OSNOVE AUTOMATIZACIJE
Automatizacija je tehnička disciplina koja obuhvaća sve mjere s kojima se povećava učinkovitost i smanjuje udio ljudskog rada u proizvodnji i vođenju procesa.
Automatika (engl. Automatic control) je znanstveno-tehnička disciplina čija su područja teorija vođenja, istraživanje i analiza uvjeta djelovanja i zakonitosti vođenja različitih sustava te sinteza sustava za automatsko upravljanje.
Da li postoje sustavi automatskog upravljanja u prirodi ?
Da li postoje u čovjeku ?
Automatizacija broda
- smanjenje brojnosti posade,
- smanjenje troškova za posadu,
- smanjenje vremena operacija s teretom,
- smanjenje kvarova,
- smanjenje utroška goriva,
- poboljšanje održavanja,
- poboljšanje radnih uvjeta.
Automatizacija se provodi:
daljinskim uključivanje brodskih uređaja (on/off),
signalizacijom,
daljinskim mjerenjima
regulacijom parametara brodskih procesa (temperatura,tlak)
centralizacijom dobivenih informacija o procesima te predočavanjem
u obliku najpogodnijem čovjeku,
automatskom obradom dobivenih informacija,
računalnim nadzorom i upravljanjem,
Automatizacija broda
protusudarni sustavi,
održavanje kursa broda
stabiliziranje broda u nemirnom moru
sustavi dinamičkog pozicioniranja
upravljanje ukrcavanjem i iskrcavanjem tereta,
nadzor i upravljanje generatora i stroja,
dojava požara, automatsko gašenje …..
Primjeri sustava automatizacije na brodu
Klasifikacija brodskih procesa
Primjer mjerenja
Mjerenje (engl. monitoring) je određivanje neke fizikalne veličine, primjerice temperatura, dubina.
Primjer sustava automatskog upravljanja
(mjerenje, obrada, i upravljanje)
RAČUNALA I AUTOMATIZACIJA
10
VRSTE RAČUNALNIH SUSTAVA
On line sustav (sustav realnog vremena)
– sustav kod kojeg se podaci izravno električnim
vodovima unose u računalo. Računalo izravno upravlja
izvršnim organima.
-Vrijeme unosa podataka reda veličine mikrosekunde.
-Upravljanje brzim procesima – npr. automobilski motor.
Off line sustav
- unos podataka ručno ili preko nekog medija.
- vrijeme unosa podataka sati, dani, tjedni.
- npr. program za obradu plaća
11
• Većina procesa upravlja se računalom (avion, brod, automobilski
motor, omnitrack…)
• Računala nadgledaju i vode proces po programu, “osjećaju”
process i “djeluju” na process
• Ekspertni sustav – računalo koje zamjenjuje stručnjaka
(eksperta) – primjer je sustav za diagnostiku kvarova
• Umjetna inteligencija – čovjek se trudi da računalu doda
određene ljudske osobine ( primjer je prepoznavanje lica i
emocija )
Koje je mjesto računala u automatizaciji ?
12
OSNOVNI PRINCIPI I SKLOPOVSKI ELEMENTI
SUSTAVA
Usporedba čovjek - računalni sustav
ljudski senzori ( vid, sluh, okus, miris, dodir )
13
Koraci za izgradnju on line sustava:
•definiranje što sustav treba raditi?
•izrada mjernog i upravljačkog algoritma (program računala)
•specifikacija hardwaera - senzora, međusklopova, računala,
izvršnih organa …
interdisciplinarni pristup – suradnja stručnjaka je neminovna. (
tunel, šok soba ).
14
PRIMJER INTELIGENTNOG ON LINE SUSTAVA
Inteligentno ponašanje –
mogućnost sustava da se prilagodi novonastaloj situaciji.
•inteligentna zamjena
signalizacijskog plana – mjeri
promet
•-rezervni način vođenja
(redundantni sustavi) ili ručno
vođenje
•provjera izvršnih organa (da li
rade svijetla semafora)
•-diagnostički program (detekcija
i označavanje pokvarenog
sklopa)
OSNOVNE DEFINICIJE
Pod pojmom automat
podrazumijeva se tehnički
uređaj koji samostalno
izvršava rad kojeg je zamislio
njegov konstruktor.
S motrišta upravljanja sva
sredstva rada, strojevi i procesi
koji se upravljaju nazivaju se
objektima upravljanja, a onaj
sustav kojim se ostvaruje to
upravljanje naziva se sustav
upravljanja ili regulacije.
Automat, objekt upravljanja, sustav upravljanja
(regulacije)
Primjer: Brod je objekt regulacije,
autopilot i kormilo je sustav
upravljanja i regulacije
Stanje objekta upravljanja ( primjerice broda) određeno je:
- unutarnjim svojstvima objekta
- vanjskim djelovanjima na objekt.
U vanjska djelovanja na objekt upravljanja ubrajaju se:
- poremećajne veličine
- upravljačke veličine.
Poremećajne veličine općenito su slučajnog karaktera.
Poremećajne i upravljačke veličina
PRIMJERI JEDNOSTAVNIH
PROCESA
(matematički opis)
Upravljačka veličina Izlazna veličina
Poremećajna veličina
Primjer procesa sa kašnjenjem prvog reda
Razina vode u tanku Ulazni tok
Izlazni tok
Primjer procesa sa kašnjenjem prvog reda
Tank se puni po eksponencijalnom
zakonu (uz zatvoren izlazni ventil):
0 (1 )t
TL L e
T RC
T- vremenska konstanta sustava
Primjer procesa sa kašnjenjem višeg reda
Primjer procesa sa mrtvim vremenom
Izlazna veličina se mijenja nakon kašnjenja ∆t
Upravljačka veličina Izlazna veličina
ZADACI SUSTAVA
UPRAVLJANJA
Sustav automatskog upravljanja osigurava da se izlazna veličina
sustava mijenja prema algoritmu funkcioniranja bez obzira na vanjske
poremećaje (primjer:razina mora biti stalna bez obzira na promjenu
izlaznog toka).
Zadaci sustava upravljanja
Ulazni tok
Izlazni tok
Razina tekućine
Regulirana ili izlazna veličina sustava y(t) je fizikalna veličina koja se
regulira (razina tekućine u tanku).
Algoritam funkcioniranja sustava su zahtjevi kojima trebaju udovoljiti
izlazne veličine sustava y(t) (održavanje razine na konstantnom nivou).
Zadaci sustava upravljanja
Razina vode u tanku
Ulazni tok
Izlazni tok
MJERNI PRETVORNICI
(SENZORI ili DAVAČI)
27
SENZORI
Zadatak senzora je da se određena mjerna veličina iz procesa izrazi
u električnom obliku ( vrlo složen zahtjev ) – može i mehanički,
pneumatski, hidraulički
Danas postoji više od 10000 vrsta senzora koji obrađuju više od 100
različitih parametara
Svaki je senzor nauka za sebe – veoma su skupi
Postoje senzori s analognim izlazom i senzori sa digitalnim izlazom
28
Analogni senzori – položaj, tlak,
temperatura, protok, brzina, razina … i
pri tome se primjenjuju razni fizikalno
kemijski principi za dobivanje električnog
signala. Generiraju analogni signal.
Senzori sa digitalnim izlazom ili digitalni
davači. Generiraju digitalni signal
Pametni senzori – analogni senzori sa
mikroprocesorom. Mogu davati analogni
ili digitalni izlaz. Oplemenjeni senzor daje
kvalitetnije izlazne signale
Osnovno svojstvo senzora: ne smiju
djelovati na sredinu u kojoj mjere.
Analogni senzori
Digitalni senzor
ANALOGNI SENZORI
Ulazne karakteristike senzora
Mjerna veličina – fizikalna veličina koja se mjeri
Mjerno područje – skup vrijednosti mjerne veličine senzora
Mjerni opseg – razlika gornje i donje granice mjernog opsega
Primjer: senzor temperature sa mjernim područjem od -20 do +180 C ima
mjerni opseg od 200 C.
Izlazne karakteristike senzora
Mjerni signal – električna, hidraulička, pneumatska, mehanička
Izlazno područje – (0 ili 4 do 20 mA, 0 do +/-10 V, 20 do 100 kPa)
Vrsta signala– analogna i diskretni (binarni, impulsni, digitalni)
Izlazne karakteristike senzora:
Izlazna impendancija –potrebno prilagoditi izlaznu impendanciju
pretvornika otporu opterećenja – smanjivanje greške , optimalan
prijenos signala.
Utjecaj šuma – omjer signal/šum
Prijenosne karakteristike senzora
Statička - ovisnost izlazne o ulaznoj veličini za statički signal na
ulazu
Dinamička– ovisnost izlazne o ulaznoj veličini za dinamički signal na
ulazu
•Linearnost
•Prag osjetljivosti
•Ponovljivost
•Histereza
•Utjecaj okoline
•Pouzdanost
Mjerač razine
Prijenosne karakteristike senzora – tumačenje histereze
SENZORI TEMPERATURE
Postoje 4 osnovna principa:
1. Promjena obujma tijela sa temperaturom (dilatacija)
2. Promjena otpora vodiča ili poluvodiča
3. Promjena napona na spojištu dva vodiča u ovisnosti o
temperaturi spojišta
4. Ovisnost energije zračenja o temperaturi
Promjena obujma tijela sa
temperaturom (dilatacija)
a) spiralno
b) helikoidno,
c) bihelikoidno,
d) termometar s bimetal. osjetilom Ni+Fe (mali koef. dilatacije u spoju
sa mjedi ili Ni+Cr (veliki koef. dilatacije)
BIMETALNO DILATACIJSKO OSJETILO (-185-400 C)
V = Vo ( 1 + ( T) + ( T)2 + ( T)3 + ….)
l=10 (1+ ( T) + ( T) 2 +…..)
1. Kapljevinski do 350 C, toluon, ksilom, etilni alkohol, do 600 C Hg
2. parni, hlapljive tekućine etan, klorbenzen, etilklorid -40 do 150 C
– osjetljiviji od kapljevinskih, nelinearna karakteristika
3. plinski, punjeni dušikom, -85 do 540 C, dobra dinamička svojstva
TLAČNI MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
(kapljevinski, parni i plinski)
p1V1/T1= p2V2/T2
p2= p1·T2/T1= k· T2
Promjena otpora vodiča ili
poluvodiča
a) Ovisnost električnog otpora b) Ovisnost elektr. otpora
metala o temperaturi. poluvodiča (termistora NTC) o temperaturi
(za usporedbu dana je i karakteristika termistora) (za usporedbu je dana i karakteristika platine)
OTPORNIČKI PRETVORNICI TEMPERATURE (RTD)
R = R0 (1+ α (ΔT) + β (ΔT)2 + γ(ΔT) 3 + …) R = R0 (1 + αΔT)
OTPORNIČKI PRETVORNICI TEMPERATURE
( metalna otpornička osjetila)
Platinska žična otpornička osjetila koja se prema međunarodnom
dogovoru koriste za precizna mjerenja temperature u području od
183 C do + 630 C (upotrebljavaju se i kao baždarna osjetila u ovom
području), a praktična im je primjena u području - 265 C do + 1050 C.
OTPORNIČKI PRETVORNICI TEMPERATURE
( metalna otpornička osjetila-platinski termootpornik)
Pt 100, osjetilo od platinske žice - ima otpor 100 Ω na temeraturi od 0 C
i temperaturni koeficijent električnog otpora α = 0.003925 (kvocijent
otpora na temperaturama 100 C i 0 C je 1.3925)
Pt 1000 ima 10 puta veću promjenu otpora odnosno osjetljivost, koja se
u novije vrijeme na brodovima sve više koristi.
Parabolična nelinearna karakteristika.
OTPORNIČKI PRETVORNICI TEMPERATURE
( metalna otpornička osjetila-bakreni termootpornik)
Bakarna otpornička osjetila koriste se u mjernom području od - 195 C
do + 260 C, imaju linernu karakteristiku, a koeficijent otpora na
100 C i 0 C im je 1.426.
Znatno su otporniji na vibracije od platinskih osjetila, ali su na
temperaturama višim od 150 C podložni oksidaciji, što ograničava
područje njihove upotrebe na relativno niže temperature.
OTPORNIČKI PRETVORNICI TEMPERATURE
( poluvodička otpornička osjetila - termistor)
Termistor - smjesa sulfida, selenida ili oksida metala (magnezij, nikal,
kobalt, bakar, željezo). Veliki otpor, veliki negativni temperaturni
koeficijent otpora, nelinearna statička karakteristika i mala vremenska
konstanta (brz odziv). Izrađuju se u obliku pločica, štapića i kuglica.
Mjerno područje im je - 75 C do + 250 C, a postoje i posebne izvedbe
za mjerenje vrlo niskih temperatura (do - 250 C).
a) spoj s dvije žice, b) spoj s tri žice, c) spoj s četiri žice
Otpornička osjetila temperature u spoju Wheatstone-ova mosta
MJERENJE POMOĆU METALNIH I POLUVODIČKIH
SENZORA
Spojevi sa tri i četiri žice se koriste radi temperaturne kompenzacije
Promjena napona na spojištu dva
vodiča u ovisnosti o
temperaturi spojišta
a) Seebeckov efekt b) Mjerno i referentno spojište termopara
MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
Termoparovi
MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
Termoparovi
Na brodovima se od termoparova najčešće upotrebljavaju oni iz grupe
platina/rodij-platina (PtRh-Pt) za područje temperature od 0-1500 ºC.
Slična svojstva imaju termoparovi nikrom-nikal (NiCr-Ni) i koriste se
za mjerna područja od 0 do 1000 ºC, kao i termoparovi Chromel-alumel
za područja temperatura od 700 do 1200 ºC.
MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
Termoparovi
MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
Termoparovi –Kompenzacija termopara
Kompenzacijski termootpornici Pt-100, Pt -40, kompenzira se utjecaj
promjene temperature referentnog spojišta.
MJERNI PRETVORNICI TEMPERATURE
Pirometri
Tijela pod djelovanjem topline isijavaju energiju u obliku
elektromagnetskog zračenja (vidljivi i IC spektar)
SENZORI TLAKA
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Kapljevinski pretvornici tlaka
b) kompenzacijski U-manometar s pomičnom čašicom za uravnoteženje tlakova
p1 - p2 = ρgh i kapacitivnim osjetilom,
c) manometar sa zvonom kao osjetilom i linearnim varijabilnim
diferencijalnim transformatorom (LVDT) kao pretvaračem razlike tlakova u
odgovarajući električni signal
a) b) c)
Osjetila pomaka:
1. Membrane – diafragme
2. Mijehovi
3. Bourdonova cijev
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Deformacijski pretvornici tlaka
Membrane mogu biti ravne i valovite. Izrađuju se iz fosforne bronce,
nehrđajućeg čelika, titana, tantala i drugih materijala.
Mijehovi : upotrebljavaju se za mjerenje malih tlakova. To osjetilo tlaka
je limena cijev s tankom stijenkom i plaštom u obliku nabora. Na jednom
kraju je zatvorena, a na drugi kraj je ugrađen priključak za mjerni tlak.
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Deformacijski pretvornici tlaka- Bourdonova cijev
Izvedbe ovog osjetila (rašljasto osjetilo za mjerno područje 0.03 do 100
MPa,uvijeno osjetilo za mjerenje visokih tlakova (do 200 MPa),
spiralno i helikoidno osjetilo velike osjetljivosti).
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Deformacijski pretvornici tlaka
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Tenzometarska osjetila (metalna ili poluvodička)
R = k·Ro·є, (60, 120, 300 i 600 Ώ)
gdje je k - faktor proporcionalnosti (za konstantan približno 2)
є = 1/10, relativna vrijednost istezanja ili zbijanja (μm/m - microstrain)
Pretvornik tlaka s membranom i rasteznim osjetilima (do 1500 Bara)
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Tenzometarska osjetila (metalna ili poluvodička)
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Piezoelektrični pretvornici
Piezoelektrični pretvarači tlaka koriste princip promjene električnog
naboja u kristalu kvarca pod djelovanjem promjene sile odnosno tlaka.
Termički su osjetljiviji i često traže posebno hlađenje (vodom ili
zrakom). Visoki tlakovi (do 1500 Bara).
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Induktivni davač tlaka
Primarni namot ovog pretvarača se napaja izmjeničnim naponom
određene frekvencije, a sa sekundarnog namota se dobije napon
proporcionalan primijenjenom tlaku.
MJERNI PRETVORNICI TLAKA
Kapacitivni senzor
SC
d
SENZORI SILE I MOMENTA
MJERNI PRETVORNICI SILE
hidraulički mjerni pretvornici
Hidraulični mjerni član je uređaj koji pretvara silu ili težinu u
proporcionalni hidraulički tlak fluida-ulja, koji se zatim mjeri
ugrađenim pretvaračem tlaka.
MJERNI PRETVORNICI SILE
električni mjerni pretvornici
Pretvarači zasnovani na promjeni
električne otpornosti ( otpormnička
rastezna osjetila - tenzometarska
osjetila), induktivnosti (magnetska
osjetila) i kapacitivnosti
(kapacitivna osjetila)
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
Hidraulička vodena kočnica
Sastoji se od rotora pokretanog strojem čiji moment se mjeri i statora s
ograničenim stupnjem slobode zakreta.
Zakret statora proporcionalan je
razvijenom okretnom momentu ,
odnosno snazi stroja, pa se
mjerenjem sile potrebne da se
spriječi zakretanje statora dobije
nepoznati moment.
Razvijena snaga se pri tome
disipira na zagrijavanje i cirkulaciju
vode.
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
Električna kočnica
Istosmjerni električni generator spojen direktno na osovinu
pogonskog stroja.
Mjerenjem veličine sile (uz poznat krak) potrebne da se spriječi
zakretanje statora (tj. da ga se zadrži u početnom ravnotežnom položaju)
dobije se razvijeni moment, a time i snaga stroja.
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
Tenzometarske trake
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
Induktivni (pick-up) pretvornik momenta
Mjerenje zakretnog momenta s induktivnim pretvaračem koji koristi
princip faznog pomaka što je posljedica uvijanja osovine
Elektroničkim sklopom mjeri se relativni fazni kut između signala sa
dviju sondi, te se onda pretvara u odgovarajući istosmjerni električni
signal.
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
TVDT (Torzioni Varijabilni Diferencijalni Transformator)
Rotor TVDT je iz magnetskog materijala i na njega su pričvršćena tri
šuplja cilindrična komada iz magnetskog materijala (A, B, C), s
uskim rasporima pod kutom od 35 stupnjeva u odnosu na os vratila –
rotora. Djelovanjem momenta jedan raspor se smanjuje, a drugi
proporcionalno povećava.
Kao posljedica, napon se na jednom sekundaru smanjuje, a u drugom
povećava, te njihova razlika definira veličinu mjernog momenta.
MJERNI PRETVORNICI MOMENTA
Optoelektronički davač momenta
SENZORI POMAKA
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Potenciometarski pretvarači pomaka
Na otporničko tijelo iz
izolacijskog materijala namota
se žica iz različitih legura (Ni-Cr,
konstantan, srebro-paladij,
platina-iridij).
Umjesto žice kao otpornička tijela
također se koriste i ugljen,
metalni film itd
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Potenciometarski pretvarači pomaka
Linearnost statičke karakteristike je bolja što je opterećenje
potenciometra manje, tj. što je veći otpor RT.
MJERNI PRETVORNICI POMAKA Induktivni pretvornik
Linearni varijabilni diferencijalni transformator
Služi za mjerenje translatornih pomaka u području od -250 do +250 mm
LVDT s demodulacijskim sklopom
MJERNI PRETVORNICI POMAKA Induktivni pretvornik
Linearni varijabilni diferencijalni transformator
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Sinkro pretvornici pomak Selsini
Primarni namot se napaja
izmjeničnom strujom (50 Hz do
nekoliko kHz), a sa sekundarnih
namota se uzima izlazni napon kao
njihova razlika - diferencija
Rotor s jednim primarnim
namotom i stator sa tri
sekundarna namota u zvijezda
spoju, raspoređeni tako da se u
njima induciraju naponi
međusobno fazno pomaknuti za
120 kutnih stupnjeva
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Sinkro pretvornici pomaka
Sinkroprijenosnici
u indikatorskoj vezi
(žiro i ponavljači)
transformatorskoj vezi
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Sinkro pretvornici pomaka
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni pretvornici (enkoderi)
1. Inkrementalni pretvornici
2. Apsolutni davači
induktivni
optoelektronički
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni inkrementalni davači
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni inkrementalni davači
MJERNI PRETVORNICI KUTNOG POMAKA
Digitalni inkrementalni davači
MJERNI PRETVORNICI KUTNOG POMAKA
Digitalni inkrementalni davači
84
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni apsolutni davači (enkoderi)
85
-svaki sektor diska predstavlja
odgovarajući binarni broj, a pojedini
vjenci bit
•-moguće registrirati kut pomoću četiri
para optocouplera ili pomoću četkica –
prikaz azimuta, elektronička vaga
•disk se zakrene za odgovarajući kut,
svaki kut generira binarni broj koji se
unosi u računalo (tamni djelovi
jedinice,svijetli nule)
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni apsolutni davači (enkoderi)
Princip realizacije optičkog apsolutnog enkodera
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni apsolutni davači (enkoderi)
Princip
apsolutnog davača
kutnog pomaka
MJERNI PRETVORNICI POMAKA
Digitalni apsolutni davači (enkoderi)
8 bitni 4 bitni
Girokompas posebna
vrsta zvrka koji zadržava
smjer vrtnje bez obzira
na gibanje broda –
moment inercije
rotirajućeg zvrka ga
uvijek održava u istom
položaju.
MJERNI PRETVORNICI POLOŽAJA
Žirokompas
Danas postoje i optički žirokompasi bez pokretnih djelova
SENZORI BRZINE
(za pravocrtne i kutne brzine)
MJERNI PRETVORNICI BRZINE
Centrifugalni mjerač
Centrifugalni osjetnik brzine s LVDT
James Watt speed governor
MJERNI PRETVORNICI BRZINE
Linearni - Indukcijski pretvornik
Pri mjerenju linerne brzine može se gibati ili permanentni magnet ili
svitak, što za posljedicu ima inducirani napon u svitku proporcionalan
linearnoj brzini.
MJERNI PRETVORNICI BRZINE
Tahogenerator
Tahogeneratori istosmjerne struje (do 6000 o/min),
polaritet se mijenja sa smjerom okretaja
Tahogenerator izmjenične struje: (do 10000 o/min, spec. do 100000 o/min)
MJERNI PRETVORNICI BRZINE
Magnetski pick-up
Impulsi (2-10 V) iz magnetskog pretvornika se broje u strogo
definiranom vremenskom intervalu, pa se na osnovu broja impulsa u
određenom vremenu određuje brzina vrtnje.
Koriste se za mjerna područja do 10 000 min-1
(posebne izvedbe i do 40 000 min-1).
MJERNI PRETVORNICI BRZINE
Optoelektronički mjerač brzine
MJERNI PRETVORNICI
RAZINE
plovkom, tlačnim osjetilom,
osjetilom sile, tenzometarskim
osjetilom, ultrazvučnim osjetilom
MJERNI PRETVORNICI RAZINE
plovak
MJERNI PRETVORNICI RAZINE
Hidrostatski tlak
MJERNI PRETVORNICI RAZINE
Dinamometar i tenziometarske trake
Za mjerenje razine naročito viskoznih goriva na brodu je pogodnija
upotreba pretvarača koji ne dolaze u direktni kontakt s gorivom, već
razinu mjere posredno , mjereći težinu rezervoara u kojem se nalazi
gorivo.
MJERNI PRETVORNICI RAZINE
Mikrovalovi
Davač/primač
MJERNI PRETVORNICI RAZINE
Ultrazvučni
MJERNI PRETVORNICI
PROTOKA
Protok se definira količinom tekućine što protječe u jedinici vremena.
Može biti volumni i maseni protok.
Mjerenje protoka svodi na već poznato mjerenje razlike tlaka, mjerenje
pomaka ili brzine vrtnje, pa se i svrstavaju u tri osnovne skupine:
- osjetila protoka na principu razlike tlaka,
- mehanička osjetila protoka: pomična i rotacijska,
- osjetila protoka zasnovana na svojstvima tekućina
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Općenito
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Pricip promjene tlaka
2 /q kA p
2 /m kA p
k – konstanta (koeficijent odstupanja)
A – površina presjeka na suženju
ρ – specifična težina tekućine
p – pad tlaka na suženju
od 25 do 6500 kg/h
točnost naglo pada kod protoka koji su
manji od 15 do 20 % nominalnog protoka
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Turbinski davači protoka
Koriste u vrlo širokom mjernom području protoka: od 0.01 do 40000
l/min pa i više litara.
Tlak tekućine može biti i do 350 MPa.
Primjenjuju se u cjevovodima promjera 1 cm do nekoliko desetina cm
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Turbinski davači protoka
1. Prirubnica 2. Tijelo mjerača 3. Pick-up s magnetom 4. Permanentni magnet 5. Zavojnica 6. Rotorska loptica 7. Glavčina rotora 8. Ležaj osovine rotora 9. Rotorska osovina 10. Nosač difuzora 11. Difuzor i usmjerivač fluida 12. Usmjerivačka ploča fluida
Brzina vrtnje vijka ovisi o volumnom protoku tekućine
= Kd q
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Elektromagnetski
Koristi za mjerenje protoka električki vodljivih tekućina (npr. slatka ili
morska voda ). Pogreška +/- 1%.
E = B D v
MJERNI PRETVORNICI PROTOKA
Ultrazvučni
Brzina emitiranog ultrazvučnog vala je c, pa se trajanje putovanja
akustičkog vala niz struju tekućine odredi iz izraza t1 = d/(c+v), a uz
struju tekućine iz izraza t2 = d/(c-v). Diferencija vremena trajanja
t = t2 – t1 = 2dv/(c2 – v2) razmjerna je brzini protjecanja tekućine.
Za v c (u praksi čest slučaj) imamo t =2dv/c2, odnosno
v = c2 t/2d = k t . Uz poznati presjek cjevovoda, lako se dobije
volumni protok q.
OSTALI SENZORI
OSTALI DAVAČI Viskozimetar
OSTALI DAVAČI Viskozimetar
OSTALI DAVAČI Detektor ulja u vodi
Ionizacijski detektor dima
OSTALI DAVAČI Detektor dima
OSTALI DAVAČI Fotoelektrični detektor dima – apsorpcija i refleksija svjetlosti
OSTALI DAVAČI Detektor plamena
ultraljubičaste do 350 nm
vidljive 350 - 800 nm
približno infracrvene 800 nm - 1.3 m
infracrvene 1.3 m - 10 m ili više.
115
•bar kod se sastoji od niza debljih i tanjih
vertikalnih
Linija
•nosioc informacije je štapić i svijetliji
međuprostori
•EAN kod sa 13 znakova:
ZZZ PPPPAAAAA K
ZZZ - prefiks
PPPPAAAAA - nacionalni broj artikla
K – kontrolni broj
Čitači bar kodova
116
TOČNOST
SENZORA
118
Osnovna svojstva senzora su točnost i brzina odziva
( sposobnost senzora da se što više približi mjerenoj veličini ).
Na točnost senzora utječe:
-statička greška
-dinamička greška
-greška ponovljivosti dobivenog signala (reproducibilnost)
-mrtvo vrijeme (dead time)
-mrtvo područje (dead zone)
119
-statička greška – odstupanje vrijednosti koje je senzor detektirao od
točne vrijednosti fizikalne veličine u slučaju stalne fizikalne veličine.
Izražava se u postotcima odstupanja od cijelog mjernog područja
-dinamička greška - odstupanje vrijednosti koje je senzor detektirao
od točne vrijednosti fizikalne veličine u slučaju promjene fizikalne
veličine. Nastaje samo kad se mjerena veličina mjenja i pada na nulu kad
se mjerena veličina ustali (uzrok je što vrijednost koju senzor mjeri kasne
za stvarnom promjenom mjerene veličine).
120
-greška ponovljivosti dobivenog signala ( reproducibilnost ) –
maksimalno odstupanje ponovnih mjerenja od srednje vrijednosti u
slučaju kad je mjerena vrijednost stalna.
Ako senzor ima malu grešku ponovljivosti radi se o sistematskoj greški
koju je moguće ispraviti određenim ugađanjima (senzor uvijek ponavlja
istu pogrešnu vrijednost).
Ako senzor ima veliku grešku ponovljivosti onda se radi o slučajnim
greškama i nije moguće popraviti senzor ugađanjima.
121
-- mrtvo vrijeme ( dead time )– vremenski pomak od trenutka kad se
mjerena veličina stvarno promijeni da trenutka kada se iskaže na
izlazu senzora – usporava cijeli ulazni lanac pa je neprihvatljivo za brze
procese.
-mrtvo područje (zona) – najveća promjena mjerene veličine do koje
može doći a da se ne promjeni izlazni signal iz senzora (osjetljivost
senzora).
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI
(POSTAVNI) ORGANI
Analogni i digitalni
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI (POSTAVNI) ORGANI
Zadaci
•Osiguravaju potrebnu snagu za upravljanje i regulaciju.
•Moraju biti stabilni u ustaljenom i prijelaznom režimu rada
•Linearne statičke karakteristike
Dijele se na:
1. Električke
2. Hidrauličke
3. Pneumatske
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Istosmjerni motor (DC motor)
Dobra dinamička svojstva, široko područje upravljanja, pogodni za
male i srednje snage.
Regulacija brzine uzbudom i naponom armature.
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Izmjenični dvofazni motor (AC motor)
Dobra dinamička svojstva, široko područje upravljanja, pogodni za
manje snage i momente, bez četkica.
Regulacija brzine frekvencijom.
IZVRŠNI i REGULIRAJUĆI ORGANI
Koračni motor (step motor)
Motor koji električne impulse koje generira računalo pretvara u
mehanički zakret.
a) s Varijabilna Reluktancija (korak 15 st) b) s permanentni magnet
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Koračni motor (step motor)
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Koračni motor kombiniranog djelovanja (step motor)
Primjena: Pogon motornih ventila – može se upravljati sa otvorenošću
ventila u diskretnim koracima
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Hidraulički sustav
Kombinacija hidrauličkog razvodnika i cilindra
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Hidraulički sustav
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI
ORGANI Razmjerni elektrohidraulički servo
ventil
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Pneumatski sustav
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI Razmjerni pneumatski servo ventil
1 bar = 14.50377 psi
1 atm = 14.69569 psi
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Troputni ventil (pozicioner)
Razni oblici vretena ventila
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Troputni ventil (pozicioner) elektromotor ili pneumatski
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Troputni ventil (pozicioner)
IZVRŠNI I REGULIRAJUĆI ORGANI
Solenoid ventili (digitalni aktuator)
TEMELJNA NAČELA
SUSTAVA UPRAVLJANJA ILI
REGULACIJE
Y(s) Laplaceova transformacija izlaznog signalaG(s)
X(s) Laplaceova transformacija ulaznog signala
MODEL SUSTAVA
SISO sustavi (engl. Single Input Single Output)
SIMO sustavi (engl. Single Input Multiple Output)
MISO sustavi (engl. Multiple Input Single Output)
MIMO sustavi (engl. Multiple Input MultipleOutput)
Temeljna načela sustava upravljanja
Temeljna su načela sustava upravljanja:
1. načelo otvorenog sustava,
2. načelo kompenzacije
3. načelo povratne veze.
NAČELO OTVORENOG
SUSTAVA
Regulator na temelju vodeće veličine generira upravljačku veličinu koja se pojačava i modificira u aktuatoru i stvara se izvršna veličina kojom se djeluje na objekt upravljanja.
Zeleno, žuto i crveno svijetlo na semaforu mijenjaju se naizmjenično prema unaprijed utvrđenim vremenskim intervalima, a bez obzira na gustoću prometa.
Načelo otvorenog sustava
Izvršna veličina formira se isključivo na temelju zadanog algoritma funkcioniranja vodeće veličine bez obzira na poremećajne veličine koje mogu djelovati na objekt.
Ne nadziru se izlazne veličine!!!!
Primjeri: automatska signalizacija, blokada, zaštita, upuštanje, zaustavljanje, upravljanje elektrohidrauličkim i elektropneumatskim ventilima, logički elementi, itd.
Načelo otvorenog sustava
Primjer otvorenog sustava
NAČELO KOMPENZACIJE
Suština načela kompenzacije je u mjerenju poremećajnih veličina, te, ovisno o rezultatima mjerenja, formiranja izvršnog djelovanja na objekt regulacije (primjer korekcije kursa broda na temelju brzine bočnog vjetra).
Namjera je osiguranje promjene izlazne veličine prema zadanoj vodećoj veličini uz poništavanje mjerljivih poremećaja.
Načelo kompenzacije
Primjer kompenzacije
Ako se želi održati konstantan pritisak u posudi bez obzira na promjenu pritiska
vanjskog zraka (krivulja 1) tada treba pomicati zasun i regulirati protok zraka G2
Povećanjem pritiska vanjskog zraka stišće se posuda i pritisak zraka u posudi teži
ka povećanju, međutim pritisak vanjskog zraka pritiska također i mijeh 2 te
oprugu 1 i diže zasun.
Opruga koja otvara zasun, povećava se protok G2. Pritisak zraka u posudi ostaje
konstantan
NAČELO POVRATNE VEZE
Bitno je uočiti da se kod načela zatvorenog sustava ne mjere
poremećajne veličine nego izlazna (regulacijska) veličina!!
Blok shema povratne veze
Zadatak sustava automatske regulacije je ostvarivanje uvjeta:
y(t) = r(t)
Informacija o izlaznoj (regulacijskoj) veličini y(t) stalno se mjeri
pomoću senzora, te se dovodi u komparator gdje se uspoređuje s
vodećom ili referentnom veličinom r(t).
Načelo povratne veze
•Razlika između referentne (vodeće) veličine r(t) i regulirane
(izlazne) veličine y(t) naziva se regulacijsko odstupanje
(t) = r(t) - y(t)
•Signal regulacijskog odstupanja se dovodi na ulaz regulatora.
•Zadatak regulatora je da generira upravljačku veličinu koja će upravljati aktuatorom koji generira izvršnu veličinu i djeluje na objekt regulacije na način da što više smanji regulacijsko odstupanje ( = 0) !!!!!!
Načelo povratne veze
Automobil
• 1) vozač prati položaj automobila u odnosu na put - tu oči imaju funkciju detektora informacije o ostvarenom rezultatu upravljanja, ta se informacija prenosi u mozak;
• 2) mozak vozača vrši usporedbu detektirane veličine o trenutnom položaju automobila i vodeće veličine o putu te donosi odluku o aktiviranju izvršnog organa, ruke, u(t);
• 3) izvršenje odluke na objektu reguliranja y(t): to je upravljač automobila kojega vozač rukama pomiče.
Regulacija procesa i servomehanizma
Servomehanizam
Regulacija brzine okretaja motora – načelo zatvorene
petlje
Regulacija brzine okretaja motora – načelo zatvorene
petlje
Regulacija brzine okretaja motora – načelo zatvorene
petlje
Načelo povratne veze i načelo kompenzacije
(unaprijedno upravljanje) – primjer platforma
REGULATORI
Zadatak mu je održavanje regulirane veličine na željenoj - postavnoj
vrijednosti uz osiguranje tražene točnosti i stabilnosti cijele
regulacijske staze – procesa
Zadatak regulatora
Regulatori mogu biti različitih izvedbi ovisno o zahtjevima regulacijskog
kruga: mehanički, elektronički, pneumatski, hidraulički ili
kombinirani.
Prema tipu regulacijskog djelovanja mogu biti:
P-regulatori tj. regulatori razmjernog djelovanja,
I-regulatori (integralnog djelovanja),
D-regulatori (derivacijskog djelovanja)
i najčešće kombinirani (PI, PD i PID regulatori).
Vrste regulatorta
Primjer održavanja konstantne razine tekućine u tanku
regulacijom izlaznog toka
razina tanka Zadana razina
Zadana razina
ulazni tok
izlazni tok
ulazni tok izlazni tok
Čovjek: detektor,
komparator regulator
Ventil: aktuator
Promjena razine tanka za skokovitu promjenu zadane razine
razina tanka
ulazni tok izlazni tok
Zadana razina
Tipovi regulatora
Postoje različite vrste regulatora:
P regulator
D regulator
I regulator
Moguće su i kombinacije
P
PI
PID
PD se ne koristi
P-REGULATOR
100( _ ) %
p
PB proportional bandkp
pojačanjek
Primjer P regulatora (mehanički)
x - trenutna vrijednost regulirane
veličine (razine)
w - vodeća vrijednost (željena veličina)
xw =(x - w) - regulacijsko odstupanje
y - postavna veličina (položaj zasuna)
- ulazni upravljački signal ( x-w
a i b - krakovi poluge regulatora
Xmin - minimalna razina
Xmax - maksimalna razina
Xp - područje proporcionalnosti
Pojačanje proporcionalnog regulatora
je:
pKb
a
d
dy
Primjer P regulatora - pneumatski
Podešavanje PB
Tlak u cjevovodu (izlazna - regulirana veličina) djeluje na metalni
mijeh MM koji određenom silom djeluje na polugu. Na lijevom
kraju poluge je zaslon Z koji pritvara sapnicu S. Jedna grana vodi
postavni upravljački tlak prema membranskom ventilu MV.
(postavni tlak reda veličine 1 bar može proizvesti relativno velike
sile).
Za bolji odziv regulatora uvedena je negativna povratna veza preko
mijeha MPV. Veličina ove povratne veze može se mijenjati
pomicanjem hvatišta poluge ovog mijeha.
Sila stvorena mijehom MPV suprotna je sili koju stvara mijeh MM.
Ovaj sustav spada u sustave posredne regulacije, jer koristi pomoćni
izvor energije (tlak p0).
Opis rada P regulatora - pneumatski
Primjer P regulatora - električki
Realan sustav – mora postojati
odstupanje od par stupnjeva (postoji
minimalni napon ispod kojega motor
neće raditi)
– veće pojačanje manje odstupanje
- veće pojačanje manje vrijeme uspona
- veće pojačanje veće oscilacije
Idealan sustav
Integracijsko djelovanje regulatora
I-REGULATOR
e(t)- regulacijsko odstupanje
yr(t)-izlazni signal iz regulatora
Odziv I-REGULATORA na naglu promjenu
vodeće veličine
I regulator hidrauličkog djelovanja
Regulator mora održavati tlak p u pneumatskom kanalu na približno
stalnoj vrijednosti bez obzira na potrošnju pomoću zaklopke Zk
promjenom njene otvorenosti tj promjenom dobave.
Promjena tlaka mjeri se pomoću mijeha Me čiji se pomak prenosi na
upravljački stap US upravljačkog cilindra (hidrauličkog razvodnika) UC.
Hidraulički servorazvodnik upravlja radom hidrauličkog izvršnog
cilindra koji preko svog stapa mehanički djeluje na zaklopku tj. upravlja
veličinom njenog otvaranja.
Željena odnosno postavna vrijednost reguliranog tlaka može se podesiti
pomoću davača vodeće vrijednosti s oprugom.
Opis rada I regulatora - hidrauličkog
Proporcionalno – integracijsko djelovanje
PI-REGULATOR
kp – proporcionalno pojačanje sustava
ki – integracijsko pojačanje sustava
Ti – integracijsko vrijeme [s, min]
Vrijeme potrebno da izlazni signal
iz regulatora postigne dvostruko
veću vrijednost od “početnog
skoka”(koji je posljedica
proporcionalnog dijelovanja) se
naziva integracijsko vrijeme Ti
izražava se u sekundama,
minutama ili u broju ponavljanja u
minuti.
Što je veći ki, to je manji Ti !!!!
PI-REGULATOR
TEMELJNE ZNAČAJKE PI REGULATORA
• Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja, dok integracijsko djelovanje otklanja odstupanje.
• Postoje oscilacije za vrijeme prijelaznih pojava.
Primjer PI regulatora - pneumatski
Primjer PI regulatora -
pneumatski
Pri skokovitoj promjeni reguliranog tlaka, djeluje regulator najprije kao P
regulator s krutom povratnom vezom preko mijeha MPV. S vremenom
raste tlak u integralnom mijehu do tlaka ps. Pritom integralni mijeh
djeluje suprotnom silom od mijeha povratne veze MPV, te na kraju
poništi njegovo djelovanje. Na taj način pojačanje dostiže postupno
maksimalnu vrijednost sustava zaslon-sapnica. Pomoću dodatnog
volumena DO povećava se vremenska konstanta integralnog djelovanja.
Derivacijsko djelovanje regulatora
D-REGULATOR
e(t)- regulacijsko odstupanje
yr(t)-izlazni signal iz regulatora
kd – derivacijsko pojačanje sustava
Td – derivacijsko vrijeme [s, min]
D-REGULATOR
PD-REGULATOR
Proporcionalno – derivacijsko djelovanje
Vrijeme potrebno da izlazni signal
iz regulatora postigne vrijednost
proporcionalnog pojačanja kp
koji je jednak “početnom
skoku” (koji je posljedica
derivacijskog djelovanja) se
naziva derivacijsko vrijeme Td
izražava se u sekundama,
minutama ili u broju ponavljanja u
minuti
PD-REGULATOR
TEMELJNE ZNAČAJKE PD REGULATORA
• Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja te otklanja veća odstupanja, dok se derivacijsko djelovanje daje brzinu odziva.
• Preostaje odstupanje regulirane i vođene veličine.
PID-REGULATOR
Proporcionalno – integracijsko – derivacijsko djelovanje
Proporcionalno djelovanje mu osigurava stabilnost,
integracijsko otklanja odstupanje, a derivacijsko
poboljšava brzinu odziva i prigušuje eventualnu
sklonost sustava k osciliranju.
TEMELJNE ZNAČAJKE PID REGULATORA
Primjer PID regulatora - pneumatski
Primjer PID
regulatora -
pneumatski
Prigušnica Pr1 djeluje u početku tako da je djelovanje povratne veze
preko MPV skoro sasvim isključeno, pa sustav ima veliko pojačanje.
Nakon toga počinje djelovati integralni mijeh preko prigušnice Pr2
smanjujući utjecaj MPV i time zadržavajući veće pojačanje sustava za
dulje vrijeme.
Primjer PID regulatora – rashladna
voda
KASKADNA REGULACIJA
Ventil za regulaciju će moći vrlo teško regulirati razinu u
tanku 2 radi vremenskog kašnjenja u sustavu – veliko
odstupanje razine tanka 2
Primjer loše regulacije !!!
Kaskadno spojeni kontroleri – dobra regulacija
Puno bolja regulacija razine tanka 2.
Poništava se efekt vremenskog kašnjenja tanka 1.
SLAVE – P ili PI
MASTER - PID
Kaskadna regulacija temperature rashladne vode
….MODELIRANJE
SUSTAVA
AUTOMAIZACIJE…
2. KOMPONENTE SUSTAVA AUTOMATIKE I
NJIHOVE ANALOGIJE
2.1. MEHANIČKE TRANSLACIJSKE KOMPONENTE
F k x
x 1
F k
Grafički prikaz (simbol) Matematički simbol Blok komponente
F B v
dx = B BDx
dt
x 1
F BD
Grafički prikaz (simbol) Matematički simbol Blok komponente
22
2
2
F m a
d x = m mD x
dt
x 1
F mD
Grafički prikaz (simbol) Matematički simbol Blok komponente
2
2
2
F mD x BDx kx
mD BD k x
x 1 matematički model sustava
F mD BD k
MASA – OPRUGA – PRIGUŠIVAČ
2.2. MEHANIČKE ROTACIJSKE KOMPONENTE
t t
t t
M k
1
M k
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
B
B
dM B BD
dt
1
M BD
Grafički prikaz Matematički model Blok komponente
22
J 2
2
J
dM J JD
dt
1
M JD
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
Grafički prikaz Matematički model Blok komponente
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
MOMENT INERCIJE – ELASTIČNA OSOVINA – LEŽAJ S TRENJEM
2
t t
2
t
M JD BD k
JD BD k
2
t t
1 matematički model sustava
M JD BD k
2.3. ELEKTRIČNE KOMPONENTE
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
U R I
I 1
U R
Matematički model Blok komponente
diU L LDI
dt
I 1
U LD
Grafički prikaz (simbol) Matematički model Blok komponente
1 IU idt
C CD
ICD
U
Grafički prikaz (simbol)
OTPORNIK – ZAVOJNICA – KONDENZATOR
R L C
1U U U U R LD I
CD
I 1 matematički model sustava
1U R LDCD
2.4. ANALOGIJE MEĐU KOMPONENTAMA I SUSTAVIMA
Mehaničke
translacijske veličine
Mehaničke
rotacijske veličine Električne veličine
Naziv Oznaka Dimenz. Naziv Oznaka Dimenz. Naziv Oznaka Dimenz.
Sila F N Zakretni
moment M Nm Napon U V
Brzina m/s Kutna
brzina rad/s Struja I A
Pomak x m Kutni
pomak Θ rad Naboj Q As
Masa m kg Moment
inercije J
Induktivite
t zavojnice L H
Koef.
elast. k N/m
Koeficijent
elast.
na torziju
Nm/rad Kapacitet
kond.
Koef.
visco. B Ns/m
Koeficijent
viskoznog
trenja
ležaja
Nms/rad Otpornost
otpornika R
. dxx
dt
. d
dt
2kgm
tk
B
1
C
1
F
2.6. IZVOĐENJE PRIJENOSNIH FUNKCIJA ELEKTROMEHANIČKIH
SUSTAVA
uu u u u
di (t)R i (t) L u (t)
dt
m
d (t)M (t) J B (t)
dt
m m uM (t) K i (t)
u u u uR L s I (s) U (s)
m uK I (s) Js B (s) 0
u
m
Js BI (s) (s)
K
u u u
m
Js BR L s (s) U (s)
K
mM
u u u
(s) KG (s)
U (s) R L s Js B
M
e m
KG (s)
T s 1 T s 1
3.STRUKTURNI PRIKAZ SUSTAVA
AUTOMATIKE (ALGEBRA BLOKOVA)
Blok dijagram regulacijskog kruga
3.1. PRAVILA ALGEBRE BLOKOVA
a)operacija u točki grananja
b)operacija u točki zbrajanja
Svaki izlazni signal iz točke
grananja
jednak je ulaznom signalu
x1 = x2 = x3
Izlazni signal iz točke zbrajanja
jednak je algebarskom zbroju
svih ulaznih signala
y = x1 x2
Operacije nad blokovima
a) Serijski (kaskadni) spoj blokova
2 2 2 12 1 2
1 1 1
Y(s) Y (s) X (s) G (s) Y (s)W(s) G (s) G (s) G (s)
X(s) X (s) X (s) X (s)
b) Paralelan spoj blokova
1 2
1 1 2 2
1 2
1 2
Y(s) Y (s) Y (s)W(s)
X(s) X(s)
X (s) G (s) X (s) G (s)
X (s) X (s)
W(s) G (s) G (s)
n
1 2 n i
i 1
W(s) G (s) G (s) G (s) G (s)
c) Povratna veza
1 2Y(s) Y (s) X (s)
1 2X (s) X(s) Y (s)
- Prijenosna funkcija otvorene petlje (otvorenog regulacijskog kruga):
0W (s) G(s) H(s)
- Prijenosna funkcija zatvorene petlje (regulacijskog kruga):
G(s)W(s)
1 G(s) H(s)
- Izvod prijenosne funkcije zatvorene regulacijske petlje:
1
12 2
21 2
1 2 1
1
1
1
1
Y(s) Y (s)Y(s)
X (s)Y(s) Y(s)W(s) Y (s) H(s) X (s)
Y (s)X(s) X (s) Y (s)1
X (s) X (s) Y (s)
Y (s)
X (s)
H(s) Y (s)1
X (s)
1
1
0
Y (s) G(s)
X (s)
G(s) G(s)
1 G(s) H(s) 1 W (s)
Operacije prebacivanja
a)prebacivanje točke grananja preko (iza) bloka u smjeru toka signala
Y(s) 1G(s) X(s) Y(s)
X(s) G(s)
H(s) H(s)Z(s) X(s) H(s) Z(s) Y(s) Y(s) X(s) H(s)
Y(s)G(s)
X(s)
b)prebacivanje točke zbrajanja preko bloka u suprotnom smjeru od toka signala
Y(s)G(s) Y(s) X(s) G(s)
X(s)
Y(s)Z(s) Y(s) H(s) Z(s) X(s) H(s) G(s) X(s) H(s) Y(s) H(s)
X(s)
c)prebacivanje točke zbrajanja preko bloka u smjeru toka signala (ispred bloka)
G(s)X1(s)
1
Z(s)
Y(s)
H(s)
X2(s)
+
±
X(s)
1
1 2 1 2
1
Y(s) G(s) X(s) G(s) X (s) Z(s)
G(s) X (s) X (s) H(s) G X (s) X (s) H(s) G(s) ...izlazni signal
Y X (s) G(s) Z(s) ... izlazni signal nakon transformacije
Usporedbom ovih
jednadžbi očito mora
vrijediti : 2Z(s) X (s) H(s) G(s)
d)prebacivanje točke grananja preko bloka u smjeru suprotnom od toka signala
1
1 1
Y(s) G(s) X (s) Z(s) ... izlazni signal prije transformacije
Y(s) X (s) Z(s) G(s) G(s) X (s) Z(s) G(s) ... izlazni signal nakon transformacije
Transformacija Jednadžba Blok Dijagram Ekvivalentni blok dijagram
Serijska veza Y=G1G2X
Paralelna veza
Y= (G1 G2)X
Povratna veza
Prebacivanje
točke grananja
iza bloka
Y=GX
Prebacivanje
točke grananja
ispred bloka
Y=GX
Prebacivanje
točke zbrajanja
iza bloka
Y=GX
Prebacivanje
točke zbrajanja
ispred bloka
Y=GX1 HZ
Y G(X HY)
4.ANALIZA SUSTAVA AUTOMATIKE
4.1. STABILNOST SUSTAVA AUTOMATIKE
G(s)W(s)
1 G(s) H(s)………. prijenosna funkcija zatvorene kruga
0W (s) G(s) H(s) ………… prijenosna funkcija otvorene kruga
karakteristična jednadžba sustava: 01 W (s) 0
Odziv sustava u ovisnosti o položaju korijena karakteristične jednadžbe sustava
SLUČAJ POLOŽAJ KORIJENA
Karakteristične jednadžbe
ODZIV SUSTAVA
na impulsnu pobudu
STABILNOST
SUSTAVA
A Statička
stabilnost
B
Statička
granična
stabilnost
C Statička
nestabilnost
D
Dinamička
relativna
stabilnost
E
Dinamička
granična
stabilnost
F Dinamička
nestabilnost
4.2. Postupci ispitivanja stabilnosti sustava
4.2.1. Hurwitzov kriterij stabilnosti
n n 1 n 2
n n 1 n 2 1 0a s a s a s ... a s a 0
n 1 n 3 n 5
n n 2 n 4
n 1 n 3 n 5
nn n n 2 n 4
a a a .... 0
a a a .... 0
0 a a a ... 0
H 0 a a a ... 0
0 0 1
2 0
0 0 .... a 0
0 0 0 0 .... a a
1 n 1H a
n 1 n 3
2 n 1 n 2 n 3 n
n n 2
a aH a a a a
a a
i
i
a 0
H 0
4.2.2. Routhov kriterij stabilnosti
Rn . .
Rn-1 . .
Rn-2 . .
Rn-3 . .
. . . . . . .
. . . . . . .
1b
1c
n 1a
nan 2a
n 3a
2b
2c
n 4a
n 5a
3b
3c
n 6a
n 7a
4b
4c
n 1 n 2 n n 3 n 1 n 4 n n 51 2
n 1 n 1
1 n 3 n 1 2 1 n 5 n 1 31 2
1 1
a a a a a a a ab b
a a
b a a b b a a bc c
b b
Odziv sustava drugog reda na jediničnu odskočnu pobudu:
Odziv slabo prigušenog sustava drugog reda
na jediničnu odskočnu (step) pobudu
p
vršna vrijednost stacionarna vrijednostM 100%
stacionarna vrijednost
4.4. Analiza sustava u frekvencijskom području
s j , 0
s j
G(s)W(s)
1 G(s) H(s)
G( j )W( j ) Re W( j ) jIm W( j )
1 G( j ) H( j )
Amplituda:
2 2
G( j )W( j )
1 G( j ) H( j )
Re W( j ) Im W( j )
Faza:
)j(WRe
)j(WImarctg)j(Warg)(
Grafički prikaz kompleksnog broja
j ( )W(j ) A( ) e
A( ) cos ( ) jsin ( )
A( ) cos ( ) jA( ) sin ( ) Re W(j ) jIm W(j )
4.5. Postupak crtanja amplitudno-frekvencijskog i fazno-
frekvencijskog (Bodeovih) dijagrama
Ulazni i izlazni signal:
Bodeov kriterij stabilnosti
1
1
1
-sustav je na granici
stabilnosti ako je
-sustav je relativno
nestabilan ako vrijedi
.
Definicija relativne stabilnosti sustava s obzirom na iznos amplitudne i fazne pričuve:
Definicija relativne stabilnosti sustava s obzirom na vrijednosti frekvencije kritične
amplitude i frekvencije kritične faze:
- sustav je relativno stabilan ako
vrijedi
- sustav je relativno
stabilan ako vrijedi
-AP > 0 dB , FP > 0 ,
- sustav je na granici
stabilnosti ako je
AP = 0 dB , FP = 0 ,
- sustav je relativno
nestabilan ako vrijedi
AP < 0 dB , FP < 0 .
5.KRITERIJI ZA OCJENU KVALITETE SUSTAVA
AUTOMATIKE
e(t) x(t) y(t) regulacijsko odstupanje (pogreška)
5.1. Zahtjevi u vremenskom području
2n
2 2 2 2n n
1W(s)
T s 2 Ts 1 s 2 s
5.1.1. Pogreške sustava automatike (pogreške ustaljenog stanja)
Y(s) G(s)W(s)
X(s) 1 G(s)H(s)
0
0
Y(s) W (s)W(s)
X(s) 1 W (s)
e(t) x(t) y(t)
E(s) X(s) Y(s)
0 0
0 0
W (s) W (s)E(s) X(s) X(s) X(s) 1
1 W (s) 1 W (s)
0
X(s)E(s)
1 W (s)
kt s 0
e lim e(t) lim s E(s)
ps 0 s 0
0 0 0 ps 0
1
1 1 1 se lim s lim1 W (s) 1 W (s) 1 limW (s) 1 K
p 0s 0
K lim W (s)
sst s 0 s 0
0
X(s)e lim e(t) lim s E(s) =lim s
1 W (s)
Pogreška položaja i koeficijent pogreške položaja:
Pogreška brzine i koeficijent pogreške brzine:
sst s 0 s 0
0
X(s)e lim e(t) lim s E(s) =lim s
1 W (s)
2
vs 0 s 0
0 0 0 0 vs 0 s 0
1
1 1 1 1 se lim s lim1 W (s) s 1 W (s) lim s sW (s) lim s W (s) K
v 0s 0
K lim s W (s)
Pogreška ubrzanja i koeficijent pogreške ubrzanja:
sst s 0 s 0
0
X(s)e lim e(t) lim s E(s) =lim s
1 W (s)
3
a 2 2s 0 s 00 a0 0
s 0
1
1 1 1 se lim s lim1 W (s) Ks 1 W (s) lim s W (s)
2a 0
s 0K lim s W (s)
peve ae
p
1
1 K
v
1
K
a
1
K
Vrijednosti pogrešaka ustaljenog stanja za sustave prve, druge i treće vrste
pogreška
vrsta sust.
0.
1.
0
2.
0
0
,
,
.
ev = 1/ Kv
p
p
1e
1 K
ea = 1/ Ka
DISKRETNI SUSTAVI
Jednostavni diskretni sustav
Regulacija temperature prostorije
Izvršni mehanizmi (aktuatori) su u praksi ostvareni kao
elementi s kontinuiranim djelovanjem. To su najčešće
motori (električki, pneumatski, hidraulički).
Regulatori mogu biti diskretni - najčešće su elektronička
računala koji mogu obrađivati digitalne brojeve (diskretne
veličine).
Kako su prisutne i kontinuirane i diskretne veličine nužni
su A/D (analogno-digitalni) i D/A (digitalno-analogni)
pretvornici.
Sustav s pretvorbom diskretnog u kontinuirani
signal
Digitalizacija (diskretizacija po vremenu i amplitudi)
6. Linearni diskretni sustavi automatskog upravljanja
Amplitudno vremenska diskretizacija
konzinuiranog signala A/D- D/A pretvorba
UPRAVLJANJE SUSTAVA S
DISKRETNIM DOGAĐAJIMA
a b p
m
D L Z
upravljački dio
(logički kontroler)
procesni dio sustava
(motor vozila, vrata
spremišta...)
alogički kontroler
b
m
p
D
L
Z
ulazi logičkog
kontrolera
izlazi logičkog
kontrolera
Logički kontroler – može upravljati sustavima sa
diskretnim događajima
245
Što je to PLC?
Programabilni
Logički
Controler (Regulator)
- je univerzalna programibilna upravljačka
jedinica, razvijen kao zamjena za složene relejne
upravljačke sklopove
246
Prednosti korištenja PLC-a u odnosu na
druge (npr. relejne) upravljačke skolopove
Pouzdanost – nema mehaničkih pokretnih dijelova, otporan na pogonske uvjete rada (temperaturu, vlagu, udarce,...).
Adaptivnost - kad se napiše i testira, PLC program za upravljanje nekog uređaja može se bez problema prenijeti na drugi PLC u drugom uređaju.
Fleksibilnost – jedan PLC uređaj može izmjenom programa obavljati funkciju sasvim novog, različitog upravljačkog sklopa. Za izmjenu programa potrebno je vrlo malo vremena.
Brzina – brojne aplikacije na automatiziranim strojevima zahtjevaju vrlo brzu reakciju na pojavu signala. Takve aplikacije jednostavno su izvedive uz pomoć PLC-a
247
Podjela PLC uređja
Prema broju ulaznih i izlaznih stezaljki (povećanjem broja ulazno/izlaznih stezaljki povećava se i složenost uređaja, snaga procesora i kapcitet memorije)
S obzirom na tip signala s kojim rade uređaji, tj. imaju li digitalne i analogne ulaze/izlaze
Pri podijeli na jednosavnije i složenije uređaje treba uzeti u obzir mogućnost izvođenja matematičkih operacija nad realnim brojevima (floating point), PID regulaciju, mogućnost proširenja, itd.
248
Programiranje i komunikacija
Program za PLC se piše na računalu, a potom snima
na PLC. Računalo i PLC povezani su
komunikacijskim kabelom (RS 232 standard).
250
Osnovne cjeline PLC-a
251
Ulazni dio
Priključne vijčane stezaljke na koje se spajaju signali iz
okoline (dojavni signali iz procesa kojim se upravlja)
Mjesto početka prilagodbe signala
Digitalna ulazna informacija su sklopke, tipkala, senzori
Analogna ulazna informacija npr. naponski signal od 0
do 10 V s mjernog pretvornika tlaka, temperature i sl.
252
Izlazni dio
Priključne vijčane stezaljke na koje se spajaju izvršni uređaji iz
procesa kojima PLC šalje upravljačke signale
Na digitalne izlaze spajaju se magnetni svici, releji, sklopnici,
motorske sklopke, signalne lampe, pneumatski razvodnici i sl.
Analogni izlazi daju strujne signale za prikaz neke veličine na
pokaznom instrumentu, služe kao referenca brzine za
frekvencijski pretvarač, predstavljaju PID upravljački signal i
sl.
253
Centralna procesorska jedinica (CPU)
Centralna procesorska jedinica s memorijom glavna je jedinica
PLC uređaja.
Procesorska jedinica čita stanja svih ulaza i izlaza PLC
uređaja (analognih i digitalnih), logički ih obrađuje u skladu s
programom izrađenim od strane korisnika, te upravlja izlazima
prema rezultatima dobivenim nakon logičke obrade.
254
Rad uređaja
PLC prema promjeni stanja na njegovim ulazima mora kontinuirano korigirati
stanja izlaza, na način određen logikom u korisničkom programu. PLC tu internu
obradu podataka vrti ciklički u beskonačnoj petlji.
Vrijeme jednog ciklusa
za oko 500
programskih naredbi
se kreće oko 1,5 ms.
255
Programiranje PLC-a
Pisanje programa najčešće se izvodi preko nadređenog PC
računala na kojem je instaliran softver za korišteni PLC.
Svaki proizvođač uz svoj PLC daje softver koji je u stvari
kombinacija programskog editora, prevodioca (compilera), te
komunikacijskog softvera.
U editoru se napiše programski kod u nekom od programskih
jezika te se zatim provjeri sintaksa (compiler). Ako program nema
sintaksnih grašaka softver ga šalje u RAM memoriju PLC-a
(komunikacijski softver), koji je tada spreman za rad.
256
Programiranje PLC-a
Proizvođači PLC-a nude razne tehnike programiranja.
Najčešće uporabljivane tehnike su :
• ljestvičasti dijagrami (eng. ladder diagram, njem. kontakt plan),
• funkcijsko blokovski dijagrami (grafičko programiranje),
• STL (eng. statement list) instrukcijske liste.
• Grafcet
257
Programiranje PLCa- Ljestvičasti dijagram
Ljestvičasti dijagrami (eng. ladder diagram)
nastali su na bazi strujnih upravljačkih shema kojima
se prikazuje protok struje u strujnom krugu i koje služe
električarima kao podloga za ožičenje istog
258
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram
Svaki programski logički put u ljestvičastom dijagramu mora imati najmanje jednu izlaznu naredbu, a obično sadrži jedan ili više uvjeta koji moraju biti zadovoljeni da bi se izvršila izlazna naredba.
Uvjeti su najčešće signali koji dolaze sa uređaja priključenih na ulaz PLC-a u kombinaciji sa statusom izlaza, pomoćnih memorijskih varijabli, vremenskih i brojačkih članova.
Na desnoj strani svakog logičkog puta nalazi se izlazna naredba koja se aktivira/deaktivira s obzirom na stanje uvjeta. Izlazne naredbe su npr. 'uključi izlaz' .
259
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram
Ekvivalencije:
Stanje kontakta ~
istinitost naredbe
Strujni put ~ logički
put
Izvršni uređaj ~
izlazna naredba
Usporedba strujnog puta (električnog kontinuiteta) u strujnoj shemi i logičkog puta, tj. jedne linije programskog koda (logičkog kontinuiteta) u ljestvičastom dijagramu.
260
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram -
Razlika između ljestvičastog dijagrama i strujne sheme je što strujna shema prikazuje stanje kontakata (otvoreno ili zatvoreno) i tako ostvaruje električni kontinuitet, dok se u ljestvičastom dijagramu ispituje je li naredba istinita ‘1’ ili neistinita ‘0’ i tako ostvaruje logički kontinuitet.
Strujni put (električni kontinuitet) u strujnoj shemi završava izvršnim (upravljanim) uređajem, a logički put u ljestvičastom dijagramu izlaznom naredbom.
261
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram -
Osnovne naredbe za programiranje PLC-a
Naredba NO - Normally Open :
Ova naredba ispituje da je li adresirani bit (stanje na ulazu I0.1) u stanju
logičke jedinice. Ako je uvjet je zadovoljen ostvaruju se logički kontinuitet.
Naredba NC - Normally Closed :
Ova naredba ispituje je li adresirani bit (stanje na ulazu I0.2) u stanju logičke
nule. Ako je uvjet je zadovoljen ostvaruju se logički kontinuitet.
Naredba Output – uključi izlaz:
Naredba Output koristi se za promjenu stanja (0/1) adresirane lokacije (izlaza Q0.0)
kada stanje kruga (logički kontinuitet) poprimi vrijednost '1' / '0'.
262
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram -
Osnovne naredbe za programiranje PLC-a
TON – timer, on-delay
TON vremensko brojilo počinje brojati vrijeme
kada se stanje pripadajućeg kruga postavi u '1'.
Sve dok je stanje kruga visoko, vrijednost
akumulatora se povećava.
Kada vrijednost akumulatora dostigne predefinirano vrijeme (eng. preset time = PT)
vremensko brojilo završi s radom i na izlazu daje '1', u međuvremenu je na izlazu '0'.
Ovaj bit, da bi bio iskorišten, je potrebno adresirati.
263
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram -
Osnovne naredbe za programiranje PLC-a
TOFF – timer, off-delay
TOFF vremensko brojilo počinje brojati vrijeme
kada se stanje pripadajućeg kruga postavi u '1'.
Sve dok je stanje kruga visoko,
vrijednost akumulatora se povećava.
Kada vrijednost akumulatora dostigne predefinirani vrijeme (PT) vremensko brojilo
završi s radom i na izlazu daje '0', u međuvremenu je na izlazu '1'. Ovaj bit,
da bi bio iskorišten, je potrebno adresirati.
Ovi bitovi se koriste na način da se pozove na stanje izlaza vremenskog brojila
naredbom NO ili NC .
264
Programiranje PLCa - Ljestvičasti dijagram
Svaki strujni krug u strujnoj shemi prikazan je kao zaseban strujni put, a
svaki strujni put sadrži minimalno jedan upravljani uređaj (npr. motor,
relej, žarulja ili slično). Iz strujnog puta može se uočiti da je rad
upravljanog uređaja određen uvjetima (npr. tipkala, pomoćni kontakti i
slično) za njegovo uključenje.
Primjer startera motora
SUSAVI AUTOMATIZACIJE NA
BRODOVIMA
Klasifikacija brodskih procesa
REGULATORI KLASIČNOG BRODSKOG
MOTORA
IDENTIFIKACIJA PROCESA - OBJEKATA UPRAVLJANJA I REGULACIJE
Brodski dizelski motor s podsustavima
IDENTIFIKACIJA PROCESA - OBJEKATA UPRAVLJANJA I REGULACIJE
Eksperimentalno-numerička identifikacija procesa (OU)
Mjerna mjesta i parametri motora
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Struktura i opis osnovnih komponenti
Funkcionalna shema i osnovni signali DR
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Izbjegavanje područja kritične brzine stroja
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Ograničenje indeksa goriva ovisno o brzini
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Ograničenje indeksa goriva ovisno o tlaku goriva
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Ograničenje goriva pri upućivanju
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Granice
odstupanja
stvarne
od
postavne
brzine
RASPODJELA OPTEREĆENJA IZMEĐU DVA MOTORA NA ISTOJ
OSOVINI
DIGITALNI ELEKTRONIČKI REGULATOR
Upravljanje s dva motora u paralelnom radu
DALJINSKO UPRAVLJANJE
GLAVNIM STROJEM
BCS 200
(Bridge Control System)
Strukturna
blok
shema
sustava
BCS 200
DALJINSKO UPRAVLJANJE GLAVNIM STROJEM
Program opterećivanja / rasterećivanja stroja
REGULAIJA BRODKIH PROCESA
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Komponente regulacijske staze
Sustav hlađenja motora
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Principijelna shema - model sustava hlađenja motora
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav podmazivanja motora
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Principijelna shema sustava podmazivanja motora
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav pripreme goriva
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Model sustava pripreme dizelskog goriva – regulacija viskoznosti
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav uputnog i servisnog zraka
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav pare
Princip regulacije generatora pare
Regulacija napojne vode generatora pare
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav pare
Regulacija razine vode u parnom bubnju
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav pare
REGULACIJA BRODSKIH PROCESA
Sustav pare
NADZOR
I
ČUVANJE
TERETA
Standardna
konfiguracija
sustava
nadzora
tereta
tipa GL-90
NADZORI ČUVANJE TERETA
NADZOR I ČUVANJE TERETA
Izgled centralne upravljačke jedinice GLN-90
NADZOR I ČUVANJE TERETA
Radarski davač nivoa tipa GLA-90 (a) i princip postavljanja davača (b)
a) b)
NADZOR I ČUVANJE TERETA
Dijagram kabelskog povezivanja elemenata sustava nadzora tereta GL-90
NADZOR I ČUVANJE TERETA
Dijagram kabelskog povezivanja komponenti alarmnog sustava tereta
AUTOMATSKO UPRAVLJANJE KURSOM
Dodati folije od palinića
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Pojednostavljena blok shema
upravljanja kursom broda
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Osnovna struktura
podsustava upravljanja kursom broda
PODSUSTAV UPRAVLJANJA
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Rangovi
automatskog
upravljanja
kursom
broda
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Klasična elektronička izvedba automatskog kormilarenja
P
PI
PID
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
PODSUSTAV KORMILARSKOG STROJA I IZVRŠNIH ORGANA
Praktičan
primjer
izvršnog
organa
kormilarenja
(hidraulički tip)
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Upravljački
pult
komercijalnog
autopilota
ANSCHÜTZ
ADAPTIVNI DIGITALNI
AUTOPILOT ADG 3000 VT
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
Jedinice autopilota
ADG 3000 VT
SUSTAV AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI
AUTOPILOT ADG 3000 VT
Upravljači
i
indikatori
autopilota
ADG 3000
SUSTAV AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI
AUTOPILOT ADG 3000 VT
Upravljači
i
indikatori
autopilota
ADG 3000
(nastavak)
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI AUTOPILOT ADG 3000 VT
Strukturna
blok shema
autopilota
ADG 3000 VT
SUSTAV AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI
AUTOPILOT ADG 3000 VT
Centralna
procesna
jedinica
autopilota
ADG 3000 VT
SUSTAV
AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
ADAPTIVNI
DIGITALNI
AUTOPILOT
ADG 3000 VT
Jedinica
za
ulazno / izlazne
signale
i komunikaciju
SUSTAV
AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
KURSOM BRODA
ADAPTIVNI
DIGITALNI
AUTOPILOT
ADG 3000 VT
Strukturna
blok shema
displej jedinice
autopilota ADG 3000
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI AUTOPILOT ADG 3000 VT
Ukupna struktura sustava automatskog kormilarenja s komponentama
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
Razmještaj
komponenti
elektroničke
jedinice
autopilota
ADAPTIVNI DIGITALNI AUTOPILOT ADG 3000 VT
SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA KURSOM BRODA
ADAPTIVNI DIGITALNI AUTOPILOT ADG 3000 VT
Spajanje elektroničke i displej jedinice autopilota
HIJERARHIJSKI DISTIBUIRANI SUSTAV AUTOMATIZACIJE
HIJERARHIJSKI SUSTAV AUTOMATSKOG
UPRAVLJANJA
331
• dekompozicija proizvodnog sustava na zone (engl. cells);
• fleksibilna automatizacija koja omogućuje jednostavnu promjenu
proizvoda koji se proizvodi;
• optimiranje proizvodnje prema raspoloživim resursima i stanju
narudžbi.
RAČUNALNI SUSTAV ZA UPRAVLJANJE PROIZVODNIM
SUSTAVOM
332
Centralizirana arhitektura – jedno računalo upravlja
cjelokupnim procesom - nepouzdano !!
Distribuirana arhitektura – više računala povezanih na odgovarajući
način upravlja procesom
333
•• Razina 4: Razina vođenja poduzeća
(engl. Plant Management or Corporate
Management Level – Factory level).
•• Razina 3: Razina vođenja proizvodnje
(engl. Production Control or Production
Management Level – Shop level);
•• Razina 2: Razina vođenja
postrojenja/procesa (engl. Plant
Supervisory or Process Control Level);
•• Razina 1: Razina lokalnog upravljanja
i regulacije (engl. Direct Control or Local
Control Level);
•Razina 0: Razina tehničkog procesa
(engl. Field or Sensor-Actuator Level);
HIJERARHIJSKA ARHITEKTURA DISTRIBUIRANIH
RAČUNALNIH SUSTAVA
334
HIJERARHIJSKA ARHITEKTURA DISTRIBUIRANIH
RAČUNALNIH SUSTAVA
335
U svakoj se razini izvode odgovarajuće funkcije automatizacije koje
pokreću i nadziru izvođenje funkcija automatizacije susjedne
podređene razine te koje se pokreću i nadziru funkcijama
automatizacije susjedne nadređene razine.
Primjerice, PID algoritam, izveden kao funkcija automatizacije u razini
1, očitava vrijednost regulirane procesne veličine s odgovarajućeg
mjernog člana i šalje upravljački signal izvršnom organu, koji su dio
razine 0.
Optimalne referentne vrijednosti regulirane veličine PID algoritam
dobiva od razine 2, u kojoj se izvode funkcije optimiranja rada
upravljanoga procesa.
336
Razina lokalnog upravljanja i regulacije (razina 1)
• Akvizicija procesnih veličina: prikupljanje trenutačnih vrijednosti mjernih veličina
procesa i stanja pojedinih komponenata postrojenja (npr. stanja crpki, ventila, motora i
sl.) koji su neophodni za učinkovito upravljanje procesom u otvorenoj i/ili zatvorenoj
petlji, nadzor procesa, te izradbu izvješća o stanju procesa.
• Nadzor procesa/postrojenja i provjera ispravnosti sustava: procesiranje prikupljenih
podataka, provjeravanje njihove prihvatljivosti, donošenje odluka o akcijama koje treba
poduzeti, provjeravanje funkcionalnosti računala i periferijskog sklopovlja, alarmiranje,
dojavljivanje pogrešaka i kvarnih stanja.
• Sekvencijalno upravljanje i upravljanje u zatvorenoj petlji
337
Razina vođenja postrojenja/procesa (razina 2)
• Optimalno upravljanje procesom: optimiranje se provodi na temelju matematičkog
modela procesa, a prema nekom kriteriju optimalnosti koji treba osigurati optimalan rad
procesa/postrojenja u promjenljivim radnim uvjetima.
• Adaptivno upravljanje: na temelju mjernih vrijednosti procesnih veličina estimiraju se
parametri matematičkog modela procesa iz kojih se zatim izračunavaju optimalne
vrijednosti parametara regulatora koje se prosljeđuju podređenoj razini (razini 1) u kojoj
je regulator implementiran (primjer autopilota).
• Optimalna koordinacija rada postrojenja: provodi se na temelju produktivnosti
proizvodnje, stanja sirovina, stanja skladišta proizvedene robe, cijene energije i
određenog kriterija optimalnosti (primjer rada grupe generatora).
• Nadzor performansi postrojenja, pohranjivanje podataka o kvarnim stanjima,
izvješćivanje o stanju.
338
Razina vođenja proizvodnje (razina 3)
U ovoj se razini implementiraju funkcije koje više pripadaju području
operacijskih istraživanja nego području automatskog upravljanja.
Glavna je funkcija ove razine određivanje redoslijeda proizvodnje (engl.
production scheduling) za pojedinačne operacije energetskim
ograničenjima i zahtjevima.
339
Raspored 6 operacija na 3 resursa – svaki resurs može izvršiti bilo koji posao
340
Razina vođenja poduzeća (razina 4)
Ovo je najviša razina sustava automatizacije složenih industrijskih
postrojenja u kojoj se implementira široki spektar funkcija koje
obuhvaćaju inženjerske, ekonomske, komercijalne i kadrovske aspekte
vođenja poduzeća.
341
342
Sučelje prema čovjeku od 4 razine
343
Vrste sučelja prema čovjeku
• sučelje prema projektantu programske podrške za izradbu, ispitivanje,
dokumentiranje i održavanje programa;
• sučelje prema operatoru postrojenja za nadzor i rukovanje
postrojenjem na raznim hijerarhijskim razinama;
• sučelje za praćenje proizvodnje - za osoblje zaduženo za upravljanje
proizvodnjom;
• sučelje za planiranje - za upravu tvrtke;
• sučelje za nabavu i prodaju – za odjele nabave i prodaje.
344
Sučelja za upravljanje industrijskog procesa –
(brodski motor)
345
346
SCADA – Supervisor controll and data aquisition program
Polje poruka
Pregledno polje
Glavno prikazno polje
Polje operatorskih instrukcija
347
Polje poruka koristi se za prikaz poruka, alarma i upozorenja iz postrojenja. Za prikaz
se koriste široki spektar boja, poglavito u iznimno kritičnim situacijama kada se izvodi i
“žmiganje” odgovarajuće ikone uz istodobni zvučni signala.
Zbog relativno malog prostora u ovom se polju prikazuju samo najnovije poruke
(alarmi), a starije se spremaju u tzv. zbirna izvješća, koja operator može naknadno
prikazati na ekranu, u glavnom prikaznom polju.
348
Pregledno polje obično sadrži neophodne informacije o stanju pojedinačnog
postrojenja ili grupe postrojenja cjelokupnog proizvodnog postrojenja. Informacije koje
se prikazuju u ovom polju trebaju omogućiti operateru da vrlo brzo spozna u kojem je
postrojenju ili u kojoj grupi postrojenja nastupilo neregularno stanje.
Za stjecanje dubljih spoznaja o stanju pojedinog postrojenja, operator jednostavno
izabire to postrojenje (obično klikom miša na njegovu ikonu u preglednom polju) i na
ekranu (u glavnom prikaznom polju) se pojavljuje detaljniji prikaz
njegova stanja
349
Glavno prikazno polje zauzima središnji dio ekrana. Koristi se za detaljan prikaz stanja
svih pojedinačnih postrojenja, upravljačkih petlji i procesnih veličina. U ovom se polju,
također, prikazuje i “mimički” dijagram upravljanoga postrojenja.
Polje operatorskih instrukcija sadrži neke standardne ili korisnički-definirane simbole
pomoću kojih operator obavlja interakciju s računalnim sustavom.
350
351
352
353
354
355
356
357
HIJERARHIJSKA ARHITEKTURA DISTRIBUIRANOG
SUSTAVA NA BRODU (HARDWARE)
•Razina 0: Razina tehničkog procesa (engl. Field or Sensor-Actuator Level);
• Razina 1: Razina lokalnog upravljanja i regulacije (engl. Direct Control or Local Control
Level);
• Razina 2: Razina vođenja postrojenja/procesa (engl. Plant Supervisory or Process Control
Level);
• Razina 3: Razina vođenja proizvodnje (engl. Production Control or Production Management
Level – Shop level);
• Razina 4 (Ne postoji na brodu !!!!!)
Integrirani navigacijski sustav
359
BRODSKI INTEGRIRANI NAVIGACIJSKI SUSTAV
• grupiranje svih instrumenata na jednom mjestu
• integracija navigacijskih funkcija
• elektronička karta (ECDIS)
• sustav alarma
• satelitska razmjena podataka
• optimiranje rute i potrošnje goriva
• izbjegavanja sudara (CPA, TCPA)
• automatsko praćenje svih podataka bitnih za funkcioniranje brodskih
sustava
360
NAČELNA SHEMA INS-a
Integrirani navigacijski sustav
NMEA (National Marine Electronics Association)
NMEA 2000 standard za mrežu srednje brzine koja povezuje pomorske
elektroničke uređaje. NMEA 2000 je industrijska sabirnička mreža,
prema uzoru na CAN mrežu, dvosmjerna, serijski prijenos, 250 kbit/sec
NMEA 0183 – tvorac je dr. Robert Freeman, proizvođač brodskih
autopilota. Mreža omogućava serijski prijenos, 4,8 kbit/sec, asinkrona
komunikacija preko serijskog porta na PC-iju
Karakteristika NME 2000 mreže
Arhitektura mreže:
• Sabirnička 4 – žična mreža sa centralnim napajanjem za primopredajne
uređaje
• Sabirnica je zaključena terminirajućim otpornicima (refleksija).
Funkcioniranje mreže:
• Pristupni protokol: Carrier Sense/Multiple Access/Collision Arbitration
koji se koristi u CAN (Controller Area Network)
• Bez centralnog čvora
• Samo konfigurirajuća
Veličina mreže:
• Fizičkih čvorova: do 50 konekcija
• Funkcionalnih čvorova: do 252 mrežne adrese
• Dužina: do 200 m ( 250kbits/s )
Razine NMEA 2000 protokola
•Aplikacijska razina– definirana je NMEA 2000 standardom i
zahtjevima proizvođača opreme
•Upravljačka razina– definirano ISO 11783-5 uz ostale specifične
uvjete koje određuje NMEA 2000 standard.
•Mrežna razina– definicija slijedi u budućim verzijama standarda.
•Podatkovna razina– definirana ISO 11783-3 standardom uz ostale
specifične zahtjeve koje određuje NMEA 2000 standard.
•Fizička razina– definira napone signala, karakteristike kabela i
konektora.
Fizička razina definira električne i mehaničke aspekte fizičke veze
između mrežnih spojeva kao i značajke uređaja i mrežnih sučelja koja se
koriste u mreži.
Fizička razina NMEA2000 protokola
Temeljna značajka NMEA 2000 mreže, za razliku od većine ostalih
mreža,
jest ta što ona omogućava spajanje različitih uređaja male snage na
velike udaljenosti.
Uređaji se mogu spajati i otspajati bez zaustavljanja rada mreže.
NMEA 2000 –Fizička razina (napajanje)
Sabirnica se može napajati:
•Sa jednog izvora napajanja,
•Sa više izvora napajanja
(redundancija)
•Pojedini uređaji mogu
imati i svoj izvor napajanja
•Mini – najdeblji kabel – glavna sabirnica (do 8A). Može se koristiti i za
priključne vodove. Impendancija kabela iznosi 1,6Ω/100m.
•Mid – kabel srednje debljine (do 4A) koji se koristi kao glavna
sabirnica kod srednjih i manjih mreža te za priključne vodove.
•Micro –kabel najmanje debljine (3A) koristi za priključne vodove.
Impendancija kabela iznosi 5,7Ω/100m.
NMEA 2000 –Fizička razina (kabliranje)
NMEA 2000 –Fizička razina
•Koriste se primopredajnici koji generiraju diferencijalni signal,
•Primopredajni krug je optoizolatorima odvojen od ostatka uređaja
(primopredajnici se napajaju isključivo sa sabirnice – smetnji)
NMEA 2000 – Podatkovna razina
•Uređaji generiraju okvir “data frame” koji se šalju na mrežu,
•Okvir sadrži 29-bitno identifikacijsko polje, podatke 0 do 8 bajtova, početne
i završne bitove, kontrolne bitove, 15-bitno polje za detekciju greške,
bitove potvrde prijema.
•29-bitno identifikacijsko polje se određuje prioritet poruke, izvor i
odredište
•U slučaju da više uređaja zahtjeva istovremeno slanje okvira preko sabirnice,
protokol izvršava arbitražu – nema opasnosti od zastoja uslijed “collisiona”
CSMA –ND-BWA
•Vrši se provjera pogrešnih okvira pomoću 15 bitne CRC metode i zahtjeva se
automatska retransmisija u slučaju greške.
•Očitava se neispravnost mrežnog čvorišta koje generira grešku te ga
automatski isključuje kako bi se zaštitila mreža.
.
NMEA 2000 – Upravljački i Mrežni sloj
Mrežni sloj je odgovoran :
Za rutiranje podatak između više segmenata mreže
Sloj upravljanja mrežom je odgovoran:
•za utvrđivanje i dodjelu adresa, (do 252 adrese)
•za identifikaciju uređaja spojenih na mrežu
(svaki uređaj ima korisničko ime)
•za inicijalizaciju početnih uvjeta
NMEA 2000 – Aplikacijski sloj
Aplikacijski sloj definira podatkovne poruke PGN
Podaci koji se razmjenjuju između uređaja su zapakirani u PGN (Eng.:
“Parameter group number“).
Svaki PGN je definiran brojem okvira, prioritetom, odredištem,
periodičnom brzinom prijenosa, vrstom podataka.
PGN je definiran 8-bitnim ili 16-bitnim identifikacijskim poljem u
ovisnosti o tome da li je PGN adresirana pojedinom uređaju ili se
poruka emitira za sve.
Usporedba NMEA 2000 i Etherneta – Podatkovna razina
NMA 2000 (po uzoru na CAN) ETHERNET
CSMA –ND-BWA (“Carrier Sense Multiple
Access-Non destructive-Bit wise
arbitration“) korištenjem metode rivaliteta
ne dolazi do smanjenja propusnosti
mreže uslijed istovremenog pristupa dva
uređaja.
CSMA-CD (“Carrier Sense Multiple
Access-Collision detect“) prioritetnost nije
predodređena pa dolazi do smanjenja
propusnosti mreže uslijed istovremenog
pristupa dva uređaja.
Propusnost mreže: 62,5 Kbit/s do 1Mbit/s Propusnost mreže: 100 Mbit i više
Višestruko provjeravanje poslanih poruka
na svakom mrežnom čvorištu.
Automatska provjera ispravnosti mrežnog
čvorišta i isključivanje čvorišta gdje
nastaje greška kako bi se zaštitio ostatak
mreže.
Zajamčena dostava poruke u cijelosti.
Primjer NMEA 2000 mreže na jahti
Primjer NMEA 2000 mreže na jahti
Računalne mreže velikih
brodova
•NMEA 2000 sabirnička industrijska mreža srednje brzine
koja je dizajnirana da omogući dvosmjernu komunikaciju
između brodskih uređaja, senzora i aktuatora različitih
proizvođača.
•Mreža je bazirana na izrazito robusnom CAN protokolu koji
se dokazao u željezničkoj i autoindustriji – siguran, pouzdan,
robustan. Poboljšanje starog NMEA 0183 jer uvodi sabirničku
topologiju i veće brzine .
•Protokol je otvoren za dalji razvoj mrežnog sloja koji će
omogučiti routiranje paketa i izgradnju segmentiranih
kompleksnih računalnih mreža.
•Upotreba Ethernet mreže samo u administrativnom dijelu
broda, a NMEA 2000 u sigurnosno kritičnim sustavima.