Automatizační systémy I 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

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

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

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

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

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

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. 1800 s programovacím děrovaným pásem 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby (Henry Ford) – automaty ve výrobě

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.

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

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

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

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

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

Snímače Základní blokové schéma snímače čidlo, měřící obvod, zesilovač, zpracování signálu (linearizace, rozsah), A/D, μP, R využití základních el. veličin pro snímače R = 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

Snímače teploty elektrické dilatační speciální 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

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

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

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

Přenos signálu mechanický pneumatický hydraulický 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)

Převodníky signálové mezisystémové A/D přímé A/D s mezipřevodem D/A 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

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→∞

Logické prvky elektrotechnické – relé (stykač) elektronické 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.

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 ...

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.

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

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

Děkuji za pozornost