IZVRŠILNI SISTEMI (izobraževalni program Elektronika – izbirni predmet - 2. letnik) POGONI IN MEHANIZMI (izobraževalni program Mehatronika – izbirni predmet - 2. letnik)

IZS – PIM - Splošno Nosilec predmeta: Franc Štravs, univ. dipl. inž. el. Predavanja: 36 ur Laboratorijske vaje / Seminarske vaje: 24 / 12 = 36 ur Izpit: Pogoj za pristop k pisnemu izpitu so uspešno opravljene laboratorijske vaje Povezava z ostalimi predmeti: Krmilno-regulacijski sistemi Sistemi vodenja procesov Projektiranje Pogonska tehnika

Priporočena literatura Interna gradiva na: ftp://ftp.scv.si/ Gradniki sistemov vodenja, R. Karba, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, 1994 Krmilni ventili, D. Đonlagić, B. Tovornik, Fakulteta za elektrotehniko in informatiko, 1997 Mehatronika, priročnik, Pasadena, 2009 Spletni viri, (sproti - na predavanjih, vajah), kreativno iskanje Tehnična dokumentacija , ( OMRON, …)

Vsebina predmeta IZS - PIM 1. Izvršilni členi v sistemu vodenja Zgradba sistema vodenja Elementi sistema vodenja Senzorji in izvršilni elementi in sistemih vodenja Značilnosti senzorike in pripadajoči signali Osnovne električne karakteristike izvršilnih členov Osnovne mehanske karakteristike izvršilnih členov

Vsebina predmeta IZS - PIM 2. Osnove za izvajanje prenosa gibanja Pomen in pregled standardizacije komponent -(SIST, ISO, DIN), Značilnosti podpornih komponent za prenos gibanja (ležaji, zobniki , jermeni, verižniki, sklopke, zavore, …) Osnove gonil Osnove mehanizmov

Vsebina predmeta IZS - POM 3. Osnove pnevmatskih in hidravličnih aktuatorjev Principi delovanja komponent in aktuatorjev v pnevmatskem sistemu Principi delovanja komponent in aktuatorjev hidravličnem sistemu p/I in I/p pretvorba Sistemi za pnevmatsko napajanje Sistemi za hidravlično napajanje

Vsebina predmeta IZS - POM 4. Osnove električnih aktuatorjev Principi delovanja naprav za krmiljenje električnih aktuatorjev Ventili, kot specifični izvršilni členi Črpalke in frekvenčno regulirani pogoni kot izvršilni členi v sistemu vodenja Mehki zagon električnega aktuatorja – elektromotorja Električne instalacije v elektromehanskih napravah

Vsebina predmeta IZS - POM 5. Krmiljenje električnih aktuatorjev Krmilne in regulacijske metode za električne aktuatorje Krmiljenje dvopoložajnega ventila Regulacijske metode in regulacija zveznega ventila Osnove frekvenčne (vektorske) regulacije elektromotorjev Zagon elektromotorja po načinu zvezda-trikot Osnove mehkega zagona elektromotorja

Vsebina predmeta IZS - POM 6. Osnove servosistemov Princip delovanja in elementi servo sistema Odprtozančno krmiljenje in zaprtozančna regulacija servosistema Servomotor in servo-krmilnik Načini krmiljenja servo-krmilnika; napetostno pulzno-širinsko preko hitre industrijske komunikacije

Vsebina predmeta IZS - POM 7. Eno-osni in več-osni manipulatorji Vloga in vrste enoosnih manipulatorjev Vloga in vrste več-osnih manipulatorjev Krmilni sistemi za manipulatorje Osnove programiranja krmilnikov za manipulatorje

Vsebina predmeta IZS - POM 8. Procesni računalniki in industrijski regulatorji Prosto programirljivi krmilniki (PLC) v vlogi krmiljenja izvršilnih členov, Industrijski kompaktni regulatorji izvršilnih členov

Vsebina predmeta IZS - POM 9. Industrijska omrežja na nivoju izvršilnih členov Osnovne značilnosti in pregled industrijskih omrežij v sistemu vodenja (hierarhična struktura) Standardni protokoli in zahteve za komunikacijo med komponentami avtomatiziranih naprav Problemi v industrijskih omrežjih

1. Regulacijska zanka Primer: Regulacija nivoja tekočine s plovcem

1.2 Krmiljenje in regulacija Definicija sistema, elementa in procesa Sistem je množica elementov, ki so medsebojno odvisni in povezani tako, da delujejo kot celota. Element je objekt, za katerega pred obravnavo ne poznamo notranjih veličin in odvisnosti, temveč le tiste, ki jih lahko opišemo s spremembo vhodnih in izhodni veličin. Proces je v splošnem vsaka kvalitativna in/ali kvantitativna sprememba v odvisnosti od časa – to je torej dinamični sistem, ki ga vzdržujemo v željenih mejah.

1.2. Krmiljenje in regulacija Krmilni signali gredo proti krmiljenemu procesu v določeni smeri in v predpisanem redosledu Krmiljena veličina nima nobenega vpliva na krmilni signal – odprta zanka Odprtozančni sistemi so enostavni, kar se odraža v ceni, zanesljivosti in obstojnosti Po svoji naravi so stabilni, pri čemer pa mora biti seveda stabilen tudi krmiljeni proces So nenatančni v smislu nezmožnosti proizvajanja krmilnega signala, ki naj bi popravil razliko med doseženo in želeno vrednostjo odziva

1.2. Krmiljenje in regulacija Regulirano veličino primerjamo z želeno in v odvisnosti od te razlike tvorimo regulirno veličino tako, da le ta povzroča regulirno veličino, ki se približuje želeni vrednosti – zaprta zanka. Zaprtozančni sistemi so zato sposobni relativno hitrega odgovora na zahtevano spremembo in so relativno natančni v prilagajanju doseženega odziva k želenemu. Zaprtozančni sistemi se lahko tudi destabilizirajo (okvare na opremi) in če ima to lahko katastrofalne posledice (vodenje avionov, nuklearnih elektrarn ipd.), se proti okvaram zavarujemo z različnimi ukrepi, ki pa v sistem vnašajo dodatno opremo in kompleksnost. →

1.2. Krmiljenje in regulacija ← Potreba po merjenju regulirnih veličin pri zaprtozančnih sistemih lahko pomeni možnost vnosa različnih šumov, katerih vpliv pa se pri prehodu skozi regulacijsko zanko največkrat tako oslabi, da skoraj ne vplivajo na regulirane veličine. Pri tem se moramo zavedati, da regulacija nikdar ne more bitri bolj točna, kot je meritev, največkrat pa je še veliko slabša. Kljub relativni hitrosti odziva se moramo pri zaprtozančnih sistemih zavedati, da se regulacijska akcija, ki naj bi popravila razliko med želeno in doseženo vrednostjo regulirane veličine ne more začeti prej, preden do te razlike ne pride (npr. vpliv motnje se mora torej že pojaviti na izhodu).

1.2. Krmiljenje in regulacija Primer regulacije nivoja

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Osnovni blok diagram regulacijske zanke →

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Regulirani sistem – v splošnem tvorijo regulirani sistem oprema in materiali, ki so povezani z neko proizvodnjo. Med mnogimi dinamičnimi spremenljivkami, ki jih lahko vsebuje regulirani sistem ali pa njegov matematični in/ali fizični model največkrat želimo regulirati le eno. Zato takšne procese imenujemo univariabilne. Pri multivariabilnih procesih pa reguliramo več medsebojno povezanih spremenljivk. →

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Meritev – da bi lahko regulirali izbrane dinamične spremenljivke procesa, moramo dobiti o njih neko informacijo, ki jo omogočajo meritve. V splošnem meritev pretvori spremenljivko (regulirano veličino) v nek analogni signal, kot je npr. tlak v pnevmatskih sistemih, elektrina napetost ali tok. Napravo, ki izvrši omenjeno pretvorbo, imenujemo merilni pretvornik. Najpogostejši so merilniki premikov, temperature, tlaka, pretoka in nivoja, pa tudi različni analitični merilniki. Izhodne signale merilnih pretvornikov uporabimo v regulacijski zanki. Vrednotenje – v procesu vodenja pomeni vrednotenje ocenitev meritve in določitev ustrezne regulacijske akcije. Te del zanke imenujemo regulator. Vrednotenje lahko izvedemo ročno, v tem primeru ga izvede operater, ali pa avtomatsko z obdelavo omenjenih pnevmatskih ali električnih izhodov merilnih pretvornikov, ki jih primerjamo z želenimi vrednostmi. Regulator zahteva meritve regulirnih veličin, kakor tudi definicijo njihovih želenih vrednosti, ki jih imenujemo nastavitvene točke. Izvršni člen – to je element, ki direktno vpliva na regulirani sistem. Sprejme signal iz regulatorja in ga pretvori v ustrezno operacijo na reguliranem sistemu. Mnogokrat je to v procesni industriji regulacijski ventil, pogosto pa so uporabljeni tudi različni motorji in črpalke. →

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Blokovna shema gradnikov regulacijske zanke →

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Predstavitev regulacijskega sistema s vplivom motnje →

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov Predstavitev regulacijskega sistema brez vpliva motnje →

1.4 Sistem označevanja v tehnoloških shemah Procesna linija Električni signal Pnevmatski signal Hidravlični signal FT 117 Lokalno montiran instrument Regulator na kontrolni plošči v komandnem prostoru Regulator za kontrolno ploščo v komandnem prostoru TC 100 FC 30 Prva črka: C – zmes P - tlak E – napetost T - temperatura F – pretok S - hitrost I – tok Z - pozicija L – nivo Ph – kislost medija Druga črka: C – regulator E – primarni element I - prikaz R – registrator T – pretvornik, tipalo V – ventil Z - pogon

1.4 Oznake elementov tehnoloških shem Primer sheme procesa podanega v obliki P&ID →

1.5 Splošne zahteve pri regulaciji Stabilnost sistema Hiter Dovolj dušen Primerno majhen pogrešek: ε = r – y Regulacijsko delovanje (slika) Sledilno delovanje regulacijske zanke (slika) Vrednotenje časovnega odziva regulacijske zanke (slika)

1.5 Splošne zahteve pri regulaciji Regulacijsko delovanje → Podkritično dušen odziv sistema na motnjo → Nadkritično dušen odziv sistema na motnjo

1.5.1. Zahteve pri načrtovanju in vrednotenju regulacijske zanke Časovni odziv regulacijskega sistema delimo na dva dela: → Prehodni pojav → Ustaljeno (stacionarno delovanje)

1.5.1. Zahteve pri načrtovanju in vrednotenju regulacijske zanke Vrednotenje časovnega odziva regulacijske zanke

1.6 Učinki povratne zanke Struktura odprte zanke (slika) Struktura zaprte zanke (slika) Definicije, izrazi Vplivi in učinki povratne zanke

1.6 Učinki povratne zanke R (regulator) S (sistem Struktura odprte zanke (glej slikovno podporo) Struktura zaprte zanke (glej slikovno podporo) Definicije, izrazi Prenosna funkcija (y) R (regulator) S (sistem Vplivi in učinki povratne zanke

1.6 Učinki povratne zanke Vplivi in učinki povratne zanke Vpliv na dinamično obnašanje Vpliv na stabilnost sistema Vpliv na občutljivost sistema na spremembo sistemskih parametrov

1.7 Klasifikacija sistemov vodenja Regulirani objekt Procesno vodenje, procesni regulatorji Vrsta regulirane veličine Odmik, hitrost, pospešek, sila, torzija, mehanska napetost, temperatura, tlak, masa, … Uporabljene regulirne veličine Električne, mehanske, hidravlične, pnevmatske, kombinacija naštetih

1.7 Klasifikacija sistemov vodenja Značaj regulacijskih elementov Analogni (zvezni V/I), digitalni (binarni V/I), hibridni (kombinacija) regulacijski elementi Linearnost regulacijskega sistema Linearni in nelinearni sistemi Število regulacijskih zank Enozančni in večzančni sistemi Značaj regulirnega signala Zvezno delujoči regulator, sekvenčni regulacijski sistem

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja Ročno vodenje Ročni vklop/izklop posameznih izvršnih členov (slika) Dvopoložajno vodenje Električno krmiljen vklop/izklop posameznih izvršnih členov (slika) Proporcionalno vodenje Proporcionalna regulacija: spreminjanje odprtosti npr. ventila v smislu popravljanja pretoka vroče vode v nekem razmerju do spremembe pogreška e. Spreminjanje zvezne odprtosti npr. ventila omogoča ustrezen aktuator, običajno električni ali pnevmatski. (slika)

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja Ročno vodenje Ročni vklop/izklop posameznih izvršnih členov 37

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja Dvopoložajno vodenje 38

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja Dvopoložajno vodenje 39

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja Proporcionalno – integralno (PI) vodenje (slika) Proporcionalno – diferencirno (PD) vodenje Proporcionalno – integrirno – diferencirno (PID) vodenje Krmiljenje z upoštevanjem motnje (feedforward control) Regulacija razmerja (ratio control) Kaskadna regulacija

1.8.1 Proporcionalno vodenje Proporcionalna regulacija: spreminjanje odprtosti npr. ventila v smislu popravljanja pretoka vroče vode v nekem razmerju do spremembe pogreška e. Spreminjanje zvezne odprtosti npr. ventila omogoča ustrezen aktuator, običajno električni ali pnevmatski.

1.8.1 Proporcionalno vodenje Odziv procesa pri proporcionalnem vodenju

1.8.1 Proporcionalno - integrirno vodenje Odziv procesa pri proporcionalno – integrirnem vodenju

1.8.1 Proporcionalno – integrirno vodenje Odziv procesa pri proporcionalno - integrirnem vodenju

2. Pnevmatski in hidravlični aktuatorji Specifika pnevmatike in hidravlike Pnevmatsko krmiljenje in aktuatorji (v dodatkih ) Hidravlično krmiljenje in aktuatorji (v dodatkih)

3. Izvršilni sistemi Izvršni členi Vplivajo na: Transport olja, plina, zračni tlak, električni tok itd. Krmili jih regulator z regulirnim signalom Predstavljajo zvezo med regulatorjem in procesom Prilagojeni morajo biti regulatorju in procesu Večina jih je konstruiranih tako, da jih je mogoče premikati ročno ali avtomatsko S svojimi pogoni – aktuatorji – so mnogokrat povezani v celoto Glede na izhodni signal ločimo: Hidravlične Pnevmatske Električne Njihovo delovanje je lahko zvezno ali nezvezno

3. Izvršni členi Izbira vrste izvršnega člena z ozirom na regulirano veličino: Pretok tekočine ventil Pretok plina loputa Električni tok tiristor Električna napetost nastavljivi transformator Signali na izhodih merilnikov ne zadoščajo za pogon izvršnih členov v regulacijski zanki. Zato je potrebno energijski nivo ustrezno povečati. Ojačevalnik moči; koeficient ojačenja moči Pri aktuatorskih ojačevalnikih se poleg ojačenja moči izvrši tudi pretvorba vhodnega signala (električni, pnevmatski) v kinematični izhod, ki ga potrebujemo za pogon končnega izvršnega člena. To so aktuatorji. Delovanje aktuatorjev je ravno nasprotno, kot delovanje merilnikov.

3. Izvršni členi Izhod aktuatorja je lahko translatorni ali rotacijski (preko zobatih prenosov, vijačni prenosi itd.) Aktuatorji v regulacijskih zankah morajo zadostiti naslednjim pogojem: Imeti morajo predpisani koeficient ojačenja moči, Karakteristika naj bo približno linearna, Področje neobčutljivosti ne sme biti večje od predpisanega praga, Časovna konstanta aktuatorja naj bo čim manjša, pri čemer ne presega vnaprej določene vrednosti.

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi Splošna struktura električnega izvršnega člena (slika)

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi Splošna struktura električnega izvršnega člena Predojačevalniki služijo: Kombinaciji signalov, Ojačevanje signalov, Preoblikovanje signalov, Pretvorbe signalov, Kompenzacija …

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi Splošna struktura električnega izvršnega člena Močnostni ojačevalniki: Tranzistorski (MOSFET), Tiristorski, Ojačevalniki s triaki, Mehanski ojačevalniki, Frekvenčni pretvorniki (pretvarjajo izmenično napetost ene v izmenično napetost druge frekvence)…

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi Splošna struktura električnega izvršnega člena Servomotor: Izmenični Običajno dvofazni indukcijski (sinhronski) motor s kletko Enosmerni Prednost: uporaba enosmernih regulacijskih signalov, slabosti izhajajo iz komutatorja Načini vzbujanja: serijsko, paralelno, kombinirano, zunanje Koračni motorji Iz računalniške periferije v industrijsko uporabo Hiter odziv, manjše moči Izmenični motor Eno ali večfazni indukcijski motor Frekvenčni pretvorniki pretvarjajo izmenično napetost ene v izmenično napetost druge frekvence …

3.1.2 Močnostni ojačevalniki Možne vezave z močnostnimi ojačevalniki

3.1.3 Električni motorji Elektromehanski pretvorniki: povezava med električnimi in mehanskimi sistemi Če mehanski sistem dovaja energijo električnemu, je to generator. Če električni sistem dovaja energijo mehanskemu, je to motor.

3.1.3 Električni motorji Sinhronski motor: Če armaturno navitje napajamo z izmeničnim, vzbujevalno pa z enosmernim tokom (običajno na rotorju), dobimo sinhronski motor. Enosmerni motor: Če obe navitji napajamo z enosmernim tokom, dobimo enosmerni motor. Asinhronski ali indukcijski motor: Če obe navitji napajamo z izmeničnim tokom, dobimo asinhronski oz. indukcijski motor. Koračni motor: Elektromagnetni inkrementalni aktuator

3.1.3 Električni motorji Enosmerni motorji Serijski enosmerni motor

3.1.3 Električni motorji Enosmerni motorji Regulacija hitrosti serijskega enosmernega motorja

3.1.3 Električni motorji Enosmerni motorji Paralelni enosmerni motor

3.1.3 Električni motorji Enosmerni motorji Enosmerni motor z zunanjim (neodvisnim) vzbujanjem

3.1.3 Električni motorji Izmenični motorji “Dvofazni” indukcijski motor

3.1.3 Električni motorji Koračni motorji S permanentnim magnetom S spremenljivo magnetno upornostjo (reluktanco) Hibridni tip koračnega motorja

3.1.4 Elektromagneti (Solenoidi) Nezvezno delujoči električni aktuatorji, solenoidi, se uporabljajo za tvorbo translatornega premika, ki ga povzroči nek regulirni signal iz iz ojačevalnika za aktuator. Solenoid z vlečenjem: Solenoid s potiskanjem

3.2 Pnevmatski ojačevalniki Ojačevalniki s tekočinami Curkovna cev, Sklop šoba – zaslon, Batni ojačevalnik Ojačevalnik s plini (pnevmatski) Coanda ojačevalnik

3.2 Pnevmatski ojačevalniki Večstopenjski ojačevalniki – z njimi lahko izboljšamo naslednje lastnosti enostopenjskih ojačevalnikov: Nelinearna karakteristika, Prepočasen dinamični odziv, Premajhna točnost.

3.2.1 Primerjava hidravličnih in pnevmatskih ojačevalnikov Visoko razmerje moč – teža, Visoki momenti, Hiter odziv, Visoka močnostna učinkovitost, Samomazanje in samohlajenje, Robustnost, translatorne in rotacijske izvedbe, Problematičnost spojev zaradi potrebe po idelani tesnitvi, Nevarnost večjih iztekanj olja, Nevarnost spremembe lastnosti olja pri višjih temperaturah, Visoka cena, Nelinearnost.

3.2.1 Primerjava hidravličnih in pnevmatskih ojačevalnikov Relativno ceneni, Napajanje je pogosto enostavno dosegljivo, Varnost pri eksplozivnih okoljih, Higieničnost, Možnost spuščanja zraka v atmosfero, Nizka močnostna učinkovitost, Nezaželeno obnašanje zaradi velike stisljivosti zraka