Amir HALEP
SADRŽAJ 1. SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA .............................................................. 3 2. STRUKTURA I REALIZACIJA SISTEMA AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA .................. 7 3. OBJEKTI AUTOMATSKE REGULACIJE ................................................................... 11 4. SLIJEDNA REGULACIJA ....................................................................................... 18 5. UPRAVLJANJE U OTVORENOJ SPREZI ............................................................... 21 6. KASKADNO UPRAVLJANJE I REGULACIJA ODNOSA ........................................... 23 7. FUZZY CONTROL ................................................................................................. 27 8. PID REGULATOR ................................................................................................. 31 9. IZVEDBA SISTEMA AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA ............................................. 38 10. INFORMACIONI I IZVRŠNI ORGANI .................................................................... 47 11. PROGRAMABILNI LOGIČKI KONTROLERI .......................................................... 49 12. NUMERIČKI UPRAVLJANE ALATNE MAŠINE I INDUSTRIJSKI ROBOTI ............... 65
Nijedan dio ovog dokumenta ne smije se umnožavati bez prethodne saglasnosti autora. Sva prava pridržana. © 2012 Amir Halep
2
1. SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA Sistemi automatskog upravljanja (regulacije) su uređaji koji upravljaju ili regulišu rad drugih uređaja ili sistema. Na engleskom jeziku se za ove uređaje koristi naziv Control Systems. Na našem jeziku se pored izvornog termina vrlo često koriste skraćeni nazivi SAU (Sistem Automtaskog Upravljanja) i SAR (Sistem Automatske Regulacije). Osnovna namjena SAU je da zamijene ili olakšaju rad čovjeka, a također bez primjene SAU pojedini sistemi se ne mogu konstruisati, odnosno SAU je ključan za njihov rad. Prvi SAU su bili konstruisani na mehaničkom principu, a kasnije su se pojavili pneumatski, hidraulični, električni te analogni elektronski i najnoviji digitalni elektronski SAU. Primjer mehaničkog automata je vergl sa oprugom. Da podsjetimo vergl je uređaj koji svira, ako mu se rukom okreće ručica. U produžetku ručice je bubanj na kome su mali brijegovi koji udaraju u limove koji usljed udara vibriraju. Ako se umjesto ručice postavi spiralna opruga koja se može „naviti“ tada se dobije „automatski vregl“. I danas, pored sve savremene tehnike, takvi vergl uređaji se proizvode kao igračke za djecu. U biti postoje dvije glavne vrste SAU: -sistemi programskog upravljanja i -sistemi automatske regulacije procesnih vrijednosti. Sistemi programskog upravljanja mogu biti sa i bez interakcije sa vanjskim svijetom. Primjer sistema programskog upravljanja bez interakcije sa vanjskim svijetom je automat semafora. Naime taj sistem uključuje svjetla semafora neovisno o tome šta se dešava – može se desiti da je samo jedan čovjek na raskrsnici pa da opet mora čekati da se upali zeleno svjetlo. Primjer programskog upravljanja koji je u interakciji sa vanjskim svijetom je automat za kafu. Taj automat putem tastera dobiva informacije o vrsti napitka, količini šećera itd. Sistemi programskog upravljanja se danas konstruišu kao mikroprocesorski uređaji, ali u ne tako dalekoj prošlosti su konstruisani kao elektromehanički uređaji koji su se sastojali od bregaste osovine koju je pokretao mali elektromotor, a čiji bregovi su uključivali i isključivali prekidače. Većina mašina za pranje veša i danas koristi upravo takav programator. Također dugo su korišteni elektrooptički uređaji sa bušenom papirnom trakom koju je pomjerao elektromotor, a kroz rupe na traki je prolazila svjetlost koja je djelovala na fotoćelije čiji napon je uključivao releje. Sistemi automatske regulacije procesnih veličina mogu biti: -sistemi sa nekontinualnom (pozicionom) regulacijom i -sistemi sa kontinualnom regulacijom. Obje vrste ćemo objasniti na primjeru regulacije temperatrure. U električnim bojlerima kakve imamo u našim kupatilima se koristi poziciona regulacija temperature pomoću termostata.
Sl. 1.1. Blok shema SAU Engleski nazivi za pozicionu regulaciju su on-off control i bang-bang control. Termostat je uređaj koji radi na principu bimetalne trake. Kada se bimetalna traka zagrije ista se savije i na taj način prekida tok struje prema grijaču i obrnuto. Na kućištu bojlera je instalirana crvena lampica koja se pali svaki puta kada je uključen grijač. Možemo primjetiti da, ako ne „puštamo“ vodu na česmi da se lampica povremeno pali što znači da grijač
3
održava temperaturu vode tako što nadoknađuje toplotu vode koja je preko kućišta bojlera prešla na vazduh kupatila. Ako odvrnemo česmu sa toplom vodom lampica se smjesta pali, jer je u bojler dotekla hladna voda iz vodovoda te je temperatura vode u bojleru pala. Kontinualna regulacija je znatno skuplja i tačnija od pozicione regulacije te se primjenjuje tamo gdje je potrebna visoka tačnost regulacije. Npr. u pećima za difuziju koje se koriste za proizvodnju mikroprocesora je potrebna izuzetno visoka tačnost regulacije temperature te se tu obavezno koristi kontinualna regulacija. Blok shema sistema automatske regulacije je data na slici 1.1. Kao što vidimo sistem se sastoji od: regulatora, izvršnog organa i mjernog pretvarača. U našem primjeru izvršni organ je električni grijač koji zagrijava peć ili bojler koji su tu objekti regulacije. Mjerni pretvarač je uređaj koji mjeri stvarnu vrijednost regulisane velične, a to je u našem primjeru temperatura. Stvarna vrijednost se na engleskom jeziku zove Process Variable – skraćeno PV te se skraćenica PV internacionalno koristi. Zadana vrijednost (engleski: Set Point – SP) se može zadavati na samom regulatoru ili eksterno dovoditi u vidu standardnog električnog signala. Objekat regulacije u našem primjeru je bojler odnosno peć. Na objekte regulacije djeluje niz smetnji koje otežavaju regulaciju. Npr. najizraženija smetnja pri regulaciji temperature u električnom bojleru je spomenuto ispuštanje tople vode iz bojlera preko česme. U električnim bojlerima termostat obavlja funkciju i regulatora i mjernog pretvarača. Vremenski dijagram temperature u bojleru je dat na slici 1.2.
Sl. 1.2. Vremenski dijagram pozicione regulacije Kao što vidimo, u stacionarnom stanju, temperatura varira između Tmax i Tmin, a grijač se uključuje kada temperatura padne na Tmin da bi se isključio kada ista dostigne Tmax. U momentu otvaranja česme temperatura pada ispod Tmin bez obzira što je grijač uključen, jer isti ne može nadoknaditi gubitak energije. Nakon što se česma zatvori temperatura u bojleru opet raste. Dakle temperatura varira između Tmin i Tmax tako da poziciona regulacija nema visoku tačnost, ali ni cijena realizacije nije visoka, jer je cijena bojlerskog termostata pribiližno 10EUR dok je istovremno cijena kvalitetnog elektronskog regulatora i mjernog pretvarača temperature sveukupno oko 1000EUR. Za realizaciju kontinualne regulacije nam je upravo potrebna jedna takva konfiguracija. Bitno je napomenuti da se u pojedinim primjenama i za realizaciju pozicione regulacije koriste elektronski regulatori. Primjetimo na dijagramu sa slike 2. da se grijač bojlera uključuje u momentu kada temperatura padne na Tmin, a isključuje kada dostigne Tmax. Na slici 1.3. je prikazana prednja ploča savremenog digitalnog regulatora. Crvenim ciframa je indicirana stvarne vrijednost (PV) procesne veličine, a zelenom bojom zadana vrijednost (SP).
4
Sl. 1.3. Prednja ploča digitalnog regulatora Regulator sa mjernog pretvarača dobiva signal o stvarnoj vrijednosti procesne veličine. Postoji više standardnih signala, ali najčešće se koriste strujni signal 4-20mA i naponski signal 0-10V. Naponski signal se koristi na manjim udaljenostima kada pad napona na samim kablovima ne dolazi do izražaja. Istovremeno strujni signal 420mA se koristi pri većim udaljenostima između regulatora i mjernog pretvarača počev od nekoliko metara pa do nekoliko kilometara. Regulator sračunava razliku između zadane vrijednosti i stvarne vrijednosti: E=SP-PV. Recimo da je zadana vrijednost temperature u peći 900°C, a stvarna vrijednost 895°C, tada je E=900-895=5°C. Ovu razliku regulator množi sa podešenim koeficijentom proporcionalnosti Kp te će na izlazu regulatora biti naponski signal od npr. 2V što će opet biti signal grijaču da grije sa 20% snage, jer je standardni naponski signal u rasponu 0-10V. Ako bi na izlazu regulatora bio strujni signal u rasponu 4-20mA tada bi izlaz regulatora bio 7,2mA. Postavlja se pitanje kakav će izlaz regulatora biti, ako je zadana vrijednost niža od stvarne tj. ako je npr. stvarna vrijednost npr. 920°C. Tada je E=900-920=-20°C. U ovom slučaju je izlaz regulatora 0V ili 4mA tj. grijač se isključuje, a peć se prirodnim putem hladi. Najširu primjenu imaju tzv. PID regulatori. PID je skraćenica od Proporcionalno Integralno Diferencijalni regulator. Naime osim opisanog proporcionalnog člana se ugrađuju još integralni i diferencijalni član kao što je prikazano na blok shemi PID regulatora datoj na slici 1.4.
Sl. 1.4. Blok shema PID regulatora Vidimo da se razlika e(t) između zadane vrijednosti SP i izmjerene procesne vrijednosti PV pojačava u pojačalu sa koeficijentom pojačanja Kp, a zatim vodi na obradu u proporcionalni P, integralni I i diferencijalni (derivativni) D član te da se na kraju sva tri signala sumiraju u sumatoru. Na blok dijagramu nisu ucrtani
5
blokovi za konverziju signala. Naime, ako je npr. izlazni signal u opsegu 4-20mA tada signal sa sumatora treba konvertovati u taj oblik. Proporcionalni član je najvažniji. Ako se podesi da je koeficijent pojačanja Kp visok tada će regulator imati „jaku“ reakciju na promjene odnosno već pri malim promjenama procesne veličine dolazit će do velikih promjena na izlazu regulatora. Uloga integralnog I člana je da integriše (sakuplja) mala odstupanja procesne veličine od zadane vrijednosti. Npr. ako temperatura odstupa samo za 0,1°C to neće izazvati značajnu reakciju integralnog člana, ali ako je to odstupanje prisutno duže vrijeme tada će integralni član poput nekog rezervoara akumulisati i dovesti reakcije regulatora. Diferencijalni član D ima zadatak da ubrzava reakciju regulatora, ako dođe do nagle promjene. Prvi PID regulator izveden kao mehanički sistem je konstruisao škotski naučnik James Watt 1788. godine (James Watt's centrifugal governor). Mnogi Watta smatraju za prvog inženjera automatike. Osim Watta potrebno je spomenuti i američke inženjere Johna Zieglera i Nathaniela Nicholsa koji su 1940.-tih godina razvili metodu podešenja PID regulatora. U navedenim primjerima (bojler, peć) zadana vrijednost regulisane procesne veličine se sporo ili nikako mijenja. Međutim postoje slučajevi u praksi kada se zadana vrijednost stalno mijenja. Takav slučaj je u servouređajima u kojima se primjenjuje tzv. slijedna regulacija (engleski: motion control). Dalje treba spomenuti posebne vrste regulacije kao što su fuzzy control, adaptivna regulacija, kaskadna regulacija, upravljanje u otvorenoj sprezi, multivarijabilni sistemi automatskog upravljanja te regulacija prema smetnji. Engleska riječ fuzzy znači da je nešto nejasno i zamućeno međutim fuzzy regulacija danas nalazi sve veću primjenu počev od kućanskih aparata pa do sofisticiranih aplikacija. Temelj ove metode leži u činjenici da u realnom svijetu stvari su rijetko crne ili bijele već su sive. Npr. kada trebamo za nekog čovjeka reći da li je ćelav ili nije tu rijetko možemo biti potpuno sigurni. Naime može se postaviti pitanje da li čovjek postaje ćelav onda kada mu otpadne prva ili onda kada mu otpadne posljednja dlaka sa glave. U tom smislu fuzzy logika za razliku od Boolove logike ne prihvata isključiva stanja 0 i 1. Dalje fuzzy control djeluje multrikriterijalno što znači da bi u našem primjeru regulacije temperature peći pored temperature bila mjerena i brzina njezine promjene čime bi se po fuzzy algoritmu snaga grijanja regulisala ne samo na temelju razlike između zadane i stvarne temperature već i na osnovu brzine promjene temperature. Ovo praktično znači da bi i pri malim odstupanjima temperature, ako je brzina promjene velika reakcija regulatora bila „jaka“. Adaptivni ragulator je regulator koji ima mogućnost prilagođavanja svojih parametara po datom algoritmu adaptacije u odnosu na promjenu dinamike sistema, a u cilju postizanja zadovoljavajućeg odziva. Jedna od prvih primjena adaptivnih regulatora je bilo u autopilot uređajima aviona, jer se klasični PID regulatori nisu pokazali kao upotrebljivo rješenje. Naime karakteristike aviona kao dinamičkog sistema se značajno mijenjaju sa promjenom visine leta usljed promjene gustine vazduha. Tako se došlo do regulatora koji su se prilagođavali promjeni parametara sistema. Zbog karaktera njihovog adaptivnog ponašanja prozvani su adaptivni regulatori. Kaskadna regulacija se realizuje tako što se dva ili više PID regulatora spoje u kaskadu. Ovakvo rješenje se koristi npr. pri regulaciji broja obrtaja elektromotora promjenom struje elektromotora. Jedan PID regulator (vodeći) reguliše broj obrtaja tako što zadaje vrijednost struje elektromotora pretećem PID regulatoru. Prateći PID regulator reguliše struju elektromotora. Upravljanje u otvorenoj sprezi je upravljanje bez interakcije sa vanjskim svijetom. Već je naveden primjer automata semafora. Multivarijabilni sistemi automatskog upravljanja su sistemi koji imaju više od jednog ulaznog i izlaznog signala na svome regulatoru. Regulacija po smetnji se primjenjuje kada je odziv sistema spor te je potrebno reagovati na pojavu smetnje. Npr. ako je potrebno regulisati temperaturu unutar velikog rezervoara tečnosti tada promjena brzine vjetra djeluje u vidu smetnje. U tom cilju se intališe mjerni pretvarač brzine vjetra kako bi se grijanje rezervoara pojačalo kada se brzina vjetra poveća. Naime vjetar, pogotovo u zimskom periodu, može značajno ohladiti rezervoar. Dakako, da je potrebno poznavati karakteristike rezervoara kako bi se podesili parametri regulacije.
6
2. STRUKTURA I REALIZACIJA SISTEMA AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA Sistemi automatskog upravljanja (regulacije) su uređaji koji upravljaju ili regulišu rad drugih uređaja ili sistema. Danas se realizacija sistema automatskog upravljanja najčešće vrši pomoću programabilnih logičkih kontrolera, skraćeno PLC (Prgrammable Logic Controllers). PLC su industrijski računari. Struktura savremenog sistema automatskog upravljanja (SAU) velikog procesa je prikazana na slici 2.1.
Sl. 2.1. Struktura savremenog SCADA sistema automatskog upravljanja Inženjerska stanica i operatorske stanice su PC računari. Operatorske stanice se koriste za vođenje procesa proizvodnje, a inženjerska stanica za potrebe održavanja i dorade sistema upravljanja. Dvije operatorske stanice su identične i u slučaju kvara na jednoj od njih druga može samostalno da vodi proces. Inženjerska stanica je preko modema spojena na telefonsku mrežu kako bi se po potrebi sve intervencije na inženjerskoj stanici mogle vršiti sa udaljenog računara. Inženjerska stanica, operatorske stanice i PLC su uvezane pomoću HUB-a u industrijsku Ethernet mrežu i oni se smještaju u komandnu (kontrolnu) sobu iz koje se upravlja procesom proizvodnje. Na postrojenju u posebnoj prostoriji (podstanici) se instaliraju interfejs moduli, frekventni pretvarači, transmiteri i ostala oprema. S obzirom da su podstanica i komandna soba često udaljene i po nekoliko stotina metara komunikacija se realizuje dvožilnim optičkim kablom. U podstanici se na link modul spajaju navedeni optički kabl i dvožilni oklopljeni bakarni kabl (BUS). Preko BUS-a interfejs moduli, frekventni pretvarači i drugi uređaji koji imaju opciju spajanja na BUS ostvaruju komunikaciju sa PLC-om. Interfejs moduli imaju digitalne i
7
analogne ulaze i izlaze na koje se spajaju kontaktori, termostati, presostati, transmiteri itd. Na slici 2.2. je dat primjer vizualizacije procesa na ekrenu PC računara (operatorske stanice).
Sl. 2.2. Primjer vizualizacije procesa Operator koji vodi proces proizvodnje može dobiti podatke o procesu ili promijeniti parametre procesa jednostavnim klikom miša, a danas se sve više koriste i Touch Screen rješenja. Na slici 2.3. su date fotografije komandne sobe iz 1950.-tih godina i savremene komandne sobe sa SCADA tehnologijom. SCADA je skraćenica od Supervisory Control and Data Acquisition što u prijevodu znači sistem za nadzor i prikupljanje podataka. Prvi SCADA sistemi su razvijeni 1960.-tih godina kada su računari postigli dovoljnu brzinu da mogu izvršavati realtime funkcije.
Sl. 2.3. Komandna soba iz 1950.-tih (lijevo) i savremena komandna soba (desno) Metode interakcije čovjeka i postrojenja se stalno usavršavaju odnosno radi se na unapređenju HMI – Human Machine Interface-a. Osim pojma HMI u upotrebi je i pojam MMI – Man Machine Interaction. Postoje dva koncepta automatizacije: centralizirirano upravljanje i decentralizirano upravljanje. Npr. ako je u pitanju automatsko upravljanje u jednoj termoelektrani, tada se prema konceptu centraliziranog upravljanja instalira jedan SCADA sistem za cijelu termoelektranu sa jednom (centralnom) komandom sobom. Naprotiv, ako se primjenjuje decentralizovani koncept automatizacije tada svaki dio postrojenja (priprema goriva, kotao, turbina, generator id.) ima svoj SCADA sistem i svoju komandnu sobu. Decentralizovani koncept automatizacije je nešto skuplji za realizaciju i primjenu, ali daje bolje rezultate. Uzrok ovoga je u činjenici da se pri ovom konceptu operatori fokusiraju na dio postrojenja za koga su odgovorni, a i fizički su bliže samom procesu što je
8
jako bitno. Dakako i pri primjeni decentraliziranog koncepta automatizacije se instalira centralna komanda soba, ali njena zadaća je tek da vrši koordinaciju rada lokalnih komandih soba. Ako su u pitanju manja postrojenja kao što je npr. postrojenje za grijanje, ventilaciju i hlađenje (HVAC – Heating Ventilation and Air Conditioning) neke zgrade tada nema smisla vršiti decentralizaciju sistema automatskog upravljanja. Realizacija sistema automatskog upravljanja je složen proces koji podrazumijeva širok spektar aktivnosti koje se većim dijelom izvode paralelno. To su: -projektovanje, -izrada elektroormara, -obuka osoblja za posluživanje i održavanje, -nabavka i isporuka opreme, -montaža i ožičenje opreme, -testiranje signala i podešavanje opreme, -hladna proba, -topla proba, -optimizacija, -završni test i predaja postrojenja. Projektovanje sistema automatskog upravljanja se izvodi kroz tri faze: -bazni inženjerig, -hardverski inženjering i -softverski inženjering. Dokumentacija baznog inženjeringa sadrži: tehnološku shemu procesa proizvodnje, tehničku dokumentaciju procesne i regulacione opreme, tehnički opis procesa proizvodnje, spiskove (izvršnih organa, analognih i digitalnih signala), shemu napajanja električnom energijom, tehnološku shemu sistema automatskog upravljanja, dinamički plan realizacije postrojenja, crteže vizualizacije procesa i logički dijagram softvera. Ulazni podaci za izradu baznog inženjeringa su: domaći i međunarodni standardi i propisi i tehnička dokumentacija proizvođača procesne i regulacione opreme. Hardverski inženjering se radi na osnovu baznog inženjeringa, a sadrži: nacrte elektroormara, električne sheme, PLC konfiguraciju, listu kablova i specifikaciju potrebnog materijala te predračuni radova. Pri projektovanju hardvera danas se u velikoj mjeri koriste standardna rješenja. Projektant ima na raspolaganju bazu podataka sa albumom standardnih rješenja mjerenja i regulacije tehnoloških parametara tako da se najveći dio posla pri kreiranju hardverskog inženjeringa svodi na COPYPASTE uz unošenje odgovarajućih parametara. Softverski inženjering se radi na osnovu baznog i hardverskog inženjeringa. U baznom inženjeringu je definisan način vizualizacije procesa proizvodnje i logika po kojoj se vrši izrada softvera, a u hardverskom inženjeringu je određena PLC konfiguracija u kojoj se definišu funkcije pojedinih ulaza i izlaza PLC. Izrada elektroormara se vrši po izradi hardverskog inženjeringa. Veoma veliki značaj ima kvalitetna obuka osoblja. Potrebno je organizovati i izvesti obuku osoblja koje poslužuje sistem (operatori) i osoblja koje održava sistem (električari, tehničari i inženjeri). Nakon što se izvrši montaža i ožičenje opreme vrši se instaliranje softvera, a zatim se pristupa testiranju signala i podešavanju opreme. Potrebno je detaljno testirati sve analogne i digitalne signale. Analogni signali se testiraju pomoću signal generatora. Paralelno sa testiranjem signala vrši se podešavanje (parametriziranje) opreme koja to zahtijeva. Svi frekventni pretvarači se moraju podesiti, a osim njih veliki broj transmitera, zaštitni uređaji itd. U toku signal testa svi pojedini uređaji se moraju pokrenuti i ispitati u lokalnom pogonu. Nakon uspješno urađenog signal testa pristupa se hladnoj probi sistema. Hladna proba je rad sistema bez sirovine – na prazno u kojoj se ispituje funkcija sistema. U toku tople probe koja se izvodi u normalnom pogonu vrši se optimizacija svih parametara sistema. Na kraju se izvodi završni test i predaja postrojenja kupcu tj. krajnjem korisniku. Na slici 2.4. je dat primjer tehnološke sheme jednostavnog sistema automatskog upravljanja. Uzet je primjer kontinualne regulacije temperature električne peći.
9
Sl. 2.4. Primjer tehnološke sheme SAU Regulacija grijanja se vrši promjenom struje grijača. Transmiter temperature pomoću koga se dobiva podatak o temperaturi u peći je montiran na peći. Signal 4-20mA sa podatkom o temperaturi se vodi na PID regulator koji je montiran na komandom pultu, ako se primjenjuje klasično rješenje. Ako se primjenjuje savremeno SCADA rješenje tada je PID regulator jedan blok u SCADA softveru, a njagova manipulacija se vrši preko operatorske stanice. „Prednja ploča“ PID regulatora izvedenog preko SCADA sistema se nalazi na ekranu operatorske stanice kao tzv. faceplate. Na izalzu iz PID regulatora imamo signal 4-20mA koji se vodi na regulaciono pojačalo snage sa koga se napaja grijač. Ako je signal na izlazu PID regulatora 4mA tada je struja grijača 0A, a ako je izlaz PID regulatora 20mA tada se pušta maksimalna struja na grijač. Sa sheme na slici 2.4. možemo uočiti još par detalja, a to je da se signalni vodovi crtaju isprekidanom linijom, a strujni vodovi i fizičke (mehaničke) veze punom linijom. Regulacioni uređaji (transmiteri, regulatori itd.) se crtaju u vidu kružnice, a izvršni organi u vidu pravougaonika ili kvadrata. Unutar kružnice se povlači horizontalna crta ukoliko se uređaj nalazi na pultu tako da se sa njim može manipulisati. Tabela 2.1. Simboli elemenata SAU
Unutar simbola se unosi oznaka slovima gdje prvo slovo označava mjerenu ili regulisanu veličinu (T – temperatura, P – pritisak, F – protok, L - nivo itd.), drugo slovo označava indikaciju, treće slovo funkciju i četvrto slovo alarmiranje. Npr. ako je oznaka TT tada znamo da je u pitanju temperatura i funkcija transmiter, a da nemamo indikacije. Ako na samom transmiteru imamo indikaciju tada je oznaka TIT (Temperarure Indication Transmitter). Na shemi sa slike 4. imamo i oznaku TIC što znači da je u pitanju temperatura (T), a imamo indikaciju (I) i regulaciju (C). C je skarćenica od control. Još jedan primjer oznake je PIRCA što znači da imamo regulaciju pritiska sa indikacijom, registracijom i alarmom (PIRCA – Pressure Indication Registration Control Alarm).
10
3. OBJEKTI AUTOMATSKE REGULACIJE Na slici 3.1. je data blok shema tipičnog sistema automatskog upravljanja (SAU). Sistem kao i princip rada sistema djeluju prilično jednostavno, ali ako se priđe realizaciji jednog sistema obično se ustanovi da stvari nisu tako jednostavne. Naime, obično se ispostavi da je priroda samog objekta regulacije takva da otežava realizaciju sistema automatskog upravljanja. Osim samog objekta regulacije problemi često potiču od mjernog pretvarača. I pored ogromnog napretka u nauci i tehnici praktično mjerenje pojedinih fizikalnih veličina je i dalje težak problem. Npr. mjerenje nivoa i protoka sipkastih materija kao što su npr. brašno, sitni pijesak i slično je jako problematično. Naizgled sve djeluje jednostavno, ali kada se u praksi isproba nastaju problemi kao što je npr. lijepljenje spomenutog brašna na senzor mjernog pretvarača što izaziva probleme u radu.
Sl. 3.1. Blok shema SAU Kako bi se realizovao sistem automatskog upravljanja potrebno je dobro poznavati prirodu samog objekta regulacije odnosno potrebno je odrediti njegove statičke i dinamičke karekteristike. Određivanje ovih karakteristika se može vršiti analitički i eksperimentalno. Analitičko određivanje karakteristika se vrši primjenom fizikalnih i drugih principa uz poznavanje parametara objekta. Obično se karakteristike objekta odrede analitički putem matematičkog modela, a zatim se vrši eksperimentalna provjera. Eksperimentalno određivanje karakteristika objekta se vrši i kada iz bilo kojih razloga analitičko određivanje nije izvedivo. Na slici 3.2. je grafički prikazana podjela objekata regulacije prema njihovim karakteristikama.
Sl. 3.2. Podjela objekata regulacije Kao što vidimo glavna podjela je na linearne i nelinearne objekte. Ponašanje linearnih objekata se definiše linearnim jednačinama, a ponašanje nelineranih objekata nelinearnim jednačinama. U praksi se mnogi
11
nelinearni objekti tretiraju kao linearni, ako je stepen njihove nelinearnosti mali. Dalje, linearni objekti se dijele na objekte sa promjenjivim parametrima i objekte sa konstantnim parametrima. Tipičan primjer linearnog objekata sa promjenivim parametrima jeste avion, jer se njegove karaktersistike mijenjaju u ovisnosti o visini leta, brzini aviona itd. Za potrebe regulacije leta aviona i drugih objekata sa promjenivim parametrima se koristi tzv. adaptivna (prilagodljiva) regulacija. Na slici 3.3. je data blok shema SAU sa adaptivnim regulatorom.
Sl. 3.3. Blok shema SAU sa adaptivnim regulatorom Pomoću mjernih pretvarača se mjere veličine koje utiču na promjenu parametara objekta i podaci se vode na adaptivni regulator. Adaptivni regulator ima mogućnost prilagođavanja svojih parametara po datom algoritmu adaptacije u odnosu na promjenu parametara objekta regulacije. Dinamika linearnih objekata sa konstantnim parametrima se definiše linearnim diferencijalnim jednačinama sa konstantnim koeficijentima. Ako je u pitanju linearna diferencijalna jednačina prvog reda tada je i objekat prvog reda, odnosno ako je dinamika objekta opisana diferencijalnom jednačinom višeg reda tada je i objekat višeg reda. Primjer objekta nultog reda je potenciometar gdje je ulazna veličina ugao zakretanja ručice, a izlazna veličina otpor. Poluga je također sistem nultog reda pod uvjetom da je potpuno kruta tj. da se ne savija. U praksi, dinamika najvećeg broja objekata je opisana diferencijalnom jednačinom prvog reda. To praktično znači da su većina objekata regulacije objekti prvog reda. Objasnimo analitičko određivanje statičkih i dinamičkih karakteristika objekta regulacije na primjeru električne peći. Odredimo prvo statičku karakteristiku peći uzimajući kao ulaznu veličinu struju I električnog grijača, a izlazna veličina je temperatura u peći θ. Statičke karakteristike definišu ponašanje objekta u stacionarnom stanju, a dinamičke karakteristike pokazuju vrijednosti i promjene oblika izlaznih veličina u ovisnosti o vrijednostima i brzini promjena ulaznih veličina. U cilju analitičkog određivanja statičke karakteristike peći postavljamo dvije jednačine:
P = U ⋅ I [W ] Φ = α ⋅ A ⋅ (Θ − Θ O )[W ] U prvoj jednačini je P - snaga grijanja, U - napon grijača, a u drugoj jednačini Φ je toplotni tok (fluks) kroz zidove peći, α je koeficijent prijelaza toplote i A površina peći. θo je temperatura izvan peći. Količina toplote koja ulazi u peć sa grijača je određena prvom jednačinom, a količina toplote koja iz peći odlazi u vanjski prostor je određena drugom jednačinom. Kada izjednačimo ulaz i izla toplote dobivamo:
U ⋅ I = α ⋅ A ⋅ (Θ − Θo ) Pretpostavimo li da je vanjska temperatura zanemariva u poređenju sa unutrašnjom temperaturom u peći dobivamo:
U ⋅ I = α ⋅ A⋅Θ
12
odnosno:
Θ=
U ⋅I = K ⋅I α⋅A
Dakle, vidimo da temperatura u peći θ ovisi po linearnom zakonu o struji grijača. Keoficijent K uključuje napon grijača U, koeficijent prijelaza toplote α i površinu peći A. Statička karakteristika peći je prikazana na slici 3.4.
Sl. 3.4. Statička karakteristika peći Da bismo odredili dinamičku karakteristiku peći osim fenomena prijelaza toplote iz unutrašnjosti peći u vanjski prostor moramo uzeti u obzir i inerciju peći. Naime pri porastu jačine struje peć se ne može trenutno zagrijati. Brzina grijanja ovisi o masi unutar peći m i specifičnoj toploti materijala c, a određena je zakonom:
∆Q = c ⋅ m ⋅ ∆Θ[J ] Diferenciranjem prethodne jednačine po vremenu i uvezivanjem sa statičkom karakteristikom peći dobivamo diferencijalnu jednačinu koja opisuje dinamičko ponašanje peći:
dΘ 1 + ⋅ Θ = K ⋅ i (t ) dt T U prethodnoj formuli T je vremenska konstanta peći, a i(t) je struja peći. Kao što vidimo radi se o diferencijalnoj jednačini prvog reda iz čega zaključujemo da je peć objekat prvog reda. Primjenimo li La Placeovu transformaciju na gornju jednačinu dobivamo prijenosnu funkciju peći H(s):
s ⋅ Θ(s ) +
1 ⋅ Θ(s ) = K ⋅ I (s ) T Θ(s ) K H ( s) = = 1 I (s ) s+ T
Primjenom prijenosne funkcije objekta možemo odrediti njegov odziv na zadani ulaz. Obično se određuje odziv sistema na tzv. Heaviside-ovoj step funkciji u(t) čiji vremenski dijagram je dat na slici 5. Step funkcija na ulazu električne peći se javlja pri uključenju peći tj. kada uključimo peć tada struja grijača raste približno prema vremenskom dijagramu datom na slici 3.5.
13
Sl. 3.5. Heaviside-ova step funkcija Dakle imamo:
Θ(s ) = H (s ) ⋅ I (s ) =
K
1 K ⋅ = 1 s 1 s+ s ⋅ s + T T
Kada se prethodni izraz prevede iz kompleksnog u vremenski domen dobivamo da je: t − T Θ(t ) = K ⋅ 1 − e
Odziv peći na step funkciju struje je ilustrovan na slici 3.6. Kao što vidimo temperatura peći postepeno raste do stacionarnog stanja po eksponencijalnom zakonu. Peć je tipičan primjer statičkog objekta prvog reda sa pozitivnim samoizravnanjem kakvi se najviše susreću u automatičarskoj praksi.
Sl. 3.6. Odziv statičkog objekta prvog reda sa pozitivnim samoizravnanjem na step funkciju Koeficijent samoizravnanja je inverzna vrijednost vremenske konstante tj. 1/T. Ako bi koeficijent samoizravnanja bio negativan broj tada bi imali statički objekat prvog reda sa negativnim samoizravnanjem čija je prijenosna funkcija data sa:
H ( s) =
a odziv na step funkciju je dat formulom:
14
K s−
1 T
t + y (t ) = K ⋅ 1 − e T
Na slici 3.7. je prikazan odziv statičkog objekta prvog reda sa negativnim samoizravnanjem na step funkciju.
Sl. 3.7. Odziv statičkog objekta prvog reda sa negativnim samoizravnanjem na step funkciju Tipičan primjer statičkog objekta prvog reda sa negativnim samoizravnanjem jeste rezervoar zraka (kaca). Ukoliko je koeficijent samoizravnanja jednak nuli tada je u pitanju astatički (astatski) objekat prvog reda. Njegova prijenosna funkcija je data izrazom:
H ( s) =
K s
a njegov odziv na step funkciju izrazom
y (t ) = K ⋅ t što je ilustrovano na slici 3.8.
Sl. 3.8. Odziv astatičkog (astatskog) objekta na step funkciju Tipičan primjer astatskog objekta je rezervoar vode. Kada se odvrne ventil na ulazu (čime se realizuje step ulaz) nivo vode u rezervoaru počne da raste po linearnom zakonu. U ovom primjeru protok vode je ulazna veličina objekta, a nivo vode izlazna. Kao što je već rečeno u automatičarskoj praksi se najčešće susreću objekti prvog reda te je u tabeli 3.1. dat njihov uporedni odziv na step funkciju i jednačine koje ih opisuju.
15
Tabela 3.1. Sistemi prvog reda
Čest slučaj u automatičarskoj praksi jeste objekat sa kašnjenjem. Primjer takvog objekta je rezervoar vode kod koga regulacioni ventil nije postavljen neposredno na rezervoaru već je između ventila i rezervoara instaliran cjevovod. U momentu kada se odvrne ventil nivo vode neće smjesta početi da raste, jer je potrebno određeno vrijeme τ da voda kroz cjevovod doteče. Na slici 3.9. je ilustrovan odziv takvog objekta na step funkciju.
Sl. 3.9. Odziv astatskog objekta sa kašnjenjem Primjer objekta sa kašnjenje jeste i kormilo aviona ili broda kod kojih nastaje kašnjenje usljed mrtvog hoda kormila. Objekti sa kašnjenjem unose probleme pri realizaciji SAU. Ovdje je bitno spomenuti jednu metodu eksperimentalnog određivanja karakteristika objekta, a to je metod fizičkog modeliranja. Npr. ako se konstruiše novi tip aviona izrađuje se njegov model koji se zatim ispituje u aerodinamičkom tunelu i na taj način određuju karakteristike aviona koji još nije ni napravljen. Slična metoda se primjenjuje također pri projektovanju građevina u cilju ispitivanja njihove otpornosti na strujanje vjetra, seizmičke udare i drugo. Linearna diferencijalna jednačina drugog reda sa konstantnim koeficijentima koja opisuje sistem drugog reda:
d 2Θ dΘ 2 + 2γωo + ω o Θ = K ⋅ i (t ) 2 dt dt Prijenosna funkcija objekta drugog reda je:
H (s ) =
K Θ (s ) = 2 I (s ) s + 2γω0 s + ω0 2
16
U prethodno datim relacijama je ω0 – rezonantna (vlastita) frekvencija objekta i γ - koeficijent prigušenja objekta. U ovisnosti od koeficijenta prigušenja odziv objekta na step funkciju je: γ > 1 -aperiodski odziv γ = 1 -granični aperiodski odziv 0 < γ < 1 -prigušeni oscilatorni odziv γ = 0 -neprigušen i oscilatorni odziv γ < 0 -raspirujući oscilatorni odziv. Kao što je već rečeno objekti drugog reda se relativno rijetko susreću u praksi te su ovdje tek ukratko opisani.
17
4. SLIJEDNA REGULACIJA U najvećem broju primjena automatske regulacije zadana vrijednost regulisane veličine se sporo ili nikako mijenja. U takvim slučajevima operator podesi zadanu vrijednost npr. temperature i ista satima pa i danima ostaje nepromijenjena. Međutim postoje slučajevi u praksi kada se zadana vrijednost stalno mijenja. Takav slučaj je u servouređajima u kojima se primjenjuje tzv. slijedna regulacija (engleski: motion control). Servouređaji su pojačivački uređaji koji se koriste u niz primjena kao što su roboti, autopilot uređaji, mašine alatke, vojni uređaji i slično. Jedna od prvih primjena servouređaja su bili veliki avioni. U malim avionima komandna palica aviona je pomoću metalnih užadi povezana sa krilcima pomoću kojih se usmjerava avion. Pilot snagom svojih mišića pomjera krilca. Međutim kada su u pitanju veliki avioni tada snaga mišića pilota nije dovoljna da se pomjeri krilce te se koriste servouređaji. Prvi veliki avioni su imali hidraulične servouređaje, a današnji avioni koriste tzv FBW uređaje. FBW je skraćenica od Fly By Wire što u doslovnom prijevodu sa engleskog znači letenje pomoću žice. FBW uređaj pomoću joysticka dobiva komande od pilota koje se obrađuju pomoću računara, a izvršni organ pomoću koga se pozicionira krilce je električni ili elektrohidraulički uređaj, ovisno o konkretnoj izvedbi. Slična stvar je i kod savremenih uređaja za upravljanje vatrom naoružanja (engleski: Fire Control System). Naime oružja opremljena ovim sistemima imaju također joystick pomoću koga nišandžija usmjerava cijev oružja prema meti i otvara vatru. Mnogo humaniju primjenu slijedne regulacije imamo u telehirurgiji (engleski: remote surgery). 2001. godine je obavljena prva telehirurška operacija pri kojoj se hirurg dr. Jacques Marescaux nalazio u Njujorku dok je operisao pacijenta koji se nalazio u Strasburu u Francuskoj. Hirurg je skalpelom i ostalim instrumentima upravljao daljinski upravo primjenom uređaja koji primjenjuju algoritam slijedne automatske regulacije. Blok shema sistema slijedne regulacije potpuno ista kao i konvencionalnog sistema automatske regulacije i data je na slici 4.1.
Sl. 4.1. Blok shema SAU Kao što vidimo sistem se sastoji od: regulatora, izvršnog organa i mjernog pretvarača. Jedan od prvih uređaja kojim je realizovana slijedna regulacija je bio amplidin. Na slici 4.2. je data principska shema amplidina.
Sl. 4.2. Principska shema amplidina Signal o zadanoj vrijednosti pozicije se dovodi na regulator koji isti poredi sa signalom o stvarnoj poziciji koji dolazi sa senzora. Na osnovu razlike spomenuta dva signala regulator proračunava signal koji se proslijeđuje Vard Leonardovoj grupi. Vrlo jaki signal sa Vard Leonardove grupe dolazi na motor za pozicioniranje koji
18
pomjera objekat u željenu poziciju. U ovom slučaju senzor pozicije je mjerni pretvarač, a Vard Leonardova grupa sa motorom je izvršni organ. Vard Leonardova grupa se sastoji od jednog generatora jednosmjerne struje i jednog elektromotora povezanih zajedničkim vratilom (osovinom). Drugim riječima rečeno elektromotor pogoni generator. Elektromotor može biti napojen jednosmjernom ili izmjeničnom strujom i treba imati snagu barem deset puta veću od snage generatora. Ulazni signal male snage se dovodi na statorske namotaje generatora, a izlazni signal se dobiva na izlazu generatora. Proizvode se Vard Leonardove grupe snage do nekoliko destaka kW. Vard Leonardovu grupu je Ernst Aleksanderson (Ernst Alexanderson) iskoristio za konstrukciju amplidina (engleski: amplidyne) koji dugo vremena korišten za pozicioniranje radarskih antena i u drugim uređajima gdje je bilo potrebno vršiti pozicioniranje električnim putem. Mnogi stručnjaci i danas miješaju pojmove Vard Leonardova grupa i amplidin misleći da je to dvoje isto premda amplidin sadrži Vard Leonardovu grupu kao svoj sastavni dio. Savremeni uređaji umjesto Vard Leonardove grupe koriste regulaciona pojačala snage i frekventne pretvarače. Razvijeno je više senzora (mjernih pretvarača) pozicije, a danas se najviše koriste: potenciometarski senzori i enkoderi. Obje vrste se koriste kako za mjerenje linearne tako i ugaone pozicije. Na slici 4.3. je ilustrovan princip mjerenja linearne pozicije pomoću potenciometra.
Sl. 4.3. Potenciometarski senzor pozicije Pomjeranjem klizača potenciometra se mijenja otpor. Kod mjerenja ugaone pozicije stvari stoje isto odnosno otpor se mijenja ovisno o ugaonom položaju. Potenciometarski senzori nemaju visoku tačnost, ali im je cijena relativno niska te se koriste u niskozahtjevnim aplikacijama. Tamo gdje je potrebna visoka tačnost mjerenja se koriste enkoderi. U posljednje vrijeme cijena enkodera usljed masovne proizvodnje pada te oni sve više istiskuju potenciometre. Npr. savremeni radio-aparati i drugi HiFi uređaji za regulaciju jačine reprodukcije (volume control) koriste enkodere. Postoje dvije vrste enkodera: apsolutni i inkrementalni. Enkoderi najčešće koriste optički princip tako što se npr. kod enkodera ugaone pozicije postavljaju LED diode kao izvor svjetlosti sa jedne strane i fotodiode kao prijemnici sa druge strane. Između se postavlja rotirajući disk. Na slici 4.2. je prikazan disk apsolutnog enkodera. Disk sa slike 4.4. ima tri prstena sa providnim (bijelim) poljima i neprovidnim (crnim) poljima. Zbog činjeice da ovaj disk ima ukupno tri kodna prstena ukupan broj pozicija koje 3 može da kodira je 2 =8. Kako krug ima 360° to znači da je tačnost ovakvog enkodera 360°/8=45°. Ako bi koristili 10 enkoder sa deset kodnih prstenova tada bi tačnost bila 360°/1024=0,35°, jer je 2 =1024. Kao što vidimo može se postići željena tačnost izborom broja kodnih prstenova. Spomenuti disk je postavljen na osovinu koja se rotira, a položaj osovine se očitava u digitalnom obliku pomoću fotodioda.
Sl. 4.4. Trobitni disk binarnog enkodera
19
Po potrebi se digitalni signal pozicije može prevesti u analogni oblik, ali se to najčešće ne čini. Disk sa slike 4.4. je kodiran binarnim kodom, ali danas se najčešće vrši kodiranje diskova u Gray-ovom kodu. Jedna od prednosti Gray-ovog koda je u tome što tokom rotacije diska ima manje prelazaka sa crnog na bijelo što znači da fotodiode rjeđe mijenjaju stanje čime im se produžava radni vijek. Za razliku od apsolutnih enkodera koji u svakom momentu daju apsolutnu poziciju inkrementalni enkoderi omogućavaju određivanje relativne pozicije. Naime inkrementalni enkoder tokom rotacije daje seriju impulsa na izlazu – obično 1024 impulsa po jednoj rotaciji osovine premda se proizvode inkrementalni enkoderi i sa 2500 te sa 5000 impulsa po rotaciji. Na ovaj način pozicija se pomoću inkrementalnih enkodera određuje relativno u odnosu na neku referentnu tačku od koje se počinju odborojavati impulsi. Obično je referentna tačka određena nekim krajnjim prekidačem. Kada prekidač pošalje signal, brojač impulsa počne brojati impulse sa inkrementalnog enkodera i na taj način određuje poziciju. Osim senzora pozicije, ključni dio mnogih sistema slijednog upravljanja je joystick pomoću koga operator vrši upravljanje. Većini ljudi je joystick poznat kao dodatak kompjuterima za potrebe video igara, ali joystick ima mnogo ozbiljnije primjene nego što su igre. Npr. danas piloti upravljaju avionima upravo pomoću joysticka. Koliko je poznato prvi joystick je konstruisan 1944. godine u Njemačkoj za potrebe daljinskog upravljanja navođenim projektilima. Ovaj prvi joystick je imao ukupno četiri prekidača za četiri smjera u dvije ose.
Sl. 4.5. Joystick u kabini savremenog aviona Savremeni joystick uređaji imaju ugrađene enkodere za očitavanje pozicije, a jeftinije varijante koriste potenciometre. Za potrebe pozicioniranja danas se najčešće koriste AC motori i step motori. Na slici 4.5. je prikazana pojednostavljena konstrukcija step motora.
Sl. 4.6. Konstrukcija step motora Rotor step motora je permanentni (stalni) magnet, a stator se sastoji od četiri zavojnice na koje se dovode digitalni impulsi te se rotor usljed nastalog magnetnog polja rotira sukladno dovedenim impulsima. Step motori imaju veliku primjenu npr. u printerima (štampačima), a također i u CNC (Computer Numerical Control) uređajima manje snage.
20
5. UPRAVLJANJE U OTVORENOJ SPREZI Osnovna karakteristika upravljanja u otvorenoj sprezi (engleski: open-loop control) jeste da se ne koristi povratna sprega odnosno ne mjeri se izlaz iz objekta regulacije. Konsekventno ovome upravljanje u otvorenom ne može korigovati eventualne greške stvarne vrijednosti regulisane veličine. Naime, algoritam upravljanja se formira na osnovu algoritma funkcionisanja objekta regulacije uz pretpostavku da smetnje ne utiču u značajnoj mjeri. Blok shema sistema automatskog upravljanja (SAU) sa upravljanjem u otvorenoj sprezi je data na slici 5.1.
Sl. 5.1. Blok shema SAU u otvorenoj sprezi Primjer ovakvog sistema jeste programsko upravljanje bez interakcije sa vanjskim svijetom kao što je npr. automat semafora. Primjer programskog upravljanja bez interakcije sa vanjskim svijetom jeste i automat za uključivanje prskalica za zalijevanje travnjaka. Ovaj sistem u zadanim momentima uključuje prskalice zadano vrijeme bez da provjerava vlažnost zemljišta. Može se desiti da pada kiša pa će sistem opet uključiti prskalice, a također se može desiti da je zemlja vrlo suha pa će prskalice opet biti uključene samo nekoliko minuta i neće dovoljno natopiti zemlju. Bez obzira na očigledne nedostake upravljanje u otvorenoj sprezi se jako mnogo koristi zbog niske cijene i jednostavnosti realizacije. Uvjeti da bi se ovo upravljanje moglo primjeniti jesu dobro poznavanje karakteristika objekta regulacije i nizak uticaj smetnji. Jedan od primjera koliko-toliko efikasne primjene ovog upravljanja jesu mašine za pranje veša kod kojih se pranje odvija po zadanom programu bez da se mjeri valjanost pranja veša. Naime, program pranja se završava nakon zadanog vremena bez obzira što nečistoće možda nisu dovoljno isprane. Navešćemo još jedan vrlo važan primjer primjene upravljanja u otvorenoj sprezi, a to je upravljanje brojem obrtaja trofaznih asinhronih elektromotora promjenom frekvencije struje kojom se elektromotor napaja. Naime kontinuirano se broj obrtaja (brzina vrtnje) ovih elektromotora može mijenjati promjenom napona napajanja (naponski) ili promjenom frekvencije napajanja (frekventno). Promjena napona napajanja se vrlo malo koristi kod niskozahtjevnih aplikacija, a najčešće se regulacija vrši promjenom frekvencije pomoću frekventnog pretvarača. Frekventni pretvarači su uređaji koji trofaznu struju mrežne frekvencije 50Hz konvertuju u trofaznu struju odabrane frekvencije. Napajanjem trofaznog elektromotora strujom odabrane frekvencije se postiže da isti ima broj obrtaja približno jednak željenom tj. zadanom. U kojoj mjeri će broj obrtaja odstupati od zadanog ovisi najviše o opterećenju motora. Što je opterećenje motora veće broj obrtaja će biti niži od zadanog. U literaturi na engleskom jeziku se koriste tri naziva za frekventne pretvarače: Frequency Converter – FC, Variable Frequency Drive – VFD i Adjustable Frequency Drive – AFD. Ovdje je bitno navesti da frekventni pretvarači osim što mijenjaju frekvenciju struje na svom izlazu vrše i regulaciju napona. Odnos napona i frekvencije U/f na izlazu pretvarača se drže konstanim kako bi se ostvario zadani obrtni moment elektromotora. Ovo je ilustrovano na slici 5.2.
Sl. 5.2. Ovisnost izlaznog napona FC o frekvenciji
21
Kao što se vidi sa slike napon raste po linearnom zakonu sve dok ne dostigne napon mreže. Naime statički frekventni pretvarač ne može dati napon viši od napona mreže. Pri sniženju frekvencije mora se snižavati i napon kako bi se održao moment elektromotora. Frekvencija raste do najveće dozvoljene odnosno do najvećeg dozvoljenog broja obrtaja za dati elektromotor. Frekvencija pri kojoj napon prestaje da raste fb se zove bazna frekvencija i u većini slučajeva je to frekvencija mreže 50Hz. Odnos U/f je najčešće 400/50=8, jer je trofazni napon mreže 400V, a frekvencija 50Hz. Na slici 5.3. je prikazana podjela regulatora broja obrtaja trofaznih asinhronih elektromotora. Kao što se vidi frekventni pretvarači se konstruišu u skalarnoj i u vektorskoj izvedbi. Prethodno opisani princip regulacije je skalarni princip. Kao što se vidi postoje dvije vrste vektorskog principa i to sa zatvorenom petljom (closed loop) i otvorenom petljom (open loop). Vektorsko upravljanje sa zatvorenom petljom je u biti „pravo“ vektorsko upravljanje i tu se koristi povratna sprega, odnosno na elektromotor se postavlja enkoder koji mjeri trenutnu poziciju rotora.
Sl. 5.3. Podjela regulatora broja obrtaja Vektorsko upravljanje u zatvorenoj petlji je skupo za izvedbu te se koristi samo tamo gdje je potreban izuzetno visok kvalitet regulacije. Kod vektorskog upravljanja u otvorenoj petlji se vrši mjerenje faznih struja te se položaj rotora određuje na osnovu matematičkog modela elektromotora. Dakle, vektorsko upravljanje u otvorenoj petlji je također primjer upravljanja u otvorenoj sprezi. Skalarno upravljanje se koristi, ako je dozvoljena veća greška broja obrtaja i ako nije potrebno da se značajno snižava broj obrtaja elektromotra tj. ako ne treba spuštati frekvenciju ispod 10Hz. Naprotiv, ako je potrebno imati visoko tačan broj obrtaja i raditi ispod 10Hz tada se koristi vektorsko upravljanje. Kao što je već rečeno naponski regulatori se koriste u niskozahtjevnim aplikacijama kao što su npr. ventilatori i pumpe malih snaga. Na kraju je svakako potrebno spomenuti i upravljanja step motora kao primjer upravljanja u otvorenoj sprezi. Prema svojoj konstrukciji frekventni pretvarači se dijele na: − statičke i − rotacijske. Statički frekventni pretvarači su konstruisani od elektronskih komponenti, a rotacijski frekventni pretvarači se sastoje od jednog motora jednosmjerne struje čiji broj obrtaja se reguliše strujom statora i jednog generatora izmjenične struje koga spomenuti generator pogoni. Usljed promjene broja obrtaja generatora dolazi do promjene frekvencije struje koju generator generiše. Danas se rotacijski frekventni pretvarači izuzetno rijetko koriste. Vezano za statičke frekventne pretvarače bitno je navesti još da se njihovom primjenom u pojedinim aplikacijama kao što su npr. kompresori zraka postižu značajne uštede električne energije.
22
6. KASKADNO UPRAVLJANJE I REGULACIJA ODNOSA Kaskadno upravljanje (regulacija) se primjenjuje tamo gdje je potrebna visoka tačnost i kvalitet regulacije. Osim toga, kaskadno upravljanje omogućava rješavanje problema nelinearnosti izvršnih organa i omogućava operatoru da direktno upravlja u sekundarnoj petlji. Blok shema kaskadnog upravljanja je data na slici 6.1.
Sl. 6.1. Blok shema kaskadnog upravljanja Primarni regulator upravlja zadanom vrijednosti sekundarnog regulatora. Objasnimo kaskadno upravljanje na jednostavnom primjeru regulacije temperature električne peći. Na slici 6.2. je data „klasična“ blok shema regulacije temperature električne peći bez primjene kaskadne regulacije.
Sl. 6.2. Blok shema „klasičnog“ upravljanja U „klasičnoj“ izvedbi sa slike 6.2. temperatura unutar peći se reguliše pomoću regulatora struje grijača, a izvršni organ je regulaciono pojačalo snage koje signal sa regulatora 4-20mA pojačava do snage potrebne za grijanje peći. Međutim, ako se koristi kaskadno upravljanje prikazano na slici 6.1. tada je primarni regulator regulator temperature, a sekundarni regulator je regulator struje grijača. Signal sa regulatora temperature se ne vodi na regulaciono pojačalo snage (izvršni organ) već na regulator struje (sekundarni regulator). Sekundarna procesna veličina je struja grijača, a primarna procesna veličina je temperatura unutar peći. Kao što je već rečeno primjenom kaskadne regulacije se postiže mnogo veća tačnost regulacije što u ovom primjeru znači tačnost regulacije temperature u peći. Na slici 6.3. je data tehnološka shema kaskadne regulacije peći.
Sl. 6.3. Primjer tehnološke sheme kaskadne regulacije
23
Transmiter temperature TT daje signal o temperaturi peći, a transmiter struje ET daje signal o jačini struje grijača. PID regulator temperature (primarni regulator) TIC daje signal zadane vrijednosti PID regulatoru struje EIC (sekundarnom regulatoru). Izlaz regulatora struje EIC je spojen na regulaciono pojačalo snage. Na slici 6.4. je dat još jedan primjer tehnološke sheme sa kaskadnom regulacijom. Opet se radi o regulaciji temperature i to temperature vode. U cjevovod dotiče voda čija temperatura je u rasponu 5-40°C, a iz cjevovoda treba da ističe voda konstantne temperature 40°C. U cilju regulacije u isti cjevovod se dozira vrela voda konstantne temperature 90°C. Regulacijom protoka vrele vode se vrši regulacija temperature.
Sl. 6.4. Kaskadna regulacija temperature Primarni regulator je regulator temperature TIC, a sekundarni regulator je regulator protoka FIC. Protok se reguliše otvaranjem i zatvaranjem ventila. Prema shemi sa slike 6.4. se može riješiti i regulacija odnosa tečnosti s tim da se umjesto transmitera temperature TT koristi transmiter odnosa (analizator) AT. Npr. ako je potrebno miješati vodu i kiselinu u odnosu 10% kiselina i 90% voda (odnos 1:9 tj. na 9 litara vode dolazi 1 litar kiseline) tada se u vodu dozira određena količina kiseline uz regulaciju pomoću ventila. Umjesto regulatora temperature TIC se ugrađuje regulator odnosa FFIC kao što je prikazano na slici 6.5. Regulacija odnosa tečnosti se može riješiti i prema shemi sa slike 6.6. gdje se PID regulator koristi na neuobičajen način. Naime u shemi sa slike 6.5. zadana vrijednost odnosa kiseline i vode se podešava na PID regulatoru FFIC. Međutim, u shemi sa slike 6.6. zadana vrijednost odnosa vode i kiseline se najčešće ne podešava na PID regulatoru već je isti definisan tehničkim karakteristikama sistema. Konkretno u ovom primjeru maksimalni protok kiseline treba biti 1/9 od maksimalnog protoka vode tako da će u slučaju da voda teče punim kapacitetom tj. sa punim protokom i kiselina teći punim protokom što će u konačnici dati da odnos kiseline i vode bude 1:9. U opštem slučaju zadana vrijednost se može podešavati na PID regulatoru ili se može dovoditi na PID regulator kao vanjski signal (engleski: remote set point).
Sl. 6.5. Kaskadna regulacija odnosa
24
U shemi sa slike 6.6. se signal o protoku vode dovodi na priključke PID regulatora na koje se u „normalnim“ izvedbama spaja signal zadane vrijednosti (engleski: set point). U ovom slučaju protok vode je tzv. vodeća veličina, protok kiseline je regulirajuća veličina, a odnos kiseline i vode je regulisana procesna veličina. U situacijama kada ipak treba ostaviti mogućnost da se na PID regulatoru može regulisati odnos tada se sistem konstruiše tako da maksimalni protok kiseline bude izjednačen sa protokom vode. Odnos 1:9 se u ovom slučaju postiže skaliranjem signala. Postoji više rješenja regulacije odnosa, ali u praksi se upravo shema sa slike 6.6. najviše koristi. Regulacija odnosa se mnogo koristi u hemijskoj industriji, prehrambenoj industriji, obradi vode i pri doziranju goriva. Npr. u vodovodima se vrši automatska dezinfekcija vode tako što se formira smjesa dezinfekcionog sredstva i vode u zadanom odnosu.
Sl. 6.6. Regulacija odnosa Na slici 6.7. je data shema jednostavnog automatskog uređaja za doziranje dezinfekcionog sredstva u vodu. Ovakvi uređaji se koriste u manjim vodovodima. Ovdje se vrši regulacija protoka dezinfekcionog sredstva u otvorenoj sprezi. Protok vode je opet vodeća veličina, protok dezinfekcionog sredstva je regulirajuća veličina, a sadržaj dezinfekcionog sredstva u vodi je regulisana procesna veličina.
Sl. 6.7. Regulacija odnosa u otvorenoj sprezi
25
Transmiter protoka FT na svom izlazu ne daje standardni signal 4-20mA već impulse pri čemu dolazi jedan impuls na 10 litara vode. Ovakvi transmiteri se konstruišu tako da se na osovinu rotacionog turbinskog vodomjera postavi stalni magnet koji okida kontakte jezičastog (reed) releja. Impulsi se vode na elektromgnetni ventil koji pri nailasku svakog impulsa dozira jednu kap dezinfekcionog sredstva u cjevovod pitke vode. Regulacija u otvorenoj sprezi ima nižu tačnost u odnosu na regulaciju u zatvorenoj sprezi, ali u ovom slučaju se može primjeniti. Količina dezinfekcionog sredstva koja se dozira pri svakom impulsu ovisi najviše o nivou u rezervoaru dezinfekcione tečnosti. Što je nivo veći pritisak na dnu rezervoara će biti veći i konsekventno tome bit će jače doziranje.
26
7. FUZZY CONTROL Engleska riječ fuzzy znači da je nešto nejasno i zamućeno. U našoj literaturi se za fuzzy control tj. fuzzy upravljanje u zadnje vrijeme koristi pojam neizrazito upravljanje koji još nije široko prihvaćen. Fuzzy upravljanje se koristi tamo gdje je teško ili nemoguće odrediti tačan matematički model objekta regulacije i/ili gdje je potrebna jednostavna sinteza regulatora. Naime, klasična rješenja automatske regulacije zahtijevaju određivanje matematičkog modela objekta regulacije što u praksi nije uvijek izvedivo. Osim toga sinteza regulatora za fuzzy upravljanje je jednostavnija te se fuzzy upravljanje koristi i tamo gdje je primjenjivo klasično upravljanje. Temelj fuzzy upravljanja leži u činjenici da su u realnom svijetu stvari rijetko crne ili bijele već sive. Npr. kada trebamo za nekog čovjeka reći da li je ćelav ili nije tu rijetko možemo biti potpuno sigurni. Naime može se postaviti pitanje da li čovjek postaje ćelav onda kada mu otpadne prva ili onda kada mu otpadne posljednja dlaka sa glave. U tom smislu fuzzy logika (neizrazita logika) za razliku od Boolove logike ne prihvata isključiva stanja 0 i 1. Fuzzy logiku je izumio američki naučnik iranskog prijekla Lotfi Zadeh 1965. godine i primjenio je na kreiranje fuzzy upravljanja, ali je do šire primjene ovog upravljanja došlo u Japanu na polju proizvoda široke potrošnje kao što su npr. video kamere, veš mašine i slični proizvodi. Svaki proizvođač ovih proizvoda, ako je htio da njegov proizvod ima dobru prodaju nastojao je na kutiju da stavi oznaku „fuzzy control“ neovisno o tome u kojoj mjeri se fuzzy upravljanje koristi u predmetnom uređaju. Značajan doprinos razvoju fuzzy upravljanja su dali i Tomohiro Takagi, Ibrahim Mamdani i Michio Sugeno. Princip fuzzy upravljanja se može objasniti na jednostavnom primjeru uključenja električne grijalice. Poznato je da ugodnost boravka ljudi u prostoriji ovisi prvenstveno o temperaturi zraka. Ako je u prostoriji pretoplo ili ako je hladno tada je u prostoriji vrlo neugodno boraviti. Iz ovoga možemo zaključiti da grijalicu u prostoriji treba uključiti tek ako je hladno. Međutim, kao što je već rečeno u realnom svijetu ne možemo precizno reći kada je neka prostorija hladna, a kada je topla. Naime ljudsko razmišljanje ne odgovara uvijek isključivo ''da'' –''ne'' logici već je ponekad neodređeno i nesigurno, odnosno vagajuće. Neko će reći da mu je hladno, ako je temperatura 21°C, a ista ta osoba će možda par minuta kasnije reći da mu je toplo premda je temperatura ostala ista. Temperatura zraka je tzv. fuzzy (neizrazita) varijabla. Vezano za fuzzy (neizrazite) varijable se definišu i tzv. fuzzy (neizraziti) skupovi (engleski: fuzzy sets). Fuzzy skupovi (neizraziti skupovi) su, najkraće rečeno, skupovi sa stepenastim granicama (engleski: gradual outlines), odnoso varijable imaju mogućnost da s postotkom pripadaju određenom skupu. Kod klasičnih skupova koje je 1874. godine definisao njemački matematičar Georg Cantor varijable ili pripadaju u potpunosti ili ne pripadaju određenom skupu tj. klasični skupovi imaju čvrste granice (engleski: crisp outlines). Potreba da se uvede ovakva vrsta skupova proizašla je iz raznih primjera ljudskog života koji zahtjevaju ovakve skupove. Ovo je ilustrovano na slici 1. Dalje definišu se i tzv. funkcije pripadnosti µ(x) (engleski: membership functions) varijable x fuzzy skupu. µ(x) je u rasponu od 0 do 1. Funkcije pripadnosti mogu biti zadane u analitičkom obliku, a mogu i u tabličnom. Oblici funkcija pripadnosti mogu biti različiti (trokutasta, trapezna, Gausova, sigmoidalna i slično), a na slici 7.2. su dati primjeri funkcija.
Sl. 7.1. Fuzzy i klasični skup
Sl. 7.2. Primjeri funkcija pripadnosti
27
Na slici 7.3. je dat primjer definisanja funkcije pripadnosti temperature u prostoriji fuzzy skupu (neizrazitom skupu) „hladno“.
Sl. 7.3. Primjer definisanja funkcije pripadnosti neizrazitom skupu “HLADNO” Sa slike 7.3. vidimo da je hladno, ako je temperatura t u prostoriji ispod 20°C, zatim dolazi neizrazito područje „mlako“ između 20°C i 25°C te područje „toplo“ iznad 25°C. Bitno je napomenuti da se jednoj varijabli može pridružiti više funkcija pripadnosti. Npr. temperaturi prostorije se osim funkcije pripadnosti skupu „hladno“ može pridružiti funkcija pripadnosti skupu „toplo“, skupu „mlako“ itd. Pomoću funkcije pripadnosti se vrši tzv. fazifikacija tj. realni brojevi se konvertuju u fuzzy vrijednosti. Npr. temperatura od 22,5°C se konvertuje u vrijednost 0,5 kao što se vidi na slici 7.3. Postavlja se pitanje pri kojoj temperaturi uključiti električnu grijalicu, jer premda je temperatura u prostoriji neizrazita tj. fuzzy varijabla stanje grijača koji se uključuje pomoću kontaktora nije neizrazita varijabla. Razvijeno je više matematičkih metoda na temelju kojih se može proračunati temperatura pri kojoj se uključuje grijalica, ali vrlo često projektant sistema se oslanja na intuiciju. Međutim, ako se upotrijebi složeniji regulator tada i stanje grijača postaje fuzzy (neizrazita) varijabla. U ovom slučaju grijač električne grijalice se uključuje da grije punom snagom pri temperaturi nižoj od 20°C dok se pri temperaturi iznad 25°C potpuno isključuje. Snaga grijača raste po odabranom zakonu u rasponu između 20°C i 25°C. Na slici 7.4. je data blok shema opisanog sistema. Fuzzy regulator prema prethodno opisanom algoritmu uključuje grijalicu.
Sl. 7.4. Blok shema fuzzy upravljanja sa jednom varijablom Ovdje je dat jedan jednostavan primjer primjene fuzzy upravljanja sa samo jednom varijablom, a u praksi većina fuzzy upravljanja su znatno složenija, jer se koristi veći broj varijabli. Npr. tipična regulacija grijanja prostorije primjenom fuzzy upravljanja osim temperature, mjeri i vlažnost zraka u prostoriji. Naime, ako je vlažnost zraka visoka tada čovjek ima subjektivan osjećaj da je u prostoriji toplije. Blok shema fuzzy upravljanja sa dvije varijable (temperatura i vlažnost zraka) je data na slici 5. U ovom slučaju snaga grijanja prostorije je matematička funkcija sa dvije promjenive (temperatura, vlažnost). Da bi se objasnilo kako fuzzy regulator formira svoj izlaz odnosno kako bi se zadala spomenuta matematička funkcija potrebno je objasniti neke pojmove i metode. Jednako kao što Boolova logika ima svoje operacije tako i fuzzy (neizrazita) logika ima svoje operacije. Tri glavna operatora su: presjek (AND), unija (OR) i komplement (NOT).
28
Sl. 7.5. Blok shema fuzzy upravljanja sa dvije varijable Posmatrajmo dvije funkcije pripadnosti µA(x) koja je zelene boje i µB(x) koja je crvene boje. Plavom bojom su obojene funkcije koje nastaju kao rezultat operacija nad µA(x) i µB(x). Na slici 6. su ilustrovane operacije presjeka i unije, a na slici 7.7. operacija komplementa.
Sl. 7.6. Presjek (AND) i unija (OR)
Sl. 7.7. Komplement (NOT)
29
Opisane operacije se koriste da bi se definisala fuzzy ako-onda pravila (engleski: fuzzy if-then rules). Npr. u našem primjeru zagrijavanja prostorije: R1: Ako je „hladno“ onda je „jako grijanje“ R2: Ako je („mlako“ i „niska vlažnost“) onda „srednje grijanje“ R3: Ako je („mlako“ i „visoka vlažnost“) onda „slabo grijanje“ R4: Ako je („toplo“ i „visoka vlažnost“) onda „vrlo slabo grijanje“ Primjetimo da za varijablu temperatura zraka koristimo tri funkcije pripadnosti („hladno“, „mlako“ i „toplo“), za varijablu vlažnost zraka koristimo dvije funkcije pripadnosti („niska vlažnost“ i „visoka vlažnost“), a za varijablu snage grijanja čak četiri funkcije pripadnosti („vrlo slabo grijanje“, „slabo grijanje“, „srednje grijanje“ i „jako grijanje“. Nakon što se kreiraju fuzzy ako-onda pravila naredni korak je interferencija (zaključivanje). Postoji više metoda interferencije, a danas se najviše koristi Mamdanijeva metoda koju je 1975. godine izumio engleski naučnik indijskog prijekla Ibrahim Mamdani. Prema Madnamiju interferencija se sprovodi u dvije faze: implikacija i agregacija. U našem primjeru dobivamo snagu grijanja kao funkciju dvije varijable kao na slici 7.8. Na slici 7.8. su prikazane samo apscise, a vrijednost funkcije je predstavljena grafički bojom.
Sl. 7.8. Snaga grijanja prostorije na temelju datih pravila Slika 7.8. ilustruje fazu implikacije. Tokom implikacije se vrše operacije nad funkcijama pripadnosti sukladno definisanim fuzzy pravilima. Prije agregacije (sastavljanja) je potrebno definisati težinski faktor za svako fuzzy pravilo. Težinski faktor je u rasponu između 0 i 1, ali se najčešće uzima faktor 1 što znači da se najčešće sva pravila jednako tretiraju. Tokom agregacije se vrše sakupljanje rezultata svih pravila u jedan zajednički rezultat. Završna faza pri definisanju fuzzy algoritma je tzv. defazifikacija pri kojoj se sračunava realna vrijednost y izlaza fuzzy regulatora. Najviše se koristi formula koju je 1985. godine predložio japanski naučnik Michio Sugeno:
y=
∫ y ⋅ µ ( y) ⋅ dy ∫ µ ( y) ⋅ dy
Konkretno u našem primjeru grijanja y je snaga grijanja. Kao što je već rečeno nije rijetkost da projektant sistema ne koristi nikakve matematičke formule već vrši intuitivni izbor funkcije izlaza. Fuzzy regulatori se najčešće realizuju pomoću mikrokontrolera.
30
8. PID REGULATOR PID je skraćenica od Proporcionalno Integralno Diferencijalni regulator. Naime PID regulator se sastoji od proporcionalnog P, integralnog I i diferencijalnog D člana kao što je prikazano na blok shemi PID regulatora datoj na slici 8.1.
Sl. 8.1. Blok shema PID regulatora Vidimo da se razlika e(t) između zadane vrijednosti SP (Set Point) i izmjerene procesne vrijednosti PV (Process Value) pojačava u pojačalu sa koeficijentom pojačanja Kp, a zatim vodi na obradu u proporcionalni P, integralni I i diferencijalni (derivativni) D član te da se na kraju sva tri signala sumiraju u sumatoru. Na blok dijagramu nisu ucrtani blokovi za konverziju signala. Naime, ako je npr. izlazni signal u opsegu 4-20mA tada signal sa sumatora treba konvertovati u taj oblik. Proporcionalni član je najvažniji. Ako se podesi da je koeficijent pojačanja Kp visok tada će regulator imati „jaku“ reakciju na promjene odnosno već pri malim promjenama procesne veličine dolaziti će do velikih promjena na izlazu regulatora. Uloga integralnog I člana je da integriše (sakuplja) mala odstupanja procesne veličine od zadane vrijednosti. Npr. ako procesna vrijednost PV odstupa od zadane u vrlo malom iznosu to neće izazvati značajnu reakciju integralnog člana, ali ako je to odstupanje prisutno duže vrijeme tada će integralni član poput nekog rezervoara akumulisati odstupanje i dovesti do reakcije regulatora. Diferencijalni član D ima zadatak da ubrzava reakciju regulatora, ako dođe do nagle promjene. Prvi PID regulator izveden kao mehanički sistem je konstruisao škotski naučnik James Watt 1788. godine (James Watt's centrifugal governor – centrifugalni regulator).
Sl. 8.2. Centrifugalni regulator Zbog toga mnogi Watta smatraju za prvog inženjera automatike. Centrifugalni regulator je imao dvije kuglice postavljene na vertikalnu osovinu pomoću zglobnog mehanizma. Kada bi se osovina okretala kuglice su se odmicale od osovine usljed centrifugalne sile. Što je broj obrtaja bio veći kuglice bi se odmaknule više te je udaljenost kuglica od osovine bila pokazatelj brzine rotacije osovine. Preko zglobnog mehanizma su kuglice bile
31
povezane sa ventilom koji je puštao paru na parnu mašinu koja je pokretala spomenutu osovinu sve u cilju regulacije broja obrtaja. Naime, kada bi broj obrtaja dostigao maksimalno dozvoljeni kuglice bi se odmakle dovoljno da zatvore ventil i obrnuto, ako bi osovina stajala tada bi ventil bio potpuno otvoren. Na slici 8.2. je data slika centrifugalnog regulatora. Osim opisanog mehaničkog PID regulatora dugo vremena su bili u upotrebi pneumatski PID regulatori koji su se jako dugo zadržali zbog činjenice da je njihova primjena relativno sigurna u prostorima ugroženim požarom i eksplozijom gdje se dugo izbjegavala primjena električnih PID regulatora. Prvi električni PID regulatori su bili konstruisani sa elektronskim cijevima, zatim su konstruisani tranzistorski te regulatori u tehnici analognih integrisanih kola. Danas se koriste mikroprocesorski digitalni PID regulatori, a također su u upotrebi i hibridne varijante gdje se koriste obje tehnike (analogna i digitalna). Pneumatski regulatori su radili sa pneumatskim signalima. Sumiranje pneumatskih signala se vršilo pomoću pneumatskih cilindara, a pojačavanje sile je ostvarivano pomoću poluge. Opruga i teg su korišteni za ostvarenje integralnog i diferencijalnog člana. Vratimo se principu rada PID regulatora ilustrovanom na slici 8.1. Možemo vidjeti da važi sljedeća relacija:
e(t ) = w(t ) − x(t ) Greška (regulaciono odstupanje, devijacija) e(t) je razlika između zadane vrijednosti (SP) w(t) i izmjerene procesne vrijednosti PV x(t). Izlaz PID regulatora y(t) je dat izrazom:
1 de(t ) y (t ) = Kp ⋅ e(t ) + ∫ e(t ) ⋅ dt + Td ⋅ Ti dt Prevedemo li prethodni izraz u kompleksni oblik dobivamo:
E (s) Y ( s ) = Kp ⋅ E ( s ) + + Td ⋅ s ⋅ E ( s ) Ti ⋅ s 1 Y ( s ) = E ( s ) ⋅ Kp ⋅ 1 + + Td ⋅ s Ti ⋅ s Prijenosna funkcija PID regulatora G(s) je data kao:
G(s) =
Y (s) 1 = Kp ⋅ 1 + + Td ⋅ s E (s) Ti ⋅ s
U prethodnim relacijama Kp je koeficijent pojačanja ili pojačanje regulatora, Ti je integralno vrijeme, a Td je derivativno vrijeme. Standardni PID regulatori imaju pojačanje Kp=0,1-50, integralno vrijeme Ti=3-3000 sekundi i derivativno vrijeme Td=0,01-100 sekundi. U literaturi na engleskom jeziku se koristi pojam Gain za pojačanje regulatora i također pojam Proportional Band (skraćeno PB) pri čemu vrijedi: Proportional Band=100/Gain Obično se Proportional Band izražava u procentima. Npr. ako je Proportional Band PB=20% tada je pojačanje Gain=100/20=5. Za integralno vrijeme se osim pojma Integration Time koriste i pojmovi Reset Rate i Reset Time (skraćeno RT) pri čemu vrijedi: Reset Rate=1/Integration Time=1/Reset Time
32
Za derivativno vrijeme se u engleskom jeziku koriste pojmovi Derivative Time (skraćeno DT) i Rate. Ove pojmove je potrebno poznavati, jer ih proizvođači koriste u specifikaciji podataka regulatora. Ovdje je bitno napomenuti da se standardni PID regulator može podesiti da radi kao čisti proporcionalni P regulator, ako se podesi da je integralno vrijeme veliko i diferencijalno vrijeme malo čime se integralni i diferencijalni član praktično poništavaju. Također podešavanjem vrlo malog derivativnog vremena poništava se derivativni član te dobivamo PI regulator. U praksi je potrebno izvršti podešenje regulatora pri instalaciji tj. potrebno je podesiti pojačanje, integralno vrijeme i derivativno vrijeme. Razvijeno je više metoda podešenja kao što su npr. Ziegler–Nichols i Cohen-Coon metode, ali u praksi one služe samo kao orjentir. Praktičan postupak podešavanja PID regulatora se vrši po sljedećoj sekvenci: 1. 2.
3. 4.
pojačanje Kp se podesi na minimalno, integralno vrijeme maksimalno Ti i diferencijalno vrijeme Td minimalno, pojačanje se polagano povećava dok sistem ne počne da osciluje i tada se pojačanje smanji za 50% u odnosu na ono pri kome je sistem počeo da osciluje (pri ovome je najveći problem što je teško razlikovati uticaj smetnji od uticaja regulatora), ako se uspije izmjeriti period oscilacija sistema tada se podešava da je integralno vrijeme približno 20% kraće od perioda oscilacija, a diferencijalno vrijeme 4-5 puta kraće od integralnog i ako se ne uspije izmjeriti period oscilacija sistema tada se pojačanje postepeno povećava, a integralno vrijeme ostaje maksimalno i derivativno vrijeme minimalno sve dok se ne postigne stabilan i brz odziv sistema na step ulaz kao što je ilustrovano na slici 8, nakon čega se integralno vrijeme postepeno smanjuje, a derivativno povećava dok se ne postigne dobar odziv sistema - diferencijalno vrijeme se stalno drži 4-5 puta kraće od integralnog osim, ako se ne želi podesiti PI algoritam pri kome je diferencijalno vrijeme uvijek na minimumu.
Ako je kojim slučajem poznat matematički model (prijenosna funkcija) objekta H(s) tada se parametri podešenja vrlo jednostavno biraju sukladno gore datim pravilima. Naime, množenjem prijenosne funkcije PID regulatora G(s) i sistema H(s) se dobiva prijenosna funkcija sistema u cjelini te se mogu matematički sračunati pojačanje, integralno i diferencijalno vrijeme tako da sistem u cjelini ima kvalietan odziv na step funkciju kao što je ilustrovano na slici 9. Na žalost u mnogim praktičnim primjenama matematički model objekta nije poznat i štaviše nije izvedivo ni eksperimentalno određivanje te se mora izvršiti podešavanje regulatora tokom rada sistema prema prethodno datim uputama. Pojedini PID regulatori imaju ugrađenu funkciju sampodešavanja (engleski: AUTOTUNE ili SELF-TUNE), a pri upotrebi ove funkcije potrebno je u specifikacijama proizvođača provjeriti za koje procese je predviđena. Obično su ovakvi algoritmi predviđeni za linearne objekte prvog reda sa pozitivnim samoizravnanjem (stabilni sistemi) kod kojih je kratko vrijeme kašnjenja. Na slici 8.3. je prikazana prednja ploča električnog analognog PID regulatora. Vidimo da PID regulator može biti u tri moda rada: automatski (AUTO), manuelni (MAN) i balansni (BAL). Mod rada se odabira preklopnikom. Manuelni mod se kod nekih regulatora označava ispruženom šakom, a automatski mod kružnom strelicom. Automatski mod rada je normalan mod rada regulatora koji se najčešće koristi. Pri manuelnom (ručnom) modu rada izlaz (output) regulatora se ručno podešava pomoću potenciometra OUTPUT ADJUST tj. radi se bez automatske regulacije. Ako se podesi balansni mod rada regulatora tada regulator na izlaz samo proslijeđuje signal koji dobiva sa ulaza zadane vrijednosti. Zadana vrijednost (SP) se može zadavati pomoću potenciometra SP ADJUST na regulatoru tj. interno (LOCAL) ili dovoditi kao eksterni signal (REMOTE). Preklopnikom biramo opciju LOCAL ili REMOTE. Vidimo da na prednjoj tabli PID regulatora imamo tri indikatora. Indikator OUTPUT pokazuje vrijednost na izlazu regulatora y(t) iskazanu u procentima, gornji lijevi indikator pokazuje regulaciono odstupanje e(t), a gornji desni indikator pokazuje zadanu vrijednost w(t). Pojedini PID regulatori umjesto indiciranja odstupanja e(t) indiciraju stvarnu vrijednost x(t) što možemo vidjeti na slici 8.4. Primjetimo na slici 8.4. da je zadana vrijednost označena kao SV – Set Value, a stvarna vrijednost kao PV - Process Value. Dalje možemo zapaziti da se na regulatoru sa slike 8.3. zadana vrijednost zadaje skalirano tj. u procentima punog opsega, a na regulatoru sa slike 8.4. se direktno unosi. Naime kod analognih regulatora se najčešće tako i radilo, a danas kod digitalnih regulatora najčešće zadanu vrijednost direktno unosimo. Npr. pretpostavimo da trebamo regulisati nivo vode u
33
rezervoaru dubine 10 m i da je zadana vrijednost 9m. U ovom slučaju skalirana vrijednost zadane vrijednosti je 9:10 = 0,9 odnosno 90%. Skaliranje se vrši prema maksimalnom iznosu nivoa (10 m).
Sl. 8.3. Analogni PID regulator
Sl. 8.4. Digitalni PID regulatori U ovisnosti o vrsti procesa PID regulator se može podesiti da radi kao direktni (engleski: rising) ili reverzni (engleski: falling). Direktni regulator pri uvećanju procesne vrijednosti x(t) uvećava izlaz y(t) dok reverzni pri povećanju procesne vrijednosti x(t) smanjuje izlaz y(t). Npr. ako se reguliše nivo vode u nekom rezervoaru otvaranjem ventila na odvodu rezervoara tada se koristi direktni regulator, jer će pri porastu nivoa vode trebati
34
otvoriti ventil. Međutim, ako se nivo vode reguliše ventilom na dovodu vode tada se koristi reverzni regulator koji pri porastu nivoa vode zatvara ventil na dovodu. Jedan od problema koji se javljaju pri radu sa PID regulatorom se na engleskom jeziku zove integral windup. Naime u slučaju nagle promjene zadane vrijednosti može doći do akumuliranja greške u integralnom članu. Ovaj problem se rješava tako što se sprječava nagla promjena zadane vrijednosti podešavanjem tzv. funkcije rampe ili se povećava integralno vrijeme. O ovom problemu posebno treba voditi računa pri konstrukciji servosistema. Posljednjih decenija se uvode u primjenu fuzzy PID regulatori (neizraziti PID regulator) za koji se koristi skraćeni naziv FPID regulator. Postoji više konstrukcija FPID regulatora, ali najčešće se koristi FPID regulator čija blok shema je data na slici 8.5. Kao što vidimo FPID regulator za razliku od klasičnog PID regulatora umjesto prostog sumatora ima fuzzy procesor u kome se signali obrađuju prema zadanom fuzzy algoritmu čime se u pojedinim aplikacijama postižu bolji rezultati nego sa klasičnim PID regulatorom. Postoje PID regulatori: sa kontinualnim izlazom (engleski: continuous-action controller), PID regulatori sa relejnim izlazom (engleski: step controller) i PID regulator sa širinskoimpulsnom modulacijom (ŠIM) izlaznog signala (engleski: pulse controller). PID regulatori sa relejnim izlazom se koriste za realizaciju sistema sa nekontinualnom (pozicionom) regulacijom i to u biti i nisu PID regulatori, jer najčešće ne sadrže PID član već su konstruisani od komparatora.
Sl. 8.5. FPID regulator Realizuju se dvopoziciona i tropoziciona regulacija. Na regulatoru sa relejnim izlazom se podešavaju regulacioni raspon X (širina histereze) i kontaktni razmak DB. Što je raspon X uži sistem je nestabilniji. Nakon što se odredi kritični raspon Xk podesi se raspon X=1,7•Xk. Na slici 8.6. su ilustrovani spomenuti rasponi za O i S tip relejnog izlaza regulatora.
Sl. 8.6. Podešenja PID regulatora sa relejnim izlazom
35
PID regulator sa širinskoimpulsnom modulacijom (ŠIM) izlaznog signala je u biti PID regulator sa kontinualnim izlazom kome je na izlazu pridodat ŠIM. Dakle, kod regulatora sa ŠIM-om na izlazu umjesto standardnog signala 4-20mA imamo digitalni signal čija srednja vrijednost odgovara potrebnom izlazu regulatora kao što je ilustrovano na slici 8.12. Izlaz ovog regulatora najčešće je relejni ili naponski signal 0-24V, a pojedini regulatori imaju TTL izlaz 0-5V. Kod ovakvog PID regulatora kao jedan od parametara se podešava frekvencija ŠIM-a. Ako se poveća frekvencija ŠIM-a ubrzava se reakcija sistema, ali se i skraćuje životni vijek izvršnog organa. Danas se proizvodi niz specifičnih varijanti PID regulatora kao što su npr. specijalni PID regulatori za regulaciju temperature. Ovakvi PID regulatori obično imaju mogućnost zadavanja programa prema kome se mijenja zadana vrijednost kao što je ilustrovano na slici 8.7.
Sl. 8.7. Program zadane vrijednosti temperature Vidimo sa slike 8.7. da imamo više uspona (rastuća rampa), padova (opadajuća rampa) i ravnih segmenata koji se unose u program PID regulatora. Programiranje uspona se vrši funkcijom RAMP kod koje se podešava trajanje rampe i krajnja zadana vrijednost i funkcijom DWELL za ravne segmente. Vidimo na slici 8.7. da imamo ukupno pet rampi (tri rastuće i dvije opadajuće) te ukupno četiri ravna dijela. Danas se sve više koriste PID regulatori koji se mogu spajati na komunikacioni BUS kao što je prikazano na slici 8.10. Komunikacioni BUS je oklopljeni dvožilni kabl. Upotrebom BUS-a se znatno smanjuje potrebna količina kablova za realizaciju jednog sistema automatskog upravljanja, jer više elemenata sistema (regulatori, izvršni organi, transmiteri itd.) mogu koristiti istu BUS kabl. Osim prijenosa signala preko BUS-a se uređaji mogu napajati električnom energijom, a moguće su i kombinovane izvedbe gdje uređaji imaju vlastito napajanje i samo se signali prenose preko BUS-a. Također moguća je izvedba gdje PID regulator dobiva signal stvarne vrijednosti sa transmitera standardnim signalom 4-20mA, a izlaz regulatora je spojen na BUS ili obrnuto. Na slici 8.11. prikazano spajanje BUS kabla na PID regulator.
Sl. 8.8. Odzivi PID regulatora i sistema trećeg reda na step funkciju
36
Sl. 8.9. Kvalitetan odziv sistema trećeg reda sa PID regulatorom
Sl. 8.10. Spajanje PID regulatora na BUS
Sl. 8.11. Ožičenje PID regulatora pri spajanju na BUS
Sl. 8.12. Izlaz PID regulatora sa ŠIM-om (pulse controller)
37
9. IZVEDBA SISTEMA AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA Standardni signali u automatici se dijele na analogne i digitalne. Analogni signali su: naponski signali (0-5V i 15V) i strujni signali (0-20mA i 4-20mA). Signali sa “živom nulom” (1-5V i 4-20mA) se daleko češće koriste, jer u slučaju prijekida kabla izostaje signal “žive nule” tako da odmah imamo informaciju o prijekidu. Digitalni signali u automatici se najčešće prenose BUS kablom (paricom) sukladno standardu EIA RS-485. Za prijenos analognih signala najčešće se koristi dvožilni oklopljeni kabl LiYCY koji je sličan BUS kablu. Dvožilni kabl za analogne signale ima sivi omotač, a žile su bijela (+) i smeđa (-) dok je BUS kabl ljubičaste boje sa crvenom (+) i zelenom (-) žilom. Napajanje uređaja mrežnim naponom se vrši pomoću PP-Y kabla na kome imamo crnu žilu (L) za fazu, plavu žilu (N) za neutralni vodič i zelenožutu žilu (PE) za uzemljenje. Ponekada se napajanje vrši jednosmjernom strujom i tada su boje vodiča: smeđa (L+), plava (M) i siva (L-). Kablovi su prikazani na slici 9.1. Signalni kablovi su od upredene (licnaste) žice tako da na njihove krajeve treba postaviti kablovske stopice pomoću specijalnih kliješta.
Sl. 9.1. Kablovi i kablovske stopice Na slici 9.2. je dat primjer tehnološke sheme jednostavnog sistema automatskog upravljanja. Uzet je primjer kontinualne regulacije temperature električne peći.
Sl. 9.2. Primjer tehnološke sheme SAU Regulacija grijanja se vrši promjenom struje grijača. Transmiter temperature pomoću koga se dobiva podatak o temperaturi u peći je montiran na peći. Signal 4-20mA sa podatkom o temperaturi se vodi na PID regulator koji
38
je montiran na komandom pultu. Dvopolna električna shema spajanja sistema prikazanog na slici 9.2. je data na slici 9.3.
Sl. 9.3. Dvopolna shema spajanja SAU PID regulator je namontiran na pultu, a unutar pulta tj. u elektroormaru se nalazi regulaciono pojačalo snage. Transmiter temperature je namontiran direktno na peć. Na slici 9.3. nisu označeni tipovi kablova i brojevi rednih stezaljki, nisu ucrtani osigurači, prekidači i neki drugi detalji o kojima će biti riječi kasnije. Često se shema sa slike 9.3. daje u obliku jednopolne sheme kao na slici 9.4.
Sl. 9.4. Jednopolna shema spajanja SAU Primjetimo na slici 9.4. da su energetski vodovi napajanja crtani punom linijom, a signalni vodovi 4-20mA isprekidanom linijom. Ako se primjenjuje savremeno SCADA rješenje tada je PID regulator jedan blok u SCADA softveru, a njegova manipulacija se vrši preko operatorske stanice. „Prednja ploča“ PID regulatora izvedenog preko SCADA sistema se nalazi na ekranu operatorske stanice kao tzv. faceplate. Na slici 9.5. je data shema spajanja transmitera temperature na SCADA INTERFACE modul. Primjetimo da je transmiter povezan na SCADA modul kablom LiYCY sa oznakom W50, a koji je spojen na rednu stezaljku sa oznakom W50. Dalje primjetimo da je + pol sproveden bijelim vodičem i označen brojem 2 (paran broj) dok je – pol sproveden smeđim vodičem brojem 1 (neparan broj). Dalje, primjetimo da je oklop (engleski: shield,
39
njemački: Schirm) kabla uzemljen samo na jednoj strani tj. pored SCADA modula, a na strani transmitera nije uzemljen već je izolovan.
Sl. 9.5. Spajanje transmitera na SCADA INTERFACE Naime, oklop kabla smije biti uzemljen samo na jednoj strani i obično se uzemljuje samo na strani regulatora odnosno INTERFACE modula. Ako bi oklop bio uzemljen na obje strane tada bi tzv. lutajuća struja tekla kroz njega i izazivala smetnje. Lutajuće struje su izmjenične struje mrežne frekvencije 50Hz, a potiču od „curenja“ struje tj. od gubitaka usljed loše izolacije, parazitnih kapaciteta itd. Ako se iz bilo kojih razloga oklop kabla mora 2 uzemljiti na oba kraja tada se paralelno sa signalnim kablom instalira debeli bakarni kabl prijesjeka 16mm i spaja na uzemljenje na oba kraja.
Sl. 9.6. Galvanska izolacija transmitera Spajanjem ovakvog kabla izjednačava se potencijal uzemljenja na oba kraja te praktično ne teče lutajuća struja kroz oklop signalnog kabla. Naime struja uvijek teče linijom manjeg otpora tako da će struja teći kroz spomenuti debeli vodič, a ne kroz oklop. Još jedan postupak eliminacije lutajuće struje jeste ugradnja bloka galvanskog odvajanja (engleski: potential isolation) transmitera od regulatora kao što je prikazano na slici 9.6. Galvansko odvajanje se postiže pomoću transformatora ili pomoću optičkih signala. Osim spomenutih lutajućih struja koje spadaju u grupu tzv. konduktivnih smetnji drugi značajan izvor smetnji na signalnim kablovima su radijacione smetnje (engleski: RFI - Radio Frequency Interference). Bitno je spomenuti i hibridne smetnje koje su kombinacija konduktivnih i radijacionih. Npr. usljed udara groma nastaju hibridne smetnje. Glavno oružje u borbi protiv radijacionih RFI smetnji jeste oklapanje kablova. Kao što je već
40
rečeno signalni kablovi su oklopljeni, ali često se u praksi ovi kablovi dodatno oklapaju tako što se instaliraju u metalne cijevi. Željezne cijevi daju bolju zaštitu od aluminijskih, jer je željezo feromagnetično. Ako i dvostruko oklapanje ne pomogne tada se vrši promjena trase kabla tj. kabl se instalira dalje od izvora smetnji. Digitalni prijenos signala se realizuje tako što se pored transmitera i pored regulatora postave konvertori signala koji analogni signal pretvaraju u digitalni i obrnuto. Konvertori mogu biti međusobno povezani: bežično (putem radio-veze), optičkim kablom ili bakarnom paricom. Kod pojedinih vrsta senzora kao što su elektrodinamički senzori vibracija se mogu ugraditi transformatori i/ili pojačala za podizanje signala na viši naponski nivo, jer su signali višeg napona više imuni na smetnje. U tabeli 9.1. je dat prikaz vrsta smetnji, njihovih uzroka i protivmjera. Tabela 9.1. Smetnje Vrste Uzroci Kondukcione -lutajuće struje -elektrostatička polja -napojne jedinice Radijacione -elektromotori -frekventni pretvarači -energetski kablovi -transformatori -oscilatori -bežični komunikacijski uređaji -računari -elektrolučno zavarivanje -releji Hibridne -udar groma
Protivmjere -izjednačavanje potencijala -galvanska izolacija -oklapanje -dvostruko oklapanje -uzemljivanje (oklopljenim kablom) -promjena trase kabla -pomjeranje izvora smetnji -digitalni prijenos signala
-izjednačavanje potencijala -galvanska izolacija -oklapanje -dvostruko oklapanje -uzemljivanje (oklopljenim kablom) -promjena trase kabla
Sl. 9.7. Spajanje transmitera na PID regulator Na slici 9.7. je prikazano spajanje transmitera na PID regulator koja se primjenjuje kada su jake radijacione RFI smetnje. Ista shema se koristi pri spajanju transmitera na SCADA INTERFACE modul. Kao što vidimo po potrebi se spaja kondenzator 10nF koji visokofrekventne signale indukovane usljed smetnji odvodi na masu. Također vidimo da se unutar transmitera nalazi izolacioni sloj koji galvanski odvaja elektroniku transmitera od metalnog kućišta te da se unutar transmitera također nalazi oklop koji štiti od smetnji. Bitno je napomenuti da se redna
41
stezaljka uzemljenja mora najkraćim putem spojiti na uzemljenje te da se ne smije koristiti ista redna stezaljka za uzemljenje energetskih i signalnih vodova radi izbjegavanja smetnji. Ukoliko je kabl za spajanje redne stezaljke uzemljenja signalnih vodova dug ili ako prolazi pored energetskih kablova tada to opet mora biti oklopljeni kabl čiji oklop je uzemljen pored samog uzemljenja čime se sprječava da smetnje prodru preko samog kabla za uzemljenje. Ukoliko se vrši dvostruko oklapanje tada se vanjski oklop koji je najčešće od pocinčane željezne cijevi uzemljuje pored PID regulatora, ako nije uzemljen samom montažom. Naime cijevi se često učvršćuju zavarivanjem tako da su na taj način i uzemljene. Ako se transmiter ugrađuje u prostoru ugroženom počarom i eksplozijom (Ex zone) tada se stvari dodatno komplikuju. Naime u EX zonama nije dozvoljeno spajanje uzemljenja, a signalni kablovi LiYCY koji su inače sivi za ove zone moraju biti plave boje čime se označava da su namijenjeni za ove svrhe kao što je ilustrovano na slici 9.8.
Sl. 9.8. Spajanje transmitera na PID regulator u Ex zoni Sa slike 9.8. možemo uočiti da transmiter mora biti u Ex izvedbi, a Ex barijera se instalira ukoliko PID regulator nije predviđen za spajanje uređaja u Ex zonama. Čest slučaj je da se transmiter napaja električnom energijom preko signalnog kabla kako bi se izbjeglo instaliranje energetskog kabla. Obično je napojna jedinica ugrađena u sam PID regulator ili SCADA INTEFACE modul, a može biti i vanjska napojna jedinica kao što je prikazano na slici 9.9. Transmiteri koji se napajaju preko signalnog kabla imaju oznaku 2-wire (dvožični), a transmiteri koji trebaju energetski kabl imaju oznaku 4-wire (četverožični).
Sl. 9.9. Napajanje transmitera preko signalnog kabla Primjetimo na slici 9.9. da se u strujnu petlju 4-20 mA može vezati više uređaja u serijskoj vezi. U pojedinim primjenama se senzori spajaju direktno na PID regulator ili odgovarajući SCADA INTERFACE modul tj. ne ugrađuje se transmiter već samo senzor. To je čest slučaj kada je udaljenost između regulatora i senzora mala. Osim signalnog izlaza 4-20 mA PID regulatori mogu imati i druge signalne izlaze te relejne izlaze za potrebe alarmiranja i regulacije. Signalni vod 4-20 mA se osim za napajanje senzora često koristi i za komunikaciju sa transmiterom digitalnim ® signalom prema zadanom protokolu. Danas se najviše koristi HART protokol. Naime, transmiteri se nalaze raspoređeni po postrojenju i vrlo često pristup do njih nije dobro riješen ili je opasno prići transmiteru, a
42
potrebno je izvršiti podešavanje transmitera iz bilo kojih razloga. Ako je transmiter konstrisan tako da je moguća komunikacija sa njime digitalnim signalaima tada se podešavanje transmitera može izvršiti iz elektro podstanice u kojoj se nalazi regulator pomoću PC računara kao što je prikazano na slici 9.10.
®
Sl. 9.10. Komunikacija sa transmiterom po HART protokolu Već je rečeno da se digitalni signali u automatici se najčešće prenose BUS kablom (paricom) sukladno standardu EIA RS-485. Postoji više protokola za digitalnu komunikaciju preko BUS-a, a danas se najviše koriste PROFIBUS ® (u procesnoj industriji), MODBUS (u industriji) i CAN BUS (u automobilima i avionima).
Sl. 9.11. Primjer spajanja PID regulatora
43
Na slici 9.11. je dat primjer spajanja PID regulatora za regulaciju grijanja u jednoj industrijskoj peći sa grijačem snage 4kW, a gdje je potrebna visoka tačnost regulacije temperature. Koristi se PID regulator sa širinskoimpulsnim (ŠIM) izlazom napona po TTL standardu 0-5V DC koji se spaja na elektronski relej (engleski: Solid State Relay – SSR) preko koga se napaja grijač. Signal o temperaturi peći se dobiva pomoću senzora (termopara) i isti se bez transmitera direktno vodi na odgovarajući ulaz PID regulatora. Zadana vrijednost temperature se podešava lokalno na samom PID regulatoru na kome se također indicira stvarna vrijednost temperature. Glavni prekidač ujedno vrši funkciju prekidača za nužni stop (engleski: emergency stop switch) te isti mora biti na dohvat ruke operatora. Primjetimo da su predviđena dva sigurnosna termostata. Naime prema propisima je obavezno predvidjeti dva sigurnosna uređaja koji isključuju grijač u slučaju pregrijavanja istog. U ovom primjeru su predviđeni termostati, a u nekim primjenama se instaliraju kompletni regulacioni krugovi sa regulatorom za potrebe zaštite. U ovoj shemi je predviđeno instaliranje ampermetra za mjerenje struje grijača. Shema sa slike 9.11. se primjenjuje kod manjih objekata, ali ako je u pitanju veliki objekat gdje je regulator udaljen od samog objekta i nekoliko stotina metara tada se pored samog objekta ugrađuje lokalni komandni ormarić prikazan na slici 9.12. koji služi za upravljanje sa samog objekta. Osim toga svrha mu je da se za potrebe održavanja može objekat isključiti sa napajanja električnom energijom. Kao što vidimo sa slike na ormariću su instalirani: prekidač za isključenje napajanja, tasteri za start (zeleni - ON) i stop (crveni - OFF) te ampermetar kojim se mjeri struja grijača. U pojedinim izvedbama se ne ugrađuje ampermetar već samo signalna sijalica koja svijetli kada je uključen grijač. Potpuno isti ormarić se koristi i za druge vrste izvršnih organa kao što su npr. elektromotori. Na slici 9.13. je data shema spajanja lokalnog komandnog ormarića na SCADA INTERFACE modul, a na slici 9.14. tzv. kablovski regal (kablovska polica) na koga su postavljeni signalni i energetski kablovi. Primjetimo da su dva signalna kabla (žuti i plavi) odmaknuti od svežnja energetskih kablova kako bi se izbjegle smetnje.
Sl. 9.12. Lokalni komandni ormarić
44
Sl. 9.13. Spajanje lokalnog ormarića na SCADA sistem
Sl. 9.14. Kablovski regal
45
Na slici 9.15. je prikazan savremeni elektroormar sa elementima sistema automatskog upravljanja. U gornjem dijelu su: prekidači, kontaktori, zaštite i automatski osigurači, a u sredini su transmiteri, konvertori (pretvarači) signala, regulatori i SCADA INTEFRACE moduli dok su na dnu redne stezaljke.
Sl. 9.15. Elektroormar sa elementima sistema automatskog upravljanja
46
10. INFORMACIONI I IZVRŠNI ORGANI Važni elementi sistema automatskog upravljanja su mjerni pretvarači, jer regulator dobiva podatak o procesu upravo pomoću mjernog pretvarača. Za mjerne pretvarače se koristi i nazivi informacioni organi i transmiteri. Na slici 10.1. je data blok shema jednog transmitera (mjernog pretvarača, informacionog organa).
Sl. 10.1. Blok shema transmitera (mjernog pretvarača, informacionog organa) Senzor je uređaj koji regulisanu procesnu velični pretvaraju u električni signal. Ovaj električni signal se u adapteru pretvara u neki standardni signal. Bitno je napomenuti da postoji i tzv. direktna regulacija kod koje se ne vrši pretvaranje regulisane procesne veličine već se direktno energijom procesne veličine vrši regulisanje. Npr. pritisak pare u kotlu se može iskoristiti za zatvarnje ventila goriva kojim se kotao grije te na taj način ostvariti regulacija. Ako pritisak pare poraste tada se ventil zatvara te se smanjuje grijanje što dovodi do pada pritiska pare i obrnuto kada pritisak pare padne ventil se silom opruge otvara te gorivo jače dotiče što izaziva jače grijanje i povećanje pritiska pare. Međutim danas se najviše primjenjuje indirektna regulacija kod koje se pritisak pare pretvara u električni signal koji se vodi na PID regulator koji reguliše pritisak. Ako udaljenost između senzora i regulatora nije velika tada često nije potrebno pretvarati signal sa senzora u neki standardni signal već se signal sa senzora vodi direktno na regulator. To je vrlo čest slučaj kod regulacije temperature. Ovdje nećemo detaljnije ulaziti u prikaz konstrukcije raznih senzora i transmitera, jer je danas postoji bezbroj raznih vrsta ovih uređaja i svakodnevno se razvijaju novi. Može se reći da je razvoj automatike usko povezan sa razvojem nauke o mjerenju metrologije, jer bez valjanog mjerenja procesne veličine nije moguće realizovati ni sistem automatske regulacije. I pored velikog napretka koji je ostvaren i dan danas je mjerenje pojedinih procesnih veličina problematično. Npr. merenje nivoa sipkastih materijala kao što su pepeo, kreč, brašno itd. je istina riješeno na više načina, ali sva ta rješenja su problematična u praksi. Mjerenje protoka spomenutih sipkastih materijala je još veći problem. Izvršni organi su uređaji kojima regulator djeluje na proces. Posebna vrsta izvršnih organa su aktuatori. Aktuatori su uređaji koji pretvaraju standardne signale iz regulatora u mehaničke izlaze, kao što su pozicija, sila, ugao ili moment. Postoje razne vrste aktuatora, što sve zavisi od prirode izvršnog organa koji pokreću, tipa energije koju koriste za svoj rad, tipa upravljačkog signala itd. Pozicioni aktuatori često se zovu i servomotori jer pozicioniraju izvršne organe. Npr. pomoću servomotora se pozicioniraju regulacioni ventili, antene radara itd. Za regulaciju protoka se vrlo često koriste ventili. Ventili mogu biti u dvije varijante i to ventili čiji stepen otvorenosti se može regulisati i ON-OFF ventili koji imaju samo dva stanja: otvoren i zatvoren. ON-OFF ventili se najčešće otvaraju i zatvaraju pomoću elektromagneta i opruge pri čemu postoje dvije vrste ventila: jedni su zatvoreni kada je napon narinut na elektromagnet, a drugi otvoreni. Npr. ventil koji reguliše dotok vode u veš mašinu je zatvoren kada na njega nije narinut napon, jer sila opruge djeluje tako da zatvara ventil. Kada se narine napon na elektromagnet ventila sila elektomagneta nadjača silu opruge te se ventil otvori. Elektromagnetni ventili su po svojoj konstrukciji vrlo slični relejima. Ventili čiji stepen otvorenosti se može regulisati se otvaraju i zatvaraju pomoću aktuatora. Ventili sa aktuatorima se konstruišu sa linearnom i nelinearnom statičkom karakteristikom. Kod ventila sa linearnom statičkom karakteristikom protok kroz ventil ovisi o stepenu otvorenosti ventila po linernom zakonu. Od nelinearnih statičkih karakteristika ventila u praksi se najčešće sreću: ravnoprocentna i brzootvarajuća.
Sl. 10.2. Ventili Trokraki ventili su posebna vrsta ventila koji se jako mnogo koriste u sistemima centralnog grijanja, jer se njihovom primjenom izbjegavaju nagle promjene pritiska na kotlu centralnog grijanja koje se javljaju, ako se
47
koriste obični prolazni ventili. Kao što mu i samo ime kaže trokraki ventil ima tri priključa pri čemu je protok kroz jedan priklučak jednak sumi protoka kroz druga dva priključka. Trokraki ventili se koriste kao miješajući i kao razvodni ventili. Miješajući ventil je trokraki ventil u kome se sakuplja topla voda iz kotla i hladna voda iz radijatora, a razvodni ventil je trokraki ventil kod koga se topla voda iz kotla razvodi. U praksi se trokraki ventil koristi najčešće u funkciji miješajućeg ventila, jer je tada temperatura vode kroz ventil niža nego da se koristi kao razvodni što konsekventno dovodi do dužeg životnog vijeka ventila. Iz istih razloga se pumpe tople vode ugrađuju u povratni vod kojim teče voda koja je u radijatorima već ohlađena. Na slici 10.3. je prikazana shema spajanja miješajućeg trokrakog ventila.
Sl. 10.3. Spajanje miješajućeg trokrakog ventila U miješajućem ventilu se miješa topla voda koja dotiče iz grane A i hladna voda koja dotiče iz grane B. Ako bi umjesto trokrakog koristili obični prolazni ventil tada grane A ne bi ni bilo tako da bi pri zatvaranju ventila dolazilo do promjena pritiska na kotlu, a trebalo bi i pumpu isključiti. Međutim kada je ugrađen trokraki ventil tada ne dolazi do promjene pritiska na kotlu, jer ako se zatvori grana A tada je otvorena grana B i obrnuto. Grana B se zatvara kada se želi smanjiti grijanje na radijatorima, a grana A se zatvara kada se grijanje želi pojačati. Grana A se konstruiše tako da je pad pritiska u grani A jednak padu pritiska na radijatorima.
Sl. 10.4. Spajanje pumpe (crpke) i miješajućeg ventila na PLC LOGO! Gljiva miješajućeg trokrakog ventila se pokreće pomoću jednofaznog elektromotora. Unutar elektromotora su ugrađeni krajnji prekidači koji isključuju elektromotor kada se ventil otvori, odnosno zatvori.
48
11. PROGRAMABILNI LOGIČKI KONTROLERI PLC (Programmable Logic Controllers) – programabilni logički kontroleri su industrijski računari koji upravljaju mašinama i uređajima. Pored toga koriste se i u električnim instalacijama u zgradama.
Sl. 11.1. Programabilni logički kontroler - PLC PLC se programiraju pomoću PC računara na koga se vežu pomoću specijalnog kabla na RS-232 port. Po uključenju, PLC prvo izvrši očitavanje svih ulaza, a zatim izvrši obradu očitanog prema programu u memoriji. Nakon toga se ispisuju izlazi, pa ponovno očitavaju ulazi i tako u krug.
Sl. 11.2. Ciklus rada PLC-a Čitanje, obrada i pisanje se u ovisnosti o tipu PLC obave za nekoliko milisekundi. Unutarnja struktura PLC je prikazana na slici:
Sl. 11.3. Unutarnja struktura PLC U ROM-u i EEPROM-u je upisan program po kome CPU obrađuje podatke pri čemu je u ROM-u smješten program koji se isporučuje sa PLC-om i koji se ne može mijenjati, a u EEPROM korisnički program koji unosimo
49
sa PC računara. U RAM se smještaju podaci privremenog značaja. Pomoću ulazne i izlazne jedinice PLC očitava i ispisuje ulaze i izlaze, dok preko jedinice za komunikaciju komunicira sa PC računarom i drugim PLC uređajima. PLC se može koristiti npr. za paljenje svijetlećih reklama:
Sl. 11.4. Svijetleća reklama realizovanja PLC-om Pomoću prekidača Q se uključuje svijetleća reklama. Pojedine sijalice osvjetljavaju slova natpisa npr. FIRMA. PLC se može programirati da pali sijalicu po sijalicu, da blinka itd. Pri instaliranju PLC, u elektroormar, mora se voditi računa da PLC nije smješten preblizu stijenki ormara kako bi se mogla odvoditi toplota sa PLC.
Sl. 11.5. Instaliranje PLC-a U uputama proizvođača je data minimalna udaljenost PLC od stijenki. Elektroormar mora osigurati dobru zaštitu PLC od djelovanja okoline. PLC se učvršćuje pomoću vijaka ili montira na montažnu šinu. Nakon što se izvrši montaža i ožičenje PLC potrebno je sa PC računara ili ručne programske jedinice unijeti softver (program) u PLC. PC računar i PLC se u beznaponskom stanju povežu komunikacionim kablom, a zatim se PLC prebaci u STOP mod rada. Na svakom PLC je postavljen preklopnik STOP-RUN. U STOP modu se vrši unošenje programa, a u RUN modu PLC izvršava program.
Sl. 11.6. Spajanje PLC-a na PC računar
50
Naredni korak je uključenje PLC i PC računara i pokretanje PC programa za programiranje PLC. Da bi se prijenos podataka sa PC na PLC uspješno obavio potrebno je da budu podešeni parametri za komunikaciju (brzina prijenosa, COM port itd.). Kod nekih PLC je potrebno na samom kablu pomoću mikroprekidača podesiti pojedine parametre. U PC programu za programiranje PLC se preko padajućeg menija otvori željeni PLC program i zatim klikne na DLoad (DownLoad) čime se pokrene prijenos programa u PLC. Po prijenosu programa prebacimo PLC u RUN mod čime počinje izvršenje programa. Samo izvršenje se može pratiti na PC računaru pomoću debager programa. Isključenje komunikacionog kabla sa PC i PLC treba izvršiti u beznaponskom stanju. S obzirom da se PLC obično koriste u pogonima i sličnim mjestima za unošenje softvera se koriste LAP TOP ili NoteBook PC računari. Osim njih koriste se i ručne programske jedinice koje su nešto veće od od običnog kalkulatora. Programi za PLC se mogu pisati u obliku: -liste naredbi (STL), -ljestvičaste sheme (LAD) i -funkcionalne blok sheme (FBD). Pisanje programa u obliku ljestvičaste sheme je najjednostavnije pa će programiranje I i ILI funkcije biti objašnjeno upravo u tom obliku. Ožičenje PLC-a je izvršeno prema sljedećoj shemi:
Sl. 11.7. Ožičenje PLC-a Na ulaze I0.0 i I0.1 su spojeni tasteri S1 i S2, a na izlaz Q0.0 sijalica H1. Želimo napraviti program za PLC da se sijalica H1 upali samo ako su oba tastera pritisnuta (I funkcija). Prvi korak je izrada simboličke tabele: SYMBOL NAME S1 S2 H1
ADDR I0.0 I0.1 Q0.0
Nakon toga se crta ljestvičasta shema:
Sl. 11.8. I (AND) funkcija
51
Tasteri S1 i S2 su spojeni u seriju tako da će sijalica H1 dobiti napajanje samo ako su oba tastera pritisnuta. Isti program u obliku liste naredbi i funkcionalne blok sheme ima oblik: LD S1 A S2 = H1
S1
lista naredbi
funkcionalna blok shema
AND
H1
S2
Ukoliko želimo programirati da se sijalica pali, ako je pritisnut bilo koji taster (ILI funkcija) možemo koristiti istu simboličku tabelu, jer je ožičenje potpuno isto. Ljestvičasta shema ima oblik:
Sl. 11.9. ILI (OR) funkcija Tasteri S1 i S2 su spojeni u paralelu tako da će sijalica H1 dobiti napajanje ukoliko pritisnemo bilo koji taster. Za programiranje ovih funkcija ćemo koristiti istu shemu ožičenja PLC i istu simboličku tabelu. Ljestvičasta shema za NE funkciju je data na slici:
Sl. 11.10. NE (NOT) funkcija Ukoliko taster S1 nije pritisnut sijalica H1 će goriti i obrnuto kada pritisnemo taster S1 sijalica H1 se gasi. Za NI funkciju ljestvičasta shema je data na slici:
Sl. 11.11. NI (NAND) funkcija
52
Kada pritisnemo oba tastera (i S1 i S2) radni kontakt kontaktora M0.0 će se zatvoriti. Međutim, sijalica H1 se napaja preko mirnog kontakta M0.0 tako da će pritiskanje oba tastera dovesti do gašenja sijalice. Na slici je data ljestvičasta shema NILI funkcije:
Sl. 11.12. NILI (NOR) funkcija Ako bilo koji taster pritisnemo doći će do otvaranja mirnog kontakta kontaktora M0.0 i do gašenja sijalice H1. Ljestvičasta shema za realizaciju EX ILI funkcije:
Sl. 11.13. EX ILI (EX OR) funkcija Ako se pritisne bilo koji taster sijalica će se upaliti, međutim, ako istovremeno pritisnemo oba tastera sijalica neće goriti. Za programiranje složenih funkcija koristimo sljedeću shemu ožičenja PLC:
Sl. 11.14. Shema ožičenja PLC-a
53
Tasteri S1 i S3 su radni, a S2 je mirni taster. Ovakvoj shemi ožičenja odgovara sljedeća simbolička tabela: SYMBOL NAME S1 S2 S3 H1 H2
ADDR I0.0 I0.1 I0.2 Q0.0 Q0.1
Primjer 1: Programirati logičku funkciju H1=S1•S2•S3 !
Rješenje:
Sl. 11.15. Program funkcije H1=S1•S2•S3 Taster S2 je u negaciji, jer je mirni. Sijalica će se upaliti, ako pritisnemo sva tri tastera. Primjer 2: Programirati PLC tako da se sijalica H1 pali pritiskom na taster S1, a gasi pritiskom na taster S2 ! Rješenje:
Sl. 11.16. Funkcija samodržanja Kada pritisnemo taster S1 kontaktor sijalice H1 dobije napajanje preko mirnog kontakta tastera S2, zatvori se i osigura sebi samodržanje kontaktom vezanim paralelno sa tasterom S1. Pritisnemo li taster S2 kontaktor sijalice H1 izgubi napajanje. Primjer 3: Programirati PLC tako da se pritiskom na taster S1 pali sijalica H1, pritskom na taster S3 pali sijalica H2, a pritiskom na S2 gase obje sijalice. Onemogućiti da obje sijalice gore istovremeno ! Rješenje:
54
Sl. 11.17. Primjer programa Za programiranje blokova kašnjenja koristimo sljedeću shemu ožičenja PLC:
Sl. 11.18. Shema ožičenja PLC-a Ovakvoj shemi ožičenja odgovara sljedeća simbolička tabela: SYMBOL NAME START STOP H1 H2 H3
ADDR I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2
Blokovi kašnjenja odgovaraju vremenskim relejima u klasičnoj tehnici. Svi PLC imaju mogućnost programiranja bloka kašnjenja pri uključenju (TON), a pojedini i programiranje bloka kašnjenja pri isključenju (TOF). Primjer 1: Napraviti PLC program za paljenje sijalica tako da se sijalica H1 upali odmah po pritisku na taster START, a sijalica H2 sa 5 sekundi kašnjenja. Pritiskom na taster STOP obje sijalice se gase. Rješenje:
55
Sl. 11.19. Program kašnjenja Vremenski dijagrami uključivanja kontakata su na slici:
Sl. 11.20. Vremenski dijagram programa kašnjenja Primjer 2: Napraviti PLC program za paljenje sijalica tako da se sijalica H1 pali i gasi tasterima START i STOP, a sijalice H2 i H3 prema vremenskom dijagramu:
Sl. 11.21. Vremenski dijagram Rješenje:
56
Sl. 11.22. Program Ulaz i izlazi PLC se dijele na analogne i digitalne. Analogni ulazi i izlazi se realizuju pomoću A/D i D/A konvertora. Digitalni ulazi mogu biti predviđeni za jednosmjernu i izmjeničnu struju. Standardni naponi ulaza odgovaraju standardnim naponima napajanja kontaktora (24V, 48V, 110V, 220V). Shema izmjeničnog i jednosmjernog ulaza su na slici:
Sl. 11.23. Shema izmjeničnog ulaza
Sl. 11.24. Shema jednosmjernog ulaza Digitalni izlazi mogu biti: relejni, tranzistorski i izlazi sa triacima. Dva glavna podatka o relejnom izlazu su priključni napon i maksimalna struja. Dobra osobina relejnih izlaza je što se mogu koristiti i za izmjeničnu i za jednosmjernu struju, a nedostatak im je tromost u radu. Tranzistorski izlazi se koriste za upravljanje kolima jednosmjerne struje. Shema tranzistorskog izlaza je na slici:
57
Sl. 11.25. Open collector izlaz PLC-a Ovakva vrsta izlaza se zove otvoreni kolektor (open collector). Kada je na izlazu logička jedinica tranzistor je u zasićenju, pa je napon između kolektora i emitera približno jednak nuli. Shema spoja signalne sijalice na izlaz PLC:
Sl. 11.26. Primjer spajanja Obično je nekoliko tranzistorskih izlaza vezano na istu masu. Shema izlaza sa triakom koji se koristi za upravljanje kolima izmjenične struje:
Sl. 11.27. Izlaz sa triakom Isto kao i kod tranzistorskog izlaza triak je u stanju vođenja kada je na izlazu logička jedinica. Glavni podaci o tranzistorskom i o izlazu sa triakom su maksimalni radni napon i maksimalna radna struja. Ukoliko dođe do zastoja u radu PLC, u velikom broju slučajeva, je dovoljno samo isključiti i ponovno uključiti PLC. Osim ovoga možemo pokušati prebaciti PLC u STOP mod i nakon nekoliko sekundi vratiti u RUN mod. Ovim se izvrši resetovanje mikroprocesora PLC što često dovodi do otklanjanja zastoja. Mnogi PLC uređaji rade u prljavoj sredini tako da se na njihovim pločicama nataloži sloj prašine i drugih nečistoća koje prave kratke spojeve i izazivaju zastoje PLC. U ovom slučaju PLC treba pažljivo rastaviti, a zatim pločice oprati alkoholom ili vodom i deterdžentom za posuđe. Nakon što se pločice osuše PLC se sastavi, a svi kontakti očiste sprejom za čišćenje kontakata. Mnogi PLC-ovi su konstruisani od C-MOS kola tako da se prije doticanja njihovih pločica moramo osloboditi statičkog elektriciteta doticanjem nekog metalnog predmeta. Najosjetljiviji dio PLC su izlazi. Kod relejnog izlaza može doći do pregorijevanja ili zavarivanja kontakata releja. U tom slučaju treba zamijeniti izlazni relej. Ponekada dođe do zaglavljivanja releja pa ga možemo osposobiti tako što ćemo ga nekoliko puta lagano udariti izvijačem. Tranzistori i triaci na izlazu mogu da pregore. Ispravnost tranzistorskog i izlaza sa triakom ispitujemo pomoću ommetra. PLC treba isključiti sa napajanja, a zatim mjeriti otpor izlaza koji mora biti beskonačan.
58
Sl. 11.28. Ispitivanje izlaza PLC-a Izlaz koji je pregorio ima otpor nula. Pregorjeli tranzistor odnosno triak treba zamijeniti. Složeniji kvarovi na PLC se ne otklanjaju već se vrši zamjena cijelog PLC ili pojedinih pločica novim. Postoje PC programi za dijagnostiku PLC. PC i PLC se povežu komunikacionim kablom i pokrene program za dijagnostiku koji izvrši detekciju neispravne pločice. U industriji se koriste dvije vrste mreža. Na višem nivou se koriste industrijske Ethernet mreže prema standardu IEEE 802.3. Na nižem nivou su u upotrebi mreže koje rade po standardu RS-485. Standard RS-485 predviđa jedan glavni računar (master) i do 31 potčinjeni računar (slaves). Komunikacija se vrši preko telefonske parice. Obično je PLC glavni računar, a na njega se kao potčinjeni računari vežu inteligentne sklopke, prekidači i kontaktori.
Sl. 11.29. BUS PLC-a Na ovaj način ne samo što se proširuje broj ulaza i izlaza koji se spajaju na jedan PLC već je omogućena i bolja dijagnostika sistema. Industrijske Ethernet mreže komuniciraju preko telefonskem parice, triaksialnog kabla ili optičkog kabla. Struktura jedne industrijske Ethernet mreže je data na slici:
Sl. 11.30. Ethernet mreža Moguće je spajanje velikog broja PC računara, PLC-a i druge opreme na jedan komunikacioni medij. Ovim je omogućena razmjena programa, dijagnostika sistema, upravljanje procesom proizvodnje sa jednog mjesta itd. Jedan od PC računara spojenih na mrežu je namijenjen za nadzor i upravljanje procesom. U njemu se izvršava program koji obavlja sljedeće funkcije:
59
-očitava stanje svakog PLC (RUN ili STOP), -očitava ulaze u PLC, -ispisuje izlaze PLC, -očitava i ispisuje stanje blokova u PLC (npr. stanje vremenskih relea) i -vrši dijagnostiku PLC. Pored ovoga pojedini programi mogu da vrše simulaciju sistema što omogućava operatoru da prije nego što poduzme zahvat na sistemu predvidi koje će biti posljedice toga zahvata. Izrada ovih programa se vrši u programskim jezicima sličnim jezicima PASCAL i C. Svaki proizvođač PLC nudi kompajlerske i editorske programe za izradu softvera za upravljanje mrežom. Primjer primjene PLC je upravljanje kompresorom pomoću PLC. Upravljanje kompresorom pomocu PLC se razlikuje u dva detalja u odnosu na klasično upravljanje. Kao prvo, potrebno je uvesti vremenski relej koji osigurava vremensku pauzu od 0,1 sekunde između spoja zvijezda i spoja trokut. Kao drugo, još jednim vremenskim releom se osigurava da kompresor ostane izvjesno vrijeme u pogonu i nakon što pritisak poraste iznad zadanog. Ovo vrijeme je vrijeme pripravnosti kompresora da reaguje na eventualno brzi pad pritiska. Vremenski dijagram rada je dat na slici:
Sl. 11.31. Vremenski dijagram upravljanja kompresorom Da bismo realizovali traženu funkciju koristimo sljedeću shemu ožičenja PLC i simboličku tabelu:
60
SYMBOL NAME p F2 K1 K2 K3 Y1
ADDR I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Sl. 11.32.
Ljestvičasta shema je data na slici:
Sl. 11.33. Program PLC-a za kompresor
61
Drugi prijer primjene PLC je upravljanje hidrauličnom presom pomoću PLC. Za upravljanje presom koristimo sljedeću shemu ožičenja PLC:
Sl. 11.34. Upravljanje hidrauličnom presom pomoću PLC S1 i S2 su tasteri dvoručne komande, F2 je kontakt bimetalne motorne zaštite, a p je kontakt presostata koji mjeri nivo ulja u rezervoaru. U slučaju da je nivo ulja prenizak presostat će otvoriti svoj kontakt. Koristimo sljedeću simboličku tabelu:
SYMBOL NAME S1 S2 F2 p SG SD K1 K2 K3 Ya Yb ULJE
ADDR I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5
Blok SM0.0 se uključuje odmah po uključenju napajanja i konstantno je zatvoren sve do isključenja. Blok SM0.5 je astabilni multivibrator sa periodom oscilovanja od 1 sekunde. Koristi se za alarmiranje, jer sijalica spojena na njegov izlaz blinka.
62
Ljestvičasta shema je data na slici:
Sl. 11.35. Upravljanje hidrauličnom presom pomoću PLC
63
Pomoću PLC-a se može vrlo jednostavno realizovati uređaj za paljenje svijetleće reklame. Pretpostavimo da je potrebno napraviti PLC program koji pali slovo po slovo natpis FIRMA, a zatim jedno vrijeme drži upaljen cijeli natpis. Ljestvičasta shema je data na slici 36.
Sl. 11.36. Paljenje svijetleće reklame
64
12. NUMERIČKI UPRAVLJANE ALATNE MAŠINE I INDUSTRIJSKI ROBOTI Alatne mašine su mašine koje se koriste za obradu metala, drveta, plastike, keramike i sl. Koriste se sljedeće vrste alatnih mašina: bušilice, strugovi (tokarilice), glodalice, brusilice, blanjalice (rendisaljke), pile i druge. Da bi se automatizovao rad alatnih mašina konstruisana su numerička upravljanja – NC. Naziv NC je skraćenica od engleskih riječi Numerical Control. Prva numerički upravljana mašina je konstruisana početkom 19. stoljeća. Stare NC mašine su za memorisanje programa koristile bušenu limenu ploču, a upravljanje je realizovano mehaničkim komponentama. Sa razvojem tehnologije usavršavana su i numerička upravljanja tako da se sa mehaničkog upravljanja prvo prešlo na električno relejno, a zatim na elektronsko tranzistorsko upravljanje da bi 1972. godine bilo konstruisano prvo kompjutersko numeričko upravljanje – CNC (Computerised Numerical Control). U ROM-u i EEPROM-u je smješten program po kome radi CNC. U ROM-u je dio programa koji se ne može mijenjati, dok je u EEPROM-u korisnički program. U RAM se smještaju podaci privremenog značaja. Ulazna jedinica CNC obavlja istu funkciju kao i ulazna jedinica PLC. Pomoću nje CNC dobiva podatke o radu mašine, npr. provjerava da li je dovoljan nivo ulja u rezervoaru. Izlazna jedinica CNC također radi na isti način kao izlazna jedinica PLC. Izlaznom jedinicom CNC npr. daje komandu za uključenje motora hidraulične pumpe. Ulazne i izlazne jedinice CNC imaju digitalne ulaze jednosmjernog napona 24 V i tranzistorske izlaze također napona 24 V. CNC sadrži integrisani PLC uređaj (IPLC) koji obrađuje ulaze i na osnovu bjih formira izlaze. Na mjernokomandne jedinice se spajaju regulatori motora i enkoderi. CNC prema regulatoru šalje signal zadane vrijednosti broja obrtaja +/-10 V, signale oslobađanja i deblokade, dok regulator šalje podatak o spremnosti za rad. Jedinica za komunikaciju omogućava povezivanje CNC sa drugim računarima. Terminal na kome je monitor i tastatura omogućava upravljanje sa CNC, unos programa, praćenje rada CNC itd. Starija upravljanja imaju crnobijele monitore sa katodnom cijevi, dok nova upravljanja koriste LCD displej u boji. Na monitoru se izlistavaju programi koji su memoriji, prati se izvršenje programa, daju obavještenja o alarmima itd. Tastatura se koristi za unošenje i izmjene programa i mašinskih konstanti. Većina CNC upravljanja ima tastaturu sličnu PC računarima, međutim pojedina upravljanja imaju vrlo specifične tastature. Preklopnik za izbor osa se koristi u ručnom radu. Njime se bira po kojoj osi će se pomjerati suport u ručnom radu. Tasteri + i – služe za ručno pomjeranje po osama u pozitivnom i negativnom smjeru. Taster između + i – se koristi za prelazak u brzi hod. Preklopnik za izbor broja obrtaja glavnog vretena omogućava izbor broja obrtaja glavnog vretena u pozitivnom i negativnom smjeru. CNC upravljanja imaju tri načina rada: MANUAL, SINGLE i AUTO. MANUAL je ručni rad. SINGLE je način rada gdje se svaka naredba programa izvršava pojedinačno, što znači da za izvršenje svake naredbe moramo pritisnuti taster START. U SINGLE modu se program izvršava korak po korak. Single mod se koristi pri testiranju programa. AUTO je uobičajen način rada CNC upravljanja. Pri AUTO načinu rada pritiskom na taster START se izvršava cijeli program. Pritiskom na taster STOP se prekida izvršenje programa. Programi za CNC upravljane mašine se pišu u APT jeziku i G-kodu. Naziv APT je skraćenica od engleskih riječi Automatically Programmed Tools što znači automaski programirani alati. APT je razvijen u Bostonu 1956. godine. Programe za CNC upravljane mašine izrađuju tehnolozi – programeri pa će ovdje biti opisani samo elementi programa koje koriste električari pri instaliranju i održavanju CNC upravljanja. Primjer programa CNC mašine pisanog u Gkodu: % N110 G00 X160 Z70 N120 T1 S1 F2 N130 M30. Program počinje znakom %. Uobičajeni nazivi za programsku liniju su rečenica ili blok. Svaka rečenica počinje slovom N i brojem. Odabrano je slovo N kao početno slovo engleske riječu number – broj. Sa G se označavaju naredbe za kretanje suporta. G je početno slovo riječi go–idi. U rečenici N110 je data naredba da se suport brzim hodom pomjeri u tačku sa koordinatama (160,70). Rečenica N120 daje naredbu da se iz magacina alata uzme alat broj 1 (T1), da se glavno vreteno počne vrtiti prvom brzinom (S1), a da se ose počnu kretati drugom brzinom (F2). Za odabir alata se koristi naredba T (tool – alat), za odabir broja obrtaja glavnog vretena naredba S (speed – brzina), a za odabir veličine posmaka osa naredba F (feed – posmak). Rečenica N130 sadrži naredbu M30 za završetak programa. Naredbe M se koriste za pomoćne funkcije (miscellaneous – razno). Očigledno sve naredbe jezika APT su početna slova engleskih riječi. Da bi se mogli izrađivati programi potrebno je imati podatke za svaku mašinu. U rečenici N120 je data naredba da se glavno vreteno vrti prvom brzinom. Prva brzina kod jedne mašine znači 31,5 (o/min), a kod druge može biti 10 (o/min). Pojedine mašine nemaju stepenastu promjenu broja obrtaja već se može odabrati bilo koji broj obrtaja u zadanom rasponu. Kod takvih mašina bi naredba S1200 značila da se glavno vreteno treba vrtiti sa 1200 (o/min). Kod savremenih CNC
65
upravljanja program za obradu se može dobiti automatski iz CAD programa. Za tu svrhu se koriste CAM programi (Computer Aided Manufacturing – kompjuterski podržana proizvodnja ). Industrijski roboti su kompjuterski upravljani uređaji koji rade poslove koje bi inače radili ljudi. Roboti se danas koriste za postavljanje i skidanje radnih komada sa mašina, sastavljanje i rastavljanje sklopova, transport, bojenje i obavljanje opasnih poslova kao što je npr. obavljanje poslova u zonama visoke radio-aktivnosti. U zglobovima i u šaki ruke robota se nalaze elektromotori za pokretanje i enkoderi za mjerenje pozicije. Upravljanje se vrši pomoću računara. Ovakva robotska ruka se koristi npr. za pakovanje boca. Osim rotacionog robotske ruke mogu vršiti i linearno kretanje koje se ostvaruje linearnim motorima ili pomoću zavojnog vretena. Ova ruka ima šaku i jedan zglob pri čemu se cijela ruka linearno pomjera. Linearno kretanje je neophodno kako bi se ruka mogla odmicati i primicati steznoj glavi i magacinu alata. Šaka steže i otpušta alate pri zamjeni. Za zamjenu radnih komada na mašinama se koriste vrlo jednostavni roboti bez enkodera kod kojih se pozicija određuje pomoću krajnjih prekidača. Ovi roboti su vrlo brzi pa je za njih uobičajen naziv ,,BANGBANG” roboti. Za sada nije razvijen standardni jezik za programiranje robota, već svaki proizvođač ima svoj jezik. Pojedine vrste robota se programiraju metodom učenja tako što u toku programiranja šaku robota vodi čovjek, a robot pamti pokrete. Ovakvi roboti se koriste npr. za farbanje radnih komada.
66
