Automatizační systémy I

1. Automatizační systémy I část 1. Ing. Josef Madaj madaj@spscv.cz, kabinet Aut – suterén http://web.spscv.cz/~madaj SPŠ Chomutov, VŠDS Žilina ZVT a.s., LOBB a.s., ZPA a.s. - 12 (3 x 4) hod skupinová konzultace - 0 hod pracovní seminář - 30 hod / semestr

2. Požadavky ke zkoušce • účast na skupinové konzultaci ! • semestrální práce – zadání: • http://web.spscv.cz/~madaj/sempras1.pdf • požadavky na úpravu semestrální práce: • http://web.spscv.cz/~madaj/uabspr.pdf • vzorový titulní list a prohlášení: • http://web.spscv.cz/~madaj/pr1.doc • http://web.spscv.cz/~madaj/pr2.doc • písemný test na min. 60%, • osobní účast na zkoušce

3. Doporučená literatura • Balátě, J.: Automatické řízení, BEN, 2003 • Kubík a kol.: Teorie automatického řízení, SNTL-ALFA • Kol. autorů: Automatizace a automatizační technika, 4 díly, ČM spol. pro aut., Computer Press, 2000 • Švarc, I.: Automatizace, Automatické řízení, VUT Brno, 2003 • Rampas: Automatizace I, II, skripta SPŠ a VOŠ Chomutov • Šmejkal, Martinásková: PLC a automatizace, BEN, 2002 • Šmejkal, I.: PLC a automatizace 2., BEN, 2005 • Novák, V.: Základy fuzzy modelování, BEN, 2002 • Kol. autorů, Prostředky průmyslové automatizace, VUTIUM, 2006 • Shmid, D. a kol.: Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku, EUROPA-SOBOTÁLES, 2005 • Odborné časopisy: Automatizace, Automa, Sdělovací technika

4. Doporučená literatura BEN edice Senzory neelektrických veličin 5 dílů: • Kreidl, M.: Měření teploty – senzory a měřící obvody, BEN, 2005, 1. díl • Lysenko, V.: Detektory pro bezdotykové měření teplot, BEN, 2006, 2.díl • Bejček, Ďaďo, Platil: Měření průtoku a výšky hladin, BEN, 2006, 3. díl • Kreidl, M., Šmíd, R.: Technická diagnostika, BEN, 2006, 4. díl • Fukátko, T.: Detekce a měření různých druhů záření, BEN, 2006, 5. díl • Kreidl, M.: Senzory, skripta ČVUT, 1993 • Martinek, R.: Senzory v průmyslové praxi, BEN, 2004 • Pokorný, M.: Umělá inteligence v modelování a řízení, BEN, 1996 • Štulpa, M.: CNC obráběcí stroje a jejich programování, BEN, 2006 • Pohorský, J.: HDO – hromadné dálkové ovládání, BEN, 2002 • Přibyl, Svítek: Inteligentní dopravní systémy, BEN, 2002

5. Úvod – obsah kurzu • Historie, budoucnost, důvody a přínosy • Prostředky automatického řízení • Statické a dynamické vlastnosti, • Senzory, • Členy pro přenos, úpravu a zpracování signálu, • Akční členy, • Automatické řízení • Logické řízení, PLC, • Spojitá regulace, • Číslicová regulace, • Komunikace v automatizovaných systémech

6. Cíle kurzu – student dokáže • shrnout šíři záběru oboru • definovat základní pojmy oboru • popsat typické vlastnosti a funkci technických zařízení v regulačním obvodu • vysvětlit fyzikální principy snímačů • řešit logické obvody • vysvětlit činnost PLC • vysvětlit činnost regulačního obvodu • popsat vlastnosti a použití spojitých regulátorů • popsat vlastnosti a použití nespojitých regulátorů • vysvětlit blokové schéma číslicového reg. obvod • použít komunikační prvky v automatizaci

7. Historie automatizace fyzické práce • Starověk: páky, kladky, kola, pára – např. Herón • Středověk – rozvoj mechanismů (čerpadla vody pro doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce) • Novověk - průmyslová revoluce • Wattův odstředivý regulátor r. 1775 (první regulace) • Jacquardův tkalcovský stav okolo r. 1800s programovacím děrovaným pásem • 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby (Henry Ford) – automaty ve výrobě

8. Moderní historie automatizace duševní činnosti • 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith) • Tabulating Machine Co, • 1911 Computing-Tabulating-Recording Co, • 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM) • 1943 reléový počítač MARK I (Harvard) • 1944 elektronkový počítač ENIAC • 1947 objev tranzistoru (Schockley Nob.C. 1956) • 1958 první integrovaný obvod • 1971 první mikroprocesor (Intel 4004) • pružná automatizace změnou programu • 70. léta 20. stol. rozvoj PLC, • 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI.

9. Budoucnost a trendy • Využití poznatků jiných vědních oborů • Automatizace nevýrobních procesů • Automatizace budov • Logistika • Diagnostika a zabezpečení • Domácnost a spotřební technika • Vliv mikroelektroniky – již dnes patrný • Komunikace, sítě • Aplikace pro člověka (medicína, pomoc…) • Použití UI pro automatizaci

10. Důvody automatizace • Vynucená automatizace (nezáleží na investici) • ochrana života a zdraví (extrémní podmínky, jedy …) • vyloučení lidského faktoru • nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, hlubiny, cévy …) • limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce) • Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější) • snížení nákladů výrobních, režijních … • zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality • zkrácení doby vývoje a výroby • pružná reakce na požadavky trhu • Ostatní důvody • zvyšování pohodlí člověka • poskytování informací (sledování stavu zařízení, technologie) • ekologie – monitorování prostředí, spalování … • zábavní průmysl, hračky

11. Přínosy automatizace • Zkrácení doby výroby a rychlá reakce na požadavky trhu • Zvýšení jakosti, spolehlivosti a přesnosti • Snížení výrobních nákladů • Lepší organizace výrobních procesů • Úspora materiálu, energií, ploch skladů a výroby • Snížení nákladů na nekvalitní produkci • Odstranění drahé lidské práce • Snížení mzdových nákladů • Využití levných sazeb energií (noční proud …) • Optimalizace výrobních nákladů • Rychlé a přesné informace o výrobě

12. Rozdělení prostředků - kriteria • Vztah k informaci • získání, přenos, zpracování, uchování, využití • Energie • mechanická, el., pneu., hydraulická, optická • Signál • analogový, nespojitý (v čase, v amplitudě) • Konstrukce • jednoúčelové, stavebnicové, kompaktní • Interakce s okolím • klima, korozivita, explozivita, nebezpečný dotyk • Funkce • ovládání, regulace, signalizace, zabezpečení, vyšší řízení, pomocné

13. Vlastnosti prostředků • Statické vlastnosti(závislost mezi vstupem a výstupem v ustáleném stavu) • charakteristika y = f(x), ideál y = k ·x + q • nelinearita (typické nelinearity), • linearizace funkce, pracovního pásma a bodu • získání (ne/citlivost, přesnost, chyby) • Dynamické vlastnosti(přechod z jednoho do druhého ustáleného stavu) • diferenciální popis, Laplaceova transformace, 1(t), δ(t) • operátorový přenos F(p)=výstup/vstup • charakteristika frekvenční v log. souřadnicích, • charakteristika frekvenční v komplexní rovině, • charakteristika přechodová (odezva na vstupní signál) • získání přechodové char. (pomalé, stř. a rychlé procesy), chyby • Bloková schémata • sériové, paralelní a zpětnovazební řazení, křížené vazby

14. Snímače • Základní blokové schéma snímače čidlo, měřící obvod, zesilovač, zpracování signálu (linearizace, rozsah), A/D, μP, R • využití základních el. veličin pro snímačeR = R20 ( 1 + α · Δυ+ β · Δυ2 + …),R = ρ· l / S,C = ε0 ·εR ·S / d,L ≈ ( μ, l ),M ≈ ( μ, l ) • nejčastější: teplota, poloha, průtok, hladina

15. Snímače teploty • elektrické • odpor kovů Pt a Ni (Pt100, Pt500, Ni1000), • odpor polovodičů (termistor) = pozistor, negastor • dilatační • dvojkovy (dva s rozdílnou roztažností = „bimetal“), • plyny, • kapaliny + Hg, • speciální • termoelektrický jev (Pt jako referenční kov), • oscilace Si výbrusu (krystal) f ≈ ∆υ, • pyrometrie, IR, pyroelektrický jev (PIR čidla), • kvantový jev – R, Uf a Iz PN přechodu • termobarvy, žároměrky, tužky

16. Snímače polohy • odporové snímače • rozlišení, linearita, životnost, tepl. koef., provozní moment, šum, • provedení: rotační, přímočaré, víceotáčkové • tvar dráhy, pohyb jezdce, materiál dráhy • zapojení: reostat, potenciometr, můstek • nespojité mechanické snímače (koncové spínače) • magnetické bezdotykové snímače • jazýčkové relé, Wiegandova sonda • indukčnostní (tlumivky) a indukční (trafo) snímače • princip nespojitého indukčnostního snímače • selsyny (přenos nebo měření úhlů) • kapacitní snímače (normální/diferenciální – spojité/nespojité) • měřící metody: můstkové, zpětnovazební, rezonanční • optické snímače • měření polohy: absolutní / inkrementální • indikace polohy: jednocestné / reflexní (závory, záclony, mříže) • optické vláknové senzory – využití indexu lomu, mech. vlákna • ultrazvukové snímače

17. Snímače průtoku • měří objemové nebo hmotnostní množství • rychlostní snímače • průřezové: clona, dýza, trubice Pitot a Venturi • rotametr, turbinkový, indukční, ultrazvukový, vírový, anemometrický • objemové snímače • dávkovací, zvonový, měchový

18. Snímače hladiny • plovákový (+ mechanický převod na R snímač) • kapacitní (volba elektrod podle kapaliny) • hydrostatický • vlastnost kapalin (tlak na dně úměrný výšce sloupce) • radarové (princip pulzní nebo spojitý) • ultrazvukové (echolot) • radioizotopové • s absorpcí záření průchodem materiálu • se změnou vzdálenosti mezi zářičem a detektorem

19. Přenos signálu • mechanický • táhla, bowdeny, páky, kladky, ozubená kola, membrány, vlnovce, písty • pneumatický • potrubí (plast, kov), hadice • hydraulický • potrubí (kov), pancéřované hadice • setrvačnost kapaliny = vznik rázů → jen malé délky • elektrický – nf, vf a koax. kabely • optický – vlákna (1vid, vícevid, gradient, plast) • zesilovače (an.), tvarovače (dig.), filtry (šum)

20. Převodníky • signálové • přirozený fyzikální na jednotný signál (unifikace) • mezisystémové • unifikované signály různých energií navzájem • A/D přímé • paralelní, kompenzační, komparační, • A/D s mezipřevodem • s jednoduchou nebo dvojitou integrací, U/f • D/A • s váhovými odpory, síť R-2R

21. Zpracování signálů zesilovači • spojité, nespojité • elektro -nické, -technické, pneu, hydraulické • lineární, nelineární • ss, nf, vf, širokopásmové • symetrické, nesymetrické • operační, výkonové, oddělovací • elektronkové, tranzistorové, tyristorové, integrované, magnetické • zpětné vazby pro – stabilitu, zkreslení, zesílení, linearitu, dynamiku, impedanci • ztrátový výkon = teplo • operační zesilovač: Rin→∞, Rout→0, Au→∞

22. Logické prvky • elektrotechnické – relé (stykač) • elektromagnetická, jazýčková, polarizovaná, magnetoelektrická • elektronické • HW logika: hradla RTL, DTL, TTL, hr. pole • SW logika: μP, PC, PLC • pneumatické • statické (využití tlaku média), • dynamické (fluidika – využití vlastností proudění média) rozvoj v 60. letech 20.stol.

23. Akční členy využití informace: pohon + regulační orgán • pohon – blokové schéma • el. motory: • ss: derivační, sériový, kompoudní • stř: 3f asynchronní, 1f, 1f komutátorový • krokový: s aktivním / pasivním rotorem • pneumatické • membránové, pístové (1 a 2činný) • hydraulické • pístové (pouze 2činný) • regulační orgány • všeobecné: ventily, šoupátka, klapky, žaluzie ... • speciální: zdymadla, rozvodná kola, karburátor • charakteristiky: rychlootvírací, lineární, parabolické ...

24. Automatické řízení - Logické • logická algebra – výroková (Booleova) • výrok je tvrzení o kterém je možné rozhodnout zda platí nebo ne • logická proměnná: 1/0, H/L, true/false • logické spojky: • ne (not) = negace • a, i (and) = součin • nebo (or) = součet • zákony algebry • dvojitá negace, DeMorganův, absorpce negace, absorpce třetího, agrese a neutralita 0 a 1 atd.

25. Kombinační obvody • zadání: slovní, vzorcem, pravd. tabulkou, seznamem indexů, Karnaughovou mapou • základní log. funkce: NOT, NAND, NOR, AND, OR, XOR • minimalizace: algebraická, numerické metody (PC), Karnaughovou mapou • realizace – schéma • zásady použití TTL hradel NOR, NAND • obvyklé kombinační funkce • selektor, dvojkový dekodér, multiplexer

26. Sekvenční obvody • asynchronní / synchronní • klopné obvody: • astabilní (generátory impulsů), • monostabilní (časování), • bistabilní: RS, RST, T, D, JK • vstupy kl. obvodů: S, R, T, D, J, K, Clk, U/D, • výstupy kl. obvodů: Q, /Q, CyU, CyD • výstup v binárním nebo dekadickém kódu, • využití: registry, asynchronní a synchronní čítače, μP, paměti, řadiče, stavové automaty

27. Děkuji za pozornost