné vody reguluje teplotu přiváděného vzduchu na žádanou hodnotu. V zimním režimu se i při vypnutí temperuje ohřívač, aby se zabránilo zamrzání a urychlil se náběh. V letním režimu se regulační ventil ohřívače zavírá a čerpadlo vypíná. Měří-li se teplota vratu, udržuje se při vypnutí na teplotě 20 °C. Pokud se teplota vratu neměří, nastavuje se otevření regulačního ventilu jako funkce venkovní teploty. Funkční závislost je zadána pomocí dvou uspořádaných dvojic [TE; OHŘ], kde:
-
TE - venkovní teplota
-
OHŘ - otevření regulačního ventilu ohřevu
Význam je obdobný jako u funkční závislosti doby náběhu na venkovní teplotě.
85
Časový interval, za který přejede třípolohový servopohon z jedné krajní polohy 0 % (zavření směšovacího ventilu) do druhé 100 % (otevření směšovacího ventilu), je doba přestavění servopohonu 60 a více sekund. Používá se pro regulaci polohy servopohonu řízeného jedním analogovým výstup (umožnění zpětné vazby). Regulace třícestného ventilu je řešena pomocí PI regulátoru.
Obr. 7. 15. Vodní teplotní okruh [32]
Čerpadlo zapíná při otevření regulačního ventilu a vypíná se zpožděním po zavření ventilu. Při nečinnosti se čerpadlo ohřívače pravidelně krátce zapíná, aby se předešlo zatuhnutí čerpadla vlivem usazování vodního kamene. Čerpadlo je řízeno jedním digitálním výstupem (Q3).
Obr. 7. 16. Procedura cirkulace oběhového čerpadla [LOGOSoft]
86
Pro ochranu proti zamrznutí musí být ohřívač osazen kapilárovým termostatem (mrazová ochrana). Tato ochrana je připojena jako digitální vstup řídicího systému. Pro zvýšení ochrany lze použít měření teploty vody vratu ohřívače. V tomto je potřeba použít termostat a zapojit jej společně s termostatem ohřívače do jednoho vstupu řídicího systému tak, aby bylo zajištěno, že při signalizaci nízké teploty alespoň jednoho z termostatů, bude signalizováno nebezpečí zamrznutí (oba termostaty při nízké teplotě rozpojeny => zapojit je do série). V případě signalizované nízké teploty se vypínají ventilátory a topení se pouští naplno.
Ochrana
proti
zamrznutí
funguje
bez
ohledu
na
venkovní
teplotu
nebo zapnutí / vypnutí vzduchotechniky.
4) Řízení chladiče
Vzduchotechnická jednotka může být vybavena chladičem. Programové přepínání topení / chlazení je řízeno odchylkou venkovní teploty od žádané teploty přívodu s přihlédnutím k odchylce teploty prostoru (pokud se měří). Podporované typy chlazení: -
Jednostupňové spínání - spínání chladicí jednotky jedním digitálním výstupem. V našem případě je povel CHOD (ON / OFF) řízen napětím 3,25 – 6,25 VDC. Pro tento způsob spínání (jedním výstupem z řídicího systému) je použit dělič napětí)
Obr. 7. 17. Dělič napětí chladící jednotky [vlastní]
87
-
Řízení chladu – je řešeno jedním analogovým výstupem z řídicího systému (možnost plynulé regulace pomocí PI regulátoru)
-
Signalizace chladící jednotky – chladící jednotka je vybavena dvěma binárními výstupy, které informují řídicí systém o provozním stavu chladící jednotky
Obr. 7. 18. Provozní stavy chladící jednotky [vlastní]
5) Řízení rekuperátoru
Pro využití teplotního potenciálu odváděného vzduchu k úpravě vzduchu přiváděného je vzduchotechnika vybavena rekuperátorem. Výkon rekuperátoru se stanovuje podle odchylek venkovní teploty a teploty odváděného vzduchu (tedy obou vstupů rekuperátoru) od žádané teploty přívodu. Výkon se řídí otevřením rekuperátoru a obtoku dvěma klapkami tak, aby součet jejich otevření byl vždy 100 % (deskový rekuperátor s bypassem). Pro řízení výkonu je použit jeden analogový výstup (možnost plynulé regulace pomocí PID regulátoru), jimiž se ovládá servopohon rekuperátoru. Obě klapky rekuperátoru musí být mechanicky spřažené (chod klapek je v protifázi, tj. každá klapka otevírá při různém napětí). Vhodná doba přeběhu servopohonu z jedné krajní polohy do druhé je 60 s a více.
88
Řízení rekuperátoru je nejdůležitější část celého řídicího programu. Díky dobře navrženému řízení rekuperátoru lze dosáhnout energetické (finanční) úspory klimatizační jednotky. Pro tuto energetickou úsporu musí být vhodně sladěné spínání topení / chlazení. Spínání topení / chlazení může jen za určitých podmínek. Tyto podmínky si blíže rozebereme.
-
Nejprve musíme určit režim, ve kterém se klimatizační jednotka nachází ZIMA / LÉTO. Pro každý z těchto režimů platí jiné náležitosti.
a) Režim ZIMA V tomto režimu mohou nastat dvě situace:
-
Venkovní teplota je menší než žádaná teplota ve větraném prostoru a zároveň rozdíl těchto teplot nepřesáhl hysterezi 5 °C V tomto
případě
po
zvolení
výkonu
klimatizační
jednotky
(0 až 100 %)
nastane otevření vstupních klapek. Po časovém zpoždění, které činí jednu minutu, dojde k sepnutí odtahového ventilátoru a posléze přívodního ventilátoru. Jestliže oba ventilátory do 30 sekund obdrží hlášku od čidel tlakových ztrát, může začít systém rekuperovat. Aby řídicí systém mohl efektivně řídit rekuperaci, musel být vytvořen algoritmus, který na základě všech teplot v celém systému dokáže nasimulovat jednu veličinu. Tato matematicky vytvořená veličina se stala regulovanou veličinou pro PI regulátor.
Matematické vyjádření regulované veličiny
BT3.1 – BT3.6
<0
BT3.2 – BT3.3 < 0 BT3.2 – BT3.3 > 0
>0 BT3.2 – BT3.3 > 0
BT3.2 – BT3.3 < 0
89
>0
ANO
<0
ANO
>0
NE
<0
ANO
(BT3.1 – BT3.6) x (BT3.2 – BT3.3) / 6
Pravdivostní tabulka řízení rekuperátoru, topení a chlazení
STAV REKUPERÁTORU PRO JEDNOTLIVÉ TEPLOTY V SYSTÉMU JEDNOTLIVÉ TEPLOTY V SYSTÉMU
0%
100 %
100 %
0%
AKTUÁLNÍ TEPLOTY V CELÉM SYSTÉMU [°C]
BT3.1 - přívodní teplota BT3.6 - žádaná teplota BT3.2 - odtahová teplota BT3.3 - venkovní teplota
11 12 13 20
13 12 13 20
11 12 13 10
13 12 13 10
STAV REGULOVANÉ VELIČINY PRO PI REGULÁTOR STAV PRO SEPNUTÍ TOPENÍ / CHLAZENÍ V SYSTÉMU
+
-
-
+
TOPENÍ
CHLAZENÍ
TOPENÍ
CHLAZENÍ
Tabulka 4 Pravdivostní tabulka [vlastní]
Z pravdivostní tabulky a z určení režimu ZIMA / LÉTO je zcela zřejmé, v jakém okamžiku dojde k sepnutí topení / chlazení, tj. v režimu ZIMA (venkovní teplota je menší než žádaná teplota) a přívodní teplota menší než žádaná teplota. Při tomto stavu začne systém rekuperovat (rekuperátor se bude OTEVÍRAT), až rekuperátor dosáhne 100 % otevření, sepne se topení.
-
Venkovní teplota je menší než žádaná teplota ve větraném prostoru a zároveň rozdíl těchto teplot přesáhl hysterezi 5 °C Ihned po zvolení výkonu klimatizační jednotky se spustí čerpadlo topení a sleduje
se teplota vratné vody. Pokud teplota vratné vody nedosahuje teploty 30 °C, dojde k otevření třícestného ventilu pomocí PI regulátoru. Jakmile se dosáhne požadované teploty, třícestný ventil bude uzavřen a systém začne fungovat jako v předchozím případě.
90
Zdrojový kód pro výpočet regulované veličiny a řízení rekuperátoru
Obr. 7. 19. Řízení rekuperátoru [LOGOSoft]
b) Režim LÉTO
-
Venkovní teplota je větší než žádaná teplota ve větraném prostoru Po zvolení výkonu, otevření vstupních klapek a najetí obou ventilátorů systém může
začít rekuperovat. Pokud teplota odtahu a přívodu bude větší než žádaná teplota, začne se rekuperátor otevírat. Až rekuperátor dosáhne 100 % svého otevření, sepne se chlazení. Jakmile systém sepne chladící jednotku, automaticky se rekuperátor nastaví na 100 % otevření (princip postupné regulace). Řízení chladu je regulováno pomocí PI regulátoru. Chladící jednotka je sepnuta do doby, než její analogový vstup dosáhne hodnoty 7 VDC. Při větším napětí by jednotka postrádala svůj význam (začala by topit, tj. nežádoucí jev). Na přelomu režimu LÉTO / ZIMA může začít jednotka topit. Tento stav může nastat v tomto případě:
91
-
Venkovní teplota je větší než žádaná a zároveň teplota odtahu, přívodu je menší než teplota žádaná. V tomto případě se rekuperátor začne zavírat. Až rekuperátor dosáhne 0 % svého otevření, sepne se topení. [29]
Ukázka výpočtu regulované veličiny přímo v softwaru LOGOSoft
Obr. 7. 20. Výpočet regulované veličiny [LOGOSoft]
92
8. Závěr Tématem mé diplomové práce byl návrh regulace systému chlazení. Důvodem pro volbu mého tématu bylo delší zaobírání se touto problematikou již v minulosti. Převážnou část mého studia jsem věnoval právě zmiňované automatizační technologii. Tyto těžce nabyté teoretické znalosti se snažím uplatnit i při mé součastné práci. Dalším neopomenutelným pozitivem bylo umožnění porozumět této problematice v praxi. Toto porozumění v oblasti klimatizačních zařízení mi nabídla firma Unitronics, s.r.o., která se touto problematikou zaobírá řadu let. Firma disponuje bohatě nabitými zkušenostmi, o které se byla ochotna podělit. Této vstřícnosti jsem využil při zpracování mé praktické části. Bylo mi umožněno se na tomto projektu podílet přímo v průmyslovém objektu. Musím s radostí konstatovat, že čas strávený touto problematikou nebyl zbytečný a také pevně doufám, že mé znalosti byly správně pochopeny v praktické části. Diplomovou práci jsem rozdělil na dvě části (teoretickou část a praktickou). Tímto rozdělením jsem chtěl dosáhnout bližšího porozumění problematiky automatizačního řízení. V teoretické části byla popsána automatizační technologie od jejího vzniku (starověk) až po dnešní současnost. Nedílnou součástí celé automatizační techniky jsou regulátory. Regulátory od své nejjednodušší podoby (mechanické) až po dnešní složité regulátory (elektrické). V současné době jsou nejpoužívanější PID regulátory, proto jim v práci byla věnována velká pozornost. Součástí této kapitoly je i mnou naprogramovaný PID regulátor v komerčním softwaru MATLAB. Tímto zdrojovým kódem jsem chtěl demonstrovat ukázku pochopení této problematiky. V současné firmě, ve které nyní pracuji, se software MATLAB používá pro výpočty aerodynamických vlastností lopatek ventilátorů. Díky tomuto faktu jsem mohl tento výpočet PID regulátoru realizovat. Výsledkem tohoto výpočtu je grafické znázornění regulované veličiny na akčním zásahu. Dále jsem zde podrobně popsal a vysvětlil funkci frekvenčních měničů a to jak pro nízké, tak i pro vysoké napětí. Hlavní pozornost byla v této kapitole věnována především principům řízení jednotlivých frekvenčních měničů (skalární, vektorové a DTC řízení). V poslední kapitole teoretické části jsem se zaobíral problematikou snímačů a to především snímačů teploty. Tyto snímače hrají největší roli při návrhu kvalitní regulace klimatizačních zařízení.
93
V praktické části je popsána celá technologie klimatizačního zařízení. Jsou zde shrnuty jednotlivé prvky, které daný systém používá při dosažení žádané teploty klimatizovaného prostoru. Tento klimatizovaný prostor je využíván pro uchovávání pivních sudů (sudová). V této části je podrobněji rozebrána funkčnost i způsoby regulace ventilátorů. Ventilátory jsou nedílnou součástí klimatizačních jednotek a jsou regulovány pomocí kmitočtové regulace. Tato regulace umožňuje při zachování nemněné odporové křivky vedení mít stejnou účinnost ventilátoru při různých otáčkách. Tuto regulaci je možno provádět pouze za použití frekvenčních měničů. Hlavním úkolem této diplomové práce bylo navrhnout a nakreslit reálné elektrické schéma celého řídicího rozvaděče pro klimatizační jednotku. Toto elektrické schéma jsem vytvořil v komerčním softwaru AutoCAD©. Celé funkční schéma řídicího rozvaděče je vyobrazeno v příloze č. 2. Dále jsem se fyzicky podílel na tvorbě zdrojového kódu (v systému AMIT), pro toto klimatizační zařízení. Bohužel z časových důvodů (realizace tohoto projektu) nebylo možné, abych tento zdrojový kód vytvořil celý sám (podílel jsem se pouze na jeho části). Pro praktickou ukázku pochopení celého řídicího systému, jsem vytvořil simulační zdrojový kód (v softwaru LOGOSoft), který přesně demonstruje funkčnost tohoto vzduchotechnického zařízení. Ukázka celého simulačního zdrojového kódu je vyobrazena v příloze č. 3. Řízení a vizualizaci jsem nevytvořil sám, pouze jsem asistoval při její realizaci a snažil se získat co nejvíce informací a zkušeností. Přesto si myslím, že jsem se naučil a dozvěděl spoustu věcí, které snad využiji i ve své praxi. Celý projekt reálně funguje, z tohoto důvodu si myslím, že věnování času tomuto projektu nebylo zbytečné.
94
Seznam použité literatury Knižní publikace: [9] VORÁČEK Rudolf a ANDRÝSEK František. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. ISBN 80-251-0796-5 [20] BENEŠ Pavel a CHLEBNÝ Jan. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. ISBN 80-251-0795-7 [19] ŠMEJKAL Ladislav a MARTINÁSKOVÁ Marie. PLC a automatizace. Praha: BEN – Technická literatura, 2002. [21] BLAHOVEC Antonín. Elektrotechnika. Praha: BEN – Technická literatura, 2002. ISBN 80-86073-90-4 [22] VALTER Jaroslav. Regulace v praxi. Praha: BEN – Technická literatura, 2002. ISBN 978-80-7300-256-5 [23] DIXON S.L. a HALL C.A. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Waltham, USA: ELSEVIER, 2014.
Elektronické publikace: [1] MAJDA Josef. Automatizační systémy. Chomutov: SPŠ a VOŠ, 2005. [3] ODSTRČILÍKOVÁ Miroslava. Automatizace. Brno: Střední průmyslová škola elektrotechnická, 2003. [4] ŠVARC Ivan. Základy automatizace. Brno: VUT Fakulta strojního inženýrství, 2002. [5] MODRLÁK Osvald. Fuzzy řízení a regulace. Liberec: Technická univerzita Katedra řídicí techniky, 2004. [14] VAVŘÍN Petr a BLÁHA Petr. Řízení a regulace. Brno: VUT Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2004. [15] SCHLEGER Miloš. Průmyslové PID regulátory. Plzeň: Katedra kybernetiky, 2001 [16] Nastavení PID. AMIT, spol. s.r.o., www.amit.cz, 2010. [18] TŮMA Jiří a WAGNEROVÁ Renata. Základy automatizace. Ostrava: Ediční středisko VŠB – TUO, 2007. [24] Řešení redukce vyšších harmonických kmitočtů. DANFOSS, spol. s.r.o., www.danfoss.com, 2014. 95
[25] HOŘAVA Jan. Skalární versus vektorové řízení synchronních motorů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2009. [26] BRANDŠTETTER, P. Střídavé regulační pohony – Moderní způsoby řízení, Ostrava, 1999 [27] HRUŠKA Zbyněk. Teplotní snímače. Nová Paka: Integrovaná střední škola, 2010 [28] DRKAL František a LAIN Miloš. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2003. [29] Řízení vzduchotechniky s řídicím systémem ADiR. AMIT, spol. s.r.o., www.amit.cz, 2008. [30] Robicon Perfect Harmony. Siemens, www.siemens.cz, 2014.
Internetové odkazy: [2] Kyberman. Historie počítačů. [Online] 2011 [Citace: 2011-09-24] http://www.kyberman.wz.cz/files/1_Historie_pocitacu.pdf [6] Algoritmy. Algoritmy řízení. [Online] 2011 [Citace: 2011-09-30] http://www.algoritmy.net [7] Automatizace. Budoucnost automatizační techniky. [Online] 2011 [Citace: 2011-09-27] http://www.automatizace.cz/article.php?a=586 [8] Odborné časopisy. Trendy automatizační techniky. [Online] 2011 [Citace: 2011-09-30] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34396 [10] Sse Lipniknb. Regulované soustavy. [Online] 2011 [Citace: 2011-10-05] http:// www.sse-lipniknb.cz/7ucivo/Automatizace/Aut1.doc [11] Škola Spectator. Spojité řízení. [Online] 2011 [Citace: 2011-10-17] http://www. skola.spectator.cz/6_SEMESTR/.../spojitá%20regulace.ppt [12] Coptel Coptkm. Statické soustavy. [Online] 2011 [Citace: 2011-10-20] http://coptel.coptkm.cz/index.php?action=2&doc=20863&docGroup=4343&cmd=0&instance =2 [13] Web Vscht. Klasifikace regulovaných soustav. [Online] 2011 [Citace: 2011-10-23] http://web.vscht.cz/kadleck/archiv/mrt_fpbt/prednasky/3-FPBT06-Soust_Reg_B.pdf [17] Web zdarma. Kritéria stability. [Online] 2011 [Citace: 2011-10-30] http://rtp.webzdarma.cz/rizeni04.php
96
[31] Tzb-info. Klimatizace a chlazení. [Online] 2014 [Citace: 2014-01-26] http://vetrani.tzb-info.cz/klimatizace-a-chlazeni/10622-upravy-vzduchu-v-klimatizacnichzarizenich-vi [32] Tzb-info. Úpravy vzduchu v klimatizačních zařízeních. [Online] 2014 [Citace: 014-01-10] http://www.tzb-info.cz/3554-upravy-vzduchu-v-klimatizacnich-zarizenich [33] Odborné časopisy. Regulační algoritmy a jejich implementace v řídicím systému. [Online] 2014 [Citace: 2014-02-04] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34427 [34] Odborné časopisy. Rekuperace a regenerace. [Online] 2014 [Citace: 2014-02-10] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=39091 [35] Odborné časopisy. Vlastnosti moderních měničů frekvence. [Online] 2014 [Citace: 2014-02-14] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=40168 [36] Odborné časopisy. Praktické zkušenosti s použitím měničů frekvence s nízkými emisemi harmonických. [Online] 2014 [Citace: 2014-02-20] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=38817 [37]
Odborné
časopisy.
Přímé
řízení
momentu
a
měniče
frekvence
ABB.
[Online] 2014 [Citace: 2014-03-03] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=36722 [38]
Odborné
časopisy.
Snímače
teploty
–
současný
stav
a
směry
vývoje.
[Online] 2014 [Citace: 2014-03-10] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34041 [39] Odborné časopisy. Elektronické snímače teploty. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-10] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=30252 [40] Odborné časopisy. Odporové snímače teploty. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-20] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=30613 [41] Odborné časopisy. PTC Termistory. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-21] http://www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/mereni-teploty-polovodicove-odporovesenzory-teploty.html
97
[42] Tzb-info. Principy měření průtoku a množství tekutin. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-28] http://vetrani.tzb-info.cz/regulace-vetrani-klimatizace/10748-problemy-u-mereni-teplotpasivnimi-cidly [43] Valter. Mrazová ochrana. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-27] http://valter.byl.cz/mrazova-ochrana-vzt [44] Pohonná technika. Způsoby regulace FM. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-25] http://www.pohonnatechnika.cz/frekvencni-menice/zpusoby-regulace-fm/prime-rizenimomentu [45] Eatonelektrotechnika. Příručka zapojení. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-29] http://www.eatonelektrotechnika.cz/priruckazapojeni/drives022.html [46] Eatonelektrotechnika. Skalární, vektorové a DTC řízení. [Online] 2014 [Citace: 2014-03-29] http://p.kobrle.sweb.cz/pohony/fm.pdf
98
