TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“
Popis laboratorní úlohy
Osvald Modrlák Lukáš Hubka
Liberec
2010
Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
1 Popis Dynamická soustava „3 nádrže“ (obr. 1, obr. 2) je určena k úlohám ovládající výšku hladiny v nádrži. Systém je navržen tak, aby bylo možné jej provozovat jako jednorozměrovou úlohu, dva nezávislé jednorozměrové systémy nebo vícerozměrový systém. Soustava je sestavena ze třech samostatných otevřených válcových nádrží NI a NII, do nichž přitéká voda a nezávislé nádrže bez samostatného zdroje (na obr. 1 není uvedena, na obr. 2 zcela vlevo). Třetí nádrž je bez vlastního zdroje přítoku a slouží tedy jako zdroj poruchy (zvýšení kapacity NII nebo krátkodobé zvýšení přítoku do NII). Každá z nádrží NI a NII má vlastní nezávislý zdroj přítoku, který je realizován pomocí čerpadla (Č1 a Č2) ze zásobní nádrže. Nádrže jsou spojeny propojovacím potrubím, pomocí něhož může voda přetékat z jedné nádrže do druhé. V propojovacím potrubí je zabudován kulový kohout Vvz, který se dá využít i k nastavení hydraulického odporu v potrubí. Z obou nádrží vytéká voda přes kulové kohouty V1 a V2, které opět mohou plnit funkci dalšího hydraulického odporu potrubí (změna velikosti průřezu výstupního otvoru). Obě čerpadla Č1 a Č2 jsou navzájem nezávislá a je možné ovládat jejich výkony. Sledovanými měřenými výstupy jsou výšky hladin v obou nádržích h1 a h2. Pro větší názornost, pestrost i obtížnost při práci s úlohou jsou výšky v nádržích měřeny odlišnými typy čidel. V nádrži NI je kapacitní čidlo (SHt), v nádrži NII pak tlakové čidlo (SHk).
VAROVÁNÍ! Při práci na úloze vždy hlídejte výšku hladiny v nádrži, aby nedošlo k přetečení!
Obr. 1: Principiální schéma systému
2
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
Obr. 2: Snímek reálné úlohy
3
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
2 Popis zapojení úlohy a signálů Na obr. 3 je blokové schéma úlohy. Seznamte se s jednotlivými komponenty úlohy, navrhněte a ověřte způsoby měření všech signálů. Navrhněte možné způsoby regulace a nakreslete odpovídající regulační schémata. Tab. 1: Popis komponent
NI
1. válcová nádrž (vpravo)
NII
2. válcová nádrž (prostřední)
Č1
ponorné čerpadlo BWV 04-10l čerpající do nádrže NI
Č2
ponorné čerpadlo BWV 04-10l čerpající do nádrže NII
SHt
tlakový snímač výšky hladiny v nádrži NI
SHk
kapacitní snímač výšky hladiny v nádrži NII
V1
ventil na odtokovém potrubí z nádrže NI
V2
ventil na odtokovém potrubí z nádrže NII
Vvz
ventil v potrubí mezi nádržemi NI a NII
ZD
zdroj stabilizovaného stejnosměrného napětí 13,8 V
VZ
výkonový zesilovač
ZN
zesilovač napětí z tlakového snímače výšky hladiny
4
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
Obr. 3: Blokové schéma zapojení úlohy
Tab. 2: Popis signálů
u1
vstupní veličina soustavy v PC
u01
řídící napětí pro z PC pro 1. čerpadlo
uČ1
napětí na 1. čerpadle
ut
napětí z tlakového snímače výšky hladiny
uT
vstupní napětí do PC z tlakového snímače výšky hladiny
y1
výstupní veličina soustavy v PC (napětí na měřicí kartě)
u2
vstupní veličina soustavy v PC
u02
řídící napětí z PC pro 2. čerpadlo
uČ2
napětí na 2. čerpadle
ik
proud z kapacitního snímače výšky hladiny
uk
vstupní napětí do PC z kapacitního snímače výšky hladiny
y2
výstupní veličina soustavy v PC (napětí na měřicí kartě)
5
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
Tab. 3: Rozsahy a identifikace signálů na reálné úloze a v Matlabu
Veličina
I/O signál
Rozsah napětí [V]
Kanál měř. karty
Rozsah veličiny [1]
Význam
u1
AO1
0÷10
Out 1
0÷10
Výkon čerpadla Č1
u2
AO2
0÷10
Out 2
0÷10
Výkon čerpadla Č2
y1
AI1
0÷10
In 1
0÷10
Výška hladiny v NI
y2
AI2
0÷10
In 2
0÷10
Výška hladiny v NII
Tab. 4: Popis použitého převodu výška hladiny/napětí pro obě nádrže
Nádrž NI (vpravo)
Nádrž NII (uprostřed)
Měřené napětí na kartě y1 [V]
Výška hladiny h1 [cm]
Měřené napětí na kartě y2 [V]
Výška hladiny h2 [cm]
3,30
0,0
2,02
0,0
3,78
6,0
2,65
4,0
4,45
10,5
4,78
17,0
6,19
22,0
6,40
26,0
8,00
33,5
7,35
31,5
8,95
39,5
8,23
37,0
Závislost mezi výškou hladiny h1 v nádrži NI a změřeným napětím na svorkách měřicí karty pro y1 ∈ 3,3; 10,0 lze vyjádřit pomocí vztahu h1 = 0,106 ⋅ y13 − 2,158 ⋅ y12 +20, 647 ⋅ y1 − 48, 203
[ cm; V ]
(1)
Závislost mezi výškou hladiny h2 v nádrži NII a změřeným napětím na svorkách měřicí karty pro y2 ∈ 2,0;10,0 lze vyjádřit pomocí vztahu h2 = 5,910 ⋅ y2 − 11, 708
[ cm; V ]
(2)
Závislost velikosti průtoku na budícím napětí je u obou nádrží stejná. Čerpadlo začíná měnit výšku hladiny v nádrži až při vstupním napětí cca 4,5÷5 V, kdy překoná výškový rozdíl.
Qɺ1,2 = 1, 21⋅ u1,2 − 5, 45
[l / min; V ]
(3)
pro u0 ∈ 4,6;10,0 .
6
Výška hladiny v nádržích – „3 nádrže“ Popis laboratorní úlohy
Poděkování:
Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně.
7
