10. Základy systémů řízení technologických procesů

Sebedokonalejší výrobní postupy a zařízení jsou v průmyslové praxi nepoužitelná, pokud je nelze bezpečně a spolehlivě řídit v předem stanovených optimálních mezích technologických parametrů. Úroveň řízení rozhoduje o minimalizaci: - spotřeby surovin, energií a pomocných látek, - potřeby lidské práce přímo ve výrobním procesu,- emisí odpadních látek všech skupenství,- mechanických poruch na strojním zařízení,- výkyvů nebo poruch technologického režimu. Kvalita řízení technologických procesů určuje vyrovnanost kvality výrobků v čase. V souhrnu zásadně ovlivňuje ekonomiku každé výroby – výrobní náklady a zisk.

10.1. Základní pojmy, základní prvky obvodů měření a řízení

Všechny průmyslové výrobní postupy vyžadují dodržení předem stanovených optimálních technologických podmínek v úzkém rozmezí. To vyžaduje spolehlivé a přesné měření základních fyzikálních, fyzikálně-chemických a chemických parametrů všech procesů.

K tomu účelu jsou systematicky vyvíjena měřící čidla - snímače, kterými jsou pokud možno nepřetržitě – kontinuálně – snímány příslušné parametry výrobních procesů (teploty, tlaky, dávkování a průtoky tekutin, dávkování a hmotnostní průtoky tuhých látek, hustoty tekutin, koncentrace vybraných složek, pH, elektrické vodivosti, výše hladin kapalin nebo tuhých látek v zásobnících nebo reaktorech apod.). Důležitým parametrem silně mechanicky namáhaných strojů je proudové (ampérické) zatížení elektromotorů jejich pohonů. Často je nutné, aby bylo možné sledovat naměřené hodnoty přímo v místě měření, na konkrétním technologickém zařízení.

Signály měřících čidel je nutné získat v podobě normalizovaných proudových impulsů (0 – 20 mA) nebo napěťových impulsů (0 – 500 mV), které jsou nejlépe elektronicky zpracovatelné. Proto jsou čidla s jiným než elektrickým výstupem opatřena převodníky. Převodníky pneu-elektrické převádějí prvotní signál čidla z normalizovaného pneumatického signálu 0,02 - 0,1 MPa na signál elektrický nebo převodníky opticko-elektrické ve spojení s fotobuňkou nebo fototranzistory převádějí signál optický na signál elektrický. Signál od měřících čidel je přenášen do centrálních velínů nízkonapěťovými kabely, zpravidla stíněnými, aby v nich nedocházelo k indukci nežádoucích rušivých potenciálů a proudů.

Měřící technika – zajišťuje nepřetržité automatické snímání, třídění a registraci údajů nutných pro řízení.

V moderních výrobních procesech jsou signály snímačů sváděny do centrálních velínů na operátorská pracoviště. Zde jsou změřené hodnoty signalizovány na ústředních panelech přístrojů měření a řízení (MaŘ) nebo monitorech řídících počítačů. Parametry, které jsou nejdůležitější pro řízení procesů a bezpečné provozování nákladných technologických zařízení (tlakových zařízení – kotlů, vysokotlakých kompresorů a reaktorů, parních, vodních nebo plynových turbín, alternátorů, transformátorů aj.), jsou snímány dvěma i více čidly. Jejich signály se vzájemně porovnávají a regulátor pracuje se střední hodnotou měřené veličiny. Je-li rozdíl mezi změřenými hodnotami jednotlivých čidel mimo stanovené rozmezí, jsou poruchy čidel samostatně opticky, akusticky i písemně signalizovány obsluhám řídících velínů. Stejným způsobem jsou signalizovány odchylky od stanoveného režimu. V případě překročení předem stanovených kritických mezí je technologické zařízení – blok několika výrobních operací - automaticky vyřazen z provozu. Tím jsou minimalizována rizika provozních poruch, nehod a havárií.

Získané elektrické signály jsou pak zpracovávány regulačními nebo řídícími jednotkami – automatickými regulátory nebo řídícími počítači umístěnými v centrálních velínech. Automatické regulátory udržují určité fyzikální, fyzikálně-chemické nebo chemické veličiny na předem stanovených (nastavených) hodnotách, případně mění veličiny se podle předem stanoveného programu (např, postupný vzrůst teploty a její prodlevy na určité hodnotě v peci pro výpal keramiky). Regulátor sleduje okamžitou hodnotu regulované veličiny a porovnává ji s nastavenou hodnotou. V případě zjištění odchylky uvádí do činnosti regulační orgán (armaturu, spínač aj,), jehož přestavením se odchylka odstraní. Přímé (direktní) regulátory pracují bez pomocné energie, nepřímé regulátory potřebují dodávku pomocné energie – regulátory elektrické elektřinu, regulátory pneumatické tlakový vzduch a regulátory hydraulické tlakový olej. V principu jsou rozlišovány regulátory proporcionální (P), integrační (I) a derivační (D) včetně jejich kombinací.

Výstupem regulátorů - řídících jednotek - jsou opět elektrické výstupní regulační signály, které jsou vedeny k akčním členům regulačních obvodů.

Akčními členy – regulačními orgány řídících obvodů jsou rozuměny servomotory ve spojení s regulačními ventily, kohouty, klapkami, dávkovacími čerpadly nebo vahami, spínače nebo přepínače apod., případně pneumatické pohony - písty, vlnovce nebo membrány ovládající např. ventily.

Mimořádný význam má teorie automatické regulace, která se zabývá systémy se zpětnou vazbou. Zpětná vazba zajišťuje průběžné porovnávání odezvy řízeného systému na regulační zásah vůči zadaným vstupním - požadovaným parametrům.

Ve výrobních prostorech s nebezpečím požáru nebo výbuchu jsou s výhodou používána měřící čidla, akční členy a někdy i regulátory pneumatické. V případě poruch a zkratů na elektroinstalaci je tak minimalizováno riziko vzniku požáru nebo výbuchu.

10.2. Metody měření fyzikálních a fyzikálně-chemických veličin

a) měření: - absolutních hodnot – teplot, tlaků, průtoků aj. veličin,- relativních hodnot (diferenční měření) – tlakových diferencí, rozdílů

hladin, teplot, el. potenciálů aj. veličin.b) měření: - místní – měřící čidla jsou umístěna v měřících jímkách nebo sondách přímo

na strojně-technologickém zařízení. Hodnota měřené veličiny je odečítána na stupnici měřícího přístroje v témže místě.

- dálkové – výstupní signál z měřící sondy je přenášen elektricky, pneumaticky nebo opticky do centrálního velínu.

c) měření základních veličin:

10.2.1. Teplota (T - temperature) - teploměry:

- teploměry využívající objemové roztažnosti tekutin - rtuťové a lihové teploměry jsou používány pro místní, kontrolní nebo kalibrační měření, Plynové – pneumatické teploměry jsou používány pro dálkové měření a regulaci teploty.

- teploměry dilatační využívající délkové roztažnosti kovů – bimetalické teploměry jsou využívány ve spojení s rezistory k místnímu a dálkovému měření i regulaci teploty v rozsahu do cca 1000 oC.

- teploměry optické – pyrometry jsou používány pro bezkontaktní měření vysokých teplot (stovek až tisíců oC) v hutnických, sklářských, keramických nebo cementářských pecích. Jejich výstupní elektrický signál je využitelný pro dálkové měření a regulaci teplot.

- teploměry odporové jsou využívány pro místní a dálkové měření i regulaci teplot v rozsahu teplot do cca 1000 oC.

- termočlánky jsou používány pro místní a dálkové měření i regulaci teplot v rozsahu do cca 1500 oC.

10.2.2. Tlak (P – pressure) - tlakoměry:

- hydrostatické - kapalinové (U-trubice) plněné vodou nebo rtutí jsou používány pro měření přetlaku nebo podtlaku v rozsahu několika desítek až stovek mm vodního nebo rtuťového sloupce pro potřeby místního měření především na potrubích a zařízeních vzduchotechniky, vývěvách nebo kondenzátorech.

- mechanické membránové nebo vlnovcové tlakoměry jsou používány pro měření podtlaku a hlavně přetlaku v rozsahu až tisíců MPa. Ve spojení s mechanickým přenosem výchylky na stupnice ukazovacích přístrojů a tenzometrická čidla nebo rezistory s elektrickým výstupem jsou využívány jak pro místní tak dálková měření a regulaci.

- elektrické tenzometrické tlakoměry jsou využívány pro snímání tlaku tekutin v potrubích, aparátech nebo skladovacích nádržích nebo tlakové síly na miskových, pásových, silničních, kolejových nebo bunkrových vahách, případně v dávkovačích tuhých látek (pásových a šnekových). Výstupní elektrický signál je využitelný pro místní a dálkové měření i regulaci . Tento systém měření je velmi citlivý a přesný v rozsahu jednotek až milionů Pa!

10.2.3. Hladina (L – level) - stavoznaky:

- průzory - na zásobních nádržích nebo technologickém zařízení jsou použitelné výhradně pro místní měření hladiny a bilancování zásob.

- mechanické plovákové stavoznaky – jsou tvořeny dutým kovovým nebo plastovým plovákem s vodící dráhou. Plovák je lankem přes kladku (-y) spojen s ukazatelem polohy na stupnici vně nádrže. Používány přednostně pro místní měření hladiny a bilancování zásob. Přenos polohy plováku na rezistor je mechanicky komplikovanější, zejména u vyšších nádrží, proto se příliš nepoužívá pro dálkové měření ani regulaci. Jsou použitelné na nádržích o výšce kolem 10 m i více.

- pneumatické stavoznaky - probublávací sondy jsou tvořeny tenkou trubkou o průměru cca 5 mm zasunutou víkem ke dnu nádrže. Trubkou zvolna probublává vzduch – tlakový spád nutný k probublávání vzduchu je měřen diferenčním manometrem. Tlaková diference je úměrná výšce hladiny kapaliny v nádrži. Po vyhodnocení je využita ke stanovení výšky hladiny. Pneumatické stavoznaky jsou užívány pro místní i dálkové měření a regulaci hladiny ve spojení s pneumatickými vysílači tlaku. Jsou vhodné na nádrže kapalin o výšce do 10 m.

- ultrazvukové stavoznaky – principem měření je vyhodnocení času nutného od vyslání ultrazvukového impulsu z vysílače pod víkem nádrže do jeho registrace přijímačem po odrazu od hladiny kapaliny v nádrži nebo povrchu tuhé látky v silu. Čas odezvy je nepřímo úměrný výšce hladiny. Ultrazvukové stavoznaky jsou používány pro měření hladiny kapalin v nádržích i sypkých látek v silech o výšce až několika desítek metrů. Výhodou je bezkontaktní měření se ziskem elektrického signálu vhodného pro místní i dálkové měření hladiny, bilancování spotřeb a zásob nebo regulaci hladiny.

- radiometrické stavoznaky - využívají prostupu -záření stěnami a prostorem zásobních nádrží nebo technologických aparátů. V průřezu, kde se nachází tuhý nebo kapalný materiál, je intenzita procházejícího záření snížena jeho absorpcí. Změny intenzity -záření jsou indikovány GM-trubicí a převáděny na elektrický signál. Radiometrické

stavoznaky se používají přednostně pro signalizaci min. a max. hladiny. Ve spojení s pojezdem zdroje záření a indikační sondy jsou požívány také ke kontinuálnímu měření hladiny - pojezd vyhledá hladinu dle polohy min. a max. intenzity záření a tím stanoví její hodnotu. Jsou vhodné pro dálkové měření, bilancování zásob a spotřeb nebo regulaci hladin. Výhodou je umístění vně nádob, zejména u nádob tlakových.

- radarové stavoznaky - umožňují bezkontaktní měření hladiny pomocí odrazu vysokofrekvenčního elektromagnetického záření od povrchu kapaliny nebo sypké látky v zásobnících i značně rozměrných užívaných např. v petrochemii. Zdroj záření a přijímač jsou umístěny pod víkem nádrže nebo sila o výšce až několika desítek metrů. Výstupní elektrický signál je využitelný pro místní nebo dálkové měření výšky hladiny, bilancování a regulaci.

10.2.4. Průtok (F - flow) - průtokoměry:

- rotametry (plováková měřidla) – plovák (1) umístěný ve skleněné vertikální kónické trubce (2) směrem nahoru se rozšiřující je udržován v určité výšce protékající tekutinou. Jeho poloha je měřena vizuelně odečítáním výšky plováku na přiložené stupnici (3) nebo je poloha kovového plováku, tvořícího jádro cívky, která je vně trubky, snímána elektromagneticky pomocí změn impedance ve vinutí. Změny impedance jsou transformovány na normalizovaný elektrický signál. Výsledek měření objemového průtoku tekutin je využitelný pro bilancování spotřeby nebo regulaci průtoku.

1

2

3

- clony, dýzy, Venturiho trubice – objemový průtok je stanovován měřením tlakové diference v zúženém profilu (1) potrubí s proudícími tekutinami pomocí U-trubice (2) naplněné vodou nebo rtutí, případně pomocí mechanického diferenčního tlakoměru. Při měření průtoku je využíváno změny tlaku při změně rychlosti proudění tekutin v zúženém profilu a mimo něj. Velikost tlakové diference roste s průtokem tekutin. Používány jsou pro měření objemového průtoku, bilancování spotřeb a regulaci průtoku.

Clona Dýza Venturiho trubice

1 1 1

2 2 2

- turniketové průtokoměry – náleží do skupiny mechanických objemových měřidel pro měření průtoku tekutin. Proud tekutiny roztáčí kolo s lopatkami turniketu. Počet otáček turniketu je úměrný objemu protékající tekutiny. Otáčky turniketu jsou mechanicky přenášeny na počítadlo objemového průtoku. Nejčastější je jejich použití jako plynoměrů, ale také měřidel objemového průtoku kapalných paliv.

- turbinové a vrtulové průtokoměry – náleží rovněž do skupiny mechanických objemových měřidel. V ose potrubí v proudu kapalin je tří či čtyřlistá vrtulka nebo turbinka s rotorem s více listy (1). Její otáčky jsou přenášeny hřídelkami s převodem (2) na počítadlo objemového průtoku. Velmi časté je jejich použití jako vodoměrů, průtokoměrů čistých technologických kapalin nebo kapalných paliv prostých tuhých nečistot. Používány jsou pro měření objemového průtoku a bilancování spotřeb kapalin.

1

2

- ultrazvukové průtokoměry – k měření průtoku využívají měření rychlosti šíření a odrazu ultrazvuku v pohybujícím se prostředí s využitím Doplerova efektu. Změna frekvence ultrazvukových vln je úměrná změně rychlosti proudění. Tyto změny jsou vyhodnocovány elektronicky. Výstupní signál je použitelný jak pro měření objemového průtoku tak jeho regulaci.

- indukční průtokoměry – jsou vhodné pro měření průtoku disociujících kapalin a roztoků. Pohybující se ionty indukují na snímacích elektrodách (1) elektrické impulsy, které jsou jako napěťový signál přenášeny do řídící jednotky, kde jsou zesíleny a dále zpracovány. Indukované napětí je úměrné rychlosti proudění – objemovému průtoku kapalin. Indukční průtokoměry jsou používány pro měření průtoku, dávkování a bilancování kapalin.

1

V technické praxi jsou používány i jiné druhy průtokoměrů pracující na podobných principech (např. Pitotova trubice) nebo zcela odlišných principech (např. s využitím Koriolisovy síly).

Aby byla zaručena přesnost a reprodukovatelnost měření průtoku tekutin, musí být proudění v místě měření ustálené. Obecně je doporučeno instalovat průtokoměry na rovný úsek potrubí o délce min. pěti průměrů před a za měřidlem!

10.2.5. Hmotnost, tíha, váha (W – waight)

- pásové váhy – hmotnost je stanovována buď mechanickým vážením cca 3 m úseku pásového dopravníku (konstrukce s válečkovými stolicemi, válečky a odpovídající částí dopravního pásu) nebo snímáním tlakové síly tenzometrem na jednu nebo dvě stolice s válečky pásového dopravníku. Hmotnost dopravovaného materiálu je vyhodnocována elektronicky dle rychlosti pohybu pásového dopravníku indikované tachodynamem a hmotnosti váženého úseku nebo tlakové síly dle údaje tenzometru. Na moderních vahách jsou běžná tenzometrická čidla – tlaková síla přenášená na piezoelektrický krystal vyvolává vznik elektrického napětí, které je úměrné tlakové síle. Pásové váhy jsou používány pro účely bilancování pohybu hmot ve výrobě a řízení výrobních procesů.

- mostové váhy - jsou principiálně podobné vahám pásovým mechanickým (starší typy) nebo tenzometrickým. Pouze délka váženého mostu je 5 – 20 m, aby bylo možné vážit celý dopravní prostředek, Jen u vah určených ke stanovení nápravového tlaku vozidel je jejich délka cca 0,5 m. Na mostovou váhu najíždějí motorová vozidla s návěsy a přívěsy nebo železniční vagóny. Dle konstrukce váhy musí buď zastavit nebo pomalu projíždět, aby bylo dosaženo požadované přesnosti vážení. Mostové váhy jsou používány pro bilancování příjmu surovin, expedice výrobků, kontroly vytížení motorových vozidel apod.

- dávkovače sypkých hmot – v průmyslové praxi jsou pro přesné kontinuální dávkování sypkých hmot používány dávkovače pásové nebo šnekové v principu podobné pásovým vahám ve spojení s podavači materiálu. Dle rychlosti pohybu dopravníku o délce 2 – 5 m a hmotnosti váženého úseku nebo hmotnostní síly snímané tenzometrem je elektronicky vyhodnocováno množství dávkovaného materiálu. Jsou také používány objemové dávkovače sypkých hmot i kapalin za předpokladu, že se nemění sypná váha nebo hustota dávkovaného materiálu. Dávkovače jsou používány pro dávkování surovin, polotovarů nebo pomocných látek do výrobních procesů, výrobků do expedičních obalů (nákladních aut, lodí nebo vagónů, bigbagů, kontejnerů, pytlů, sáčků, sudů, krabic apod.).

- podavače – jsou používány podavače turniketové, šnekové, vibrační, talířové, propelerové aj. konstrukcí. Slouží pro odběr sypkých hmot ze sil, bunkrů nebo zásobníků či méně přesné dávkování sypkých hmot do silně mechanicky namáhaných zařízení – drtičů, mlýnů, třídičů, sušáren, chladičů aj. zařízení. Ve spojení s měřením ampérického zatížení elektromotorů pohonů uvedených zařízení je omezováním dávkování materiálu chrání před přetížením a mechanickým poškozením. V případě potřeby mohou blokovat chod výrobní linek.

10.2.6. Hustota (D - density) – hustoměry:

- plovákové hustoměry – do kapaliny je ponořen skleněný nebo kovový plovák zkonstruovaný a vyvážený na předem vypočítané rozmezí hustot. Dle hloubky jeho ponoru je měřena hustota kapaliny odečítáním na stupnici. Poloha plováku je odečítána vizuálně nebo je snímána elektromagneticky pomocí ocelového jadérka zasunutého dle hustoty různě hluboko v cívce, jíž prochází elektřina. Jsou vyhodnocovány změny impedance cívky.

- pneumatické hustoměry – do kapaliny jsou ponořeny dvě trubky do různé hloubky. Do trubek je zaváděno malé množství vzduchu tak, aby pomalu probublával oběma trubkami

do kapaliny. Rozdíl tlaků vzduchu mezi trubkami je měřen diferenciálním manometrem. Při daném rozdílu výšky kapaliny mezi ústími trubek je za konstantní hustoty tlaková diference konstantní, s růstem hustoty kapaliny se tlaková diference zvyšuje, s poklesem hustoty kapaliny se tlaková diference snižuje. Změna tlakové diference je úměrná změně změně hustoty kapaliny. Diferenční tlak je převáděn na normalizovaný pneumatický signál nebo pneu-elektrickým převodníkem je získán signál elektrický použitelný pro měření a regulaci hustoty.

- radiometrické hustoměry – pracují na principu změn absorpce -záření v prostředí různé hustoty. Změny intenzity procházejícího záření jsou úměrné změnám hustoty měřené kapaliny. Vyhodnocovány jsou pomocí GM-trubice ve spojení počítačem impulsů. Výstupní elektrický signál je využíván ke stanovení hustoty a její regulaci.

10.2.7. Elektrické veličiny (E)

- el. proud – ampérmetry jsou využívány pro měření ampérického zatížení elektromotorů pohonů nejvíce namáhaných strojů (elektrolyzérů, elektrotermických pecí, drtičů, mlýnů, kompresorů, ventilátorů, rotačních pecí, sušících a chladících bubnů, odstředivek, jeřábů, bagrů aj.). Při překročení nastaveného maxima jsou nadproudovými ochranami a jističi příslušná zařízení vypnuta a tím chráněna před mechanickým poškozením, spálením elektromotorů, poškozením napájecích vodičů a transformátorů. Ampérické zatížení je rovněž hrubým údajem o momentálním výkonu zařízení.

- el. napětí – voltmetry jsou používány např. pro kontrolu napětí v rozvodné síti, na elektrodách elektrolyzérů, elektrostatických odlučovačů aj zařízení. Údaje voltmetrů jsou v tomto případě využitelné pro vyhodnocování stavu elektrod i kontrolu procesů.

- el. vodivost – konduktometry jsou používány pro měření vodivosti vypouštěných vod z čistíren odpadních vod, oteplených vod, parních kondenzátů a napájecích vod, roztoků kyselin, hydroxidů nebo solí. Elektrická vodivost je úměrná koncentraci rozpuštěných látek. Výkyvy vodivosti signalizují změny technologického režimu nebo jeho poruchy, případně signalizují netěsnosti na aparatuře apod. Výsledky jsou využitelné pro regulaci a řízení procesů.

- el. příkon nebo spotřeba elektřiny – wattmetry jsou používány pro měření příkonu nebo spotřeby elektrické energie. Důležité jsou především pro bilanční účely.

10.2.8. Kvalitativní veličiny (Q - qality)

- koncentrace látek – je uváděna ve hmot. % nebo objemových %. Koncentrace a chemické složení je měřeno pomocí automatických analyzátorů, do jejichž měřících cel jsou kontinuálně nebo semikontinuálně přiváděny vzorky tekutin nebo tuhých látek. Výstupní signál je používán pro regulaci nebo řízení procesů. Běžně jsou používány automatické analyzátory pro monitorování emisí znečišťujících látek v odpadních plynech nebo imisního znečištění atmosféry na základě odlišné absorpce záření určité vlnové délky.

- pH - pH-metry je potenciometricky měřena koncentrace vodíkových iontů ve vodných roztocích. Údaj je důležitý pro řízení procesů úpravy vody, čištění odpadních vod, neutralizační procesy ve výrobě nebo čištění odpadních plynů.

- Vlhkost M – vlhkoměry je měřena vlhkost vzduchu a plynů nebo tuhých látek. K tomu účelu je využíváno několik fyzikálních principů, např. měření teplot suchého a vlhkého teploměru, měření změn dielektrických vlastností, vodivosti látek aj. Údaje o vlhkosti jsou důležité např. pro řízení procesů sušení nebo vlhčení plynů, tuhých látek, skladování aj. účely.

10.3. Základy teorie řízení

Každý proces řízení je vázán na sběr dat – shromáždění informací, jejich třídění, zpracování a vyhodnocení. Dalším krokem řešení problému řízení každé soustavy je stanovení nezávisle a závisle proměnných. Základní metodou zpracovávání informací je jejich algoritmizace - nalezení matematického popisu jevů, jejich dynamiky a vzájemných závislostí. Chování systému je v konečné fázi řešení popsáno soustavou diferenciálních rovnic. Jejich společným řešením je získán popis chování řízeného systému. Matematickým modelováním je pak zkoumáno chování řízeného systému. Jsou stanoveny jeho základní charakteristiky v požadovaných i mezních situacích, které mohou v extrémních případech nastat. Zkoumáním odchylek hodnot vypočítaných a experimentálně zjištěných je matematický model zpřesněn a optimalizován.

Vždy je problémem rozhodnutí, do jakých podrobností je ještě nutné a účelné při sestavování matematických modelů zacházet, aniž by byla negativně ovlivněna přesnost, rychlost a spolehlivost řízení konkrétních procesů.

Důležité je stanovení intenzity vazeb systémů na okolí. Tyto vazby zásadně ovlivňují požadavky na množství i kvalitu vstupních informací a zejména náročnost matematického modelu. V prvním přiblížení jsou uvažovány systémy absolutně uzavřené a isolované, bez jakýchkoliv vazeb na okolí – bez výměny hmoty, energie a informací s okolím – systémy inerciální (nezávislé). V relativně uzavřených systémech jsou vazby s okolím realizovány vstupními a výstupními informacemi. Nejnáročnější je matematické řešení otevřených systémů – systémů neinerciálních - závislých na okolí - okolím více či méně ovlivňovaných.

Každý obvod automatického řízení je členěn na:

- řízený systém vybavený snímači a akčními členy,- řídící systém – regulátor nebo soustavu regulátorů se soustavou vstupů informací

z řízeného systému a informací zadávaných uživatelem,- zpětnovazební obvod – zajišťuje zpětnou kontrolu o kvalitě provedeného regulačního

zásahu. Regulátor porovnáním vstupních hodnot X (t) a výstupních hodnot Y (t) stanovuje novou hodnotu akční proměnné U (t) . Přitom jsou brány v úvahu i vnější poruchy působící na řízený systém – viz dále uvedené schéma.

Systém je např. popsán proměnnými závislými na čase (t):

- vstupní proměnné: X (t) = x1 (t), x2 (t), . . . . . . . . . . xa (t)- výstupní proměnné: Y (t) = y1 (t), y2 (t), . . . . . . . . . . ya (t)- poruchové proměnné: Z (t) = z1 (t), z2 (t), . . . . . . . . . . za (t)- akční proměnné: U (t) = u1 (t), u2 (t), . . . . . . . . . . ua (t)- pozorovací proměnné: R (t) = r1 (t), r2 (t), . . . . . . . . . . ra (t)

Ze soustavy proměnných je sestavena soustava diferenciálních rovnic. Jejich společným řešením je hledán co nejpřiléhavější model chování systému ve všech předpokládaných situacích. Teorie automatického řízení byla rozpracována hlavně v oblasti idealizovaných linearizovaných soustav – popis řízených soustav je transformován do systému lineárních rovnic vybraných závislostí v určitých předem stanovených mezích. Touto problematikou se v současnosti zabývá samostatná matematická disciplína – teoretická kybernetika.

Při zpracování vstupních signálů jsou naměřené a nastavené hodnoty vzájemně porovnávány, často se statistickým vyhodnocením výsledků. Obecně je snaha co nejlépe popsat chování systému v užším pásmu předem stanovených parametrů, často pouze v okolí tzv. pracovního bodu – parametru nebo souhrnu parametrů, kde je předpokládána regulace systému po největší dobu jeho činnosti. Dosažení pracovního bodu je řízeno spouštěcími – najížděcími programy nebo je v jednoduchých případech řízeno manuálně obsluhou velínu, Podobně je řešeno odstavení zařízení z provozu plánované nebo nouzové v kritických situacích.

V   principu lze naznačit automatický řídící systém s   uzavřenou zpětnou vazbou následujícím schématem:

Cíl řízení J(X,U,t) Poruchy Z(t) Napájení

Regulátor Systém

X(t) regulátor ¨ U(t) Y (t)

R (t)

Zpětná vazba hranice systému

X(t) je nezávisle proměnná, Y(t) je závisle proměnná, U(t) je řídící signál, R(t) je zpětnovazební signál. Složitost exaktního matematického popisu otevřeného systému je značná. Proto se úlohy optimalizace řízení tohoto typu řeší sestavením modelu reálného systému a porovnává se odchylka (t) v chování modelového systému od chování reálného systému, jak naznačuje dále uvedené schéma:

Z (t)

Y (t)Reálný systém

X(t) (t) = Y(t) – Ym(t)

ModelYm (t)

V matematickém popisu modelového a reálného systému se potom řešení zjednoduší na popis reálného systému v okolí pracovního bodu Vyhodnocením výstupních informací, např. odchylky (t), lze působit na:- systém dodatečně s využitím zpětné vazby,- změnu parametrů nebo změnu struktury modelu,

V praxi lze použít obě metody samostatně nebo je kombinovat. Podle způsobu zpracování informace jsou potom rozlišovány:- pevné struktury nastavující parametry podle výsledku jejich zpracování,- proměnné adaptivní struktury.

Podle počtu sledovaných souřadnic jsou rozlišovány regulační systémy:

a) - jednorozměrné – příkladem je regulace konstantní hladiny h v nádrži s přítokem qvs a odtokem qvýs:

qvst

qvs

h snímač p nádrž qvýs

hqvýs páková zpětná

vazba

Regulace konstantní hladiny pomocí plovákového stavoznaku s pákovým přenosem jeho polohy na šoupě regulace přítoku kapaliny funguje následovně:- změnou otevření výtoku se změní výtok z nádrže a výška hladiny v nádrži,- vyvolaná změna hladiny je změnou polohy plováku přenášena pákovým převodem

(snímačem polohy) na šoupě ovládající přítok do nádrže,- při zvýšení hladiny je přítok do nádrže zavírán a při snížení hladiny je přítok otevírán.

b) - vícerozměrné - příkladem je regulace provozu turbogenerátoru:

přívod páry n ž U ž

RO RN

ns Uvýst

generátorParní turbína

tachodynamo budič generátor

odvod admisní páry

Regulace turbosoustrojí je realizována následujícím způsobem:- rotor parní turbíny je roztáčen expanzí páry v turbíně,- skutečné otáčky turbíny ns jsou snímány tachodynamem, jehož signál je vstupem

regulátoru otáček RO, - signál tachodynama je v RO porovnáván s žádanými otáčkami nž turbíny, které rozhodují

o frekvenci elektrického proudu generovaného v generátoru,- výstupním signálem RO je ovládán ventil přívodu páry do turbíny,

- napětí elektřiny na výstupu z generátoru Us je v regulátoru napětí RN porovnáváno s hodnotou požadovaného napětí Už,

- výstupním signálem RN je řízen budič napětí – dynamo napájející vinutí rotoru generátoru stejnosměrným proudem, čímž je řízena intenzita elektromagnetické indukce ve statoru generátoru.

Blokové schéma dříve uvedeného vícerozměrného systému je uvedeno níže:

nž ns

RO

Už Us

RN

10.4. Přechodové charakteristiky

Při skokové změně vstupního parametru u je odezva soustavy y i (Yi) závislá na typu soustavy:

- soustava astatická (integračního typu) s dynamikou prvního řádu je např jedna napouštěná bezodtoková nádrž - křivka Y1 v níže uvedeném grafu

- soustavy astatické (integračního typu) s dynamikou druhého a vyšších řádů jsou např, sestavy dvou a více napouštěných bezodtokových nádrží - křivky Y2 a Y3

- dynamická soustava s dynamikou prvního až čtvrtého řádu (soustavy prvního a vyššího řádu) – jsou jimi např nádrže s odtokem - soustavou třetího řádu jsou např, tři vzájemně propojené nádrže s odtokem , viz křivky y1 – y4

u, y, Yu

y1 y2 y3 y4

Y1 Y2 Y3

t (sec)

Příklady přechodových charakteristik soustav prvního a vyšších řádů při skokové změně vstupního parametru u v závislosti na čase t.10.5. Základní struktura řídícího obvodu

Z dříve uvedených informací je patrné, že existuje obecná struktura řídícího obvodu, kterou vystihuje následující schéma:

1 2 3 4 5 6 7 objektg(t) (t) u(t) x(t)

8

10 9

1 – snímač vstupní veličiny – převádí vstupní veličinu g(t) na řídící signál srovnatelný se signálem zpětné vazby

2 - srovnávací člen, který vytváří z rozdílu mezi vstupním signálem a signálem hlavní zpětné vazby chybový signál (t)

3 - zesilovač chybového signálu4 - korekční člen zajišťující požadované dynamické vlastnosti regulátoru5 - pomocný srovnávací člen zpracovávající dílčí zpětnou vazbu6 - zesilovač výkonového členu (s převodníkem)7 - akční člen8 - korekční člen dílčí zpětné vazby, zajišťuje rovněž úpravu signálu zpětné vazby9 - snímač výstupní veličiny10 – zpětnovazební obvod s úpravou signálu hlavní zpětné vazby

Blok 6-7-8 tvoří místní zpětnou vazbuBlok 2-3-4-5-(6-7-8)-objekt-9-10 tvoří hlavní zpětnou vazbuBlok 2 – objekt tvoří tzv. dopřednou větev regulačního obvoduObvody 8, případně 9-10 jsou větvemi zpětné vazby

10.6. Obecný popis číslicově řízené soustavy

V kapitole 10.4. je popsána struktura jediného regulačního obvodu. V průmyslových výrobnách je běžně několik desítek až několik stovek regulačních obvodů závisle na složitosti výrobní technologie, počtu výrobních operací, požadavků na růst provozní spolehlivosti a výrobního fondu, bezpečnost a spolehlivost provozu.

Růst nároků na zpřesněné řízení technologických procesů obecně vedl ke zvyšování počtu sledovaných veličin, znásobení počtu snímačů. Jejich vizuální kontrola a manuální korekce parametrů obsluhou řídícího velínu se stala od určité úrovně řízení nezvládnutelná.

Proto byly v prvním kroku nasazeny na velkých výrobních blocích (elektráren, tepláren, provozů chemického průmyslu, cementáren aj.) měřící ústředny vybavené počítači. Tím byl řešen problém kumulace a zpracování většího počtu signálů ze snímačů v centrálním velínu vybaveném počítači se zobrazením naměřených hodnot na monitorech. Zároveň musel být vyřešen problém přechodu na normalizované výhradně elektrické vstupní signály instalací

převodníků. Přehledným uspořádáním snímačů do bloků s uvedením žádané a skutečné hodnoty každého měřeného parametru včetně signalizace poruchových stavů byl zvládnut růst počtu vstupních signálů s odpovídajícím vyhodnocením počítači i obsluhou (operátorem).

V dalším podstatně obtížnějším kroku bylo řešeno počítačové řízení procesů na základě jejich detailního matematického modelování. Rostoucí kvalitou hardware a software byla významně zvýšena úroveň řízení celých technologických procesů, nejen jednotlivých výrobních operací. Jádrem řídícího systému se staly centrální jednotky s procesory. Jejich hlavním znakem je modulové – stavebnicové uspořádání. To umožňuje návrh sestavy řídícího počítače vyhovující individuálním požadavkům konkrétních výrobních technologií a nárokům uživatelů. Pro konstrukci a montáž řídícího systému je důležité přesné stanovení rozhraní mezi řídícím systémem a řízenou soustavou osazenou snímači a akčními členy. Zpravidla je tímto rozhraním hlavní svorkovnice řídícího systému.

Výhodou zavedení počítačového řízení bylo především:

- podstatné zvýšení rychlosti zpracování vstupních signálů,- zkrácení rychlosti reakce řídícího systému na výchylky a poruchové stavy,- zvýšení četnosti řídících zásahů do systému,- zmenšení odchylek od optimálního režimu,- programové provázání řízení většího počtu operací,- potlačení negativního vlivu lidského faktoru na řízení systému s objektivizací řízení.

Blokové schéma počítačově řízené soustavy:

spojovací standardní výstupní soustava periferie informace

vnější paměť

vstupní informace

hlavnísvorkovnice

ČVs – číslicové vstupy – soustava číslicových vstupů, která přivádí do centrální jednotky informace o číslicově měřených a binárních proměnných (polohy zavřeno–otevřeno, zapnuto– vypnuto apod.).

CJ

OOP

Č V A V A Vs Č Vs

Řízený technologický proces

Soustava čidel

Akční členy

Avs – analogové vstupy – soustava analogových vstupů zajišťující dodávku informací o analogově měřených veličinách, které jsou spojitě proměnné. Většina měřených veličin v technologických procesech je analogová (teplota, tlak, průtok, vlhkost, koncentrace, napětí, proud, poloha, hladina aj.). Soustava analogových vstupů a analogově-číslicové převodníky proto náleží k nejdůležitějším a realizačně nejobtížnějším modulům řídících systémů. Převod analogových signálů na číslicové je spojen s určitým rizikem nepřesností a vzniku časového zpoždění. Technicko-technologická úroveň řešení tohoto uzlu často rozhoduje o kvalitě celého řídícího systému.

CJ – centrální jednotka – počítač nebo soustava počítačů, které zpracovávají vstupní informace a výpočtem stanovují příslušný regulační zásah do řízeného technologického procesu.

OOP – obslužné operátorské panely (pracoviště) vybavené klávesnicí, ovládacími tlačítky, vypínači aj prvky umožňujícími komunikaci operátora s CJ řídícího systému.

ČV – číslicové výstupy – soustava číslicových výstupů, která předává výsledky výpočtů realizovaných CJ v binární, číslicové nebo impulsní formě akčním členům, Tato soustava realizuje činnosti, které jinak zabezpečují tzv. sekvenční automaty.

AV – analogové výstupy – soustava analogových výstupů zajišťuje převod výsledků výpočtů provedených CJ z číslicové na analogovou formu a přenos analogových signálů k analogovým akčním členům.

Standardní periferie - zahrnují monitory a tiskárny pro kontrolu řízení technologie a archivaci technologických parametrů.

Spojovací soustava - zajišťuje přenos informací o technologickém procesu do nadřazených nebo podřízených řídících systémů, zajišťuje komunikaci a přenos informací ke vzdáleným procesorům, např, na podnikový výrobní dispečink.

Vnější paměť - rozšiřuje uživatelské možnosti řídícího systému a umožňuje nezávislou archivaci dat nezbytnou pro překlenutí poruchových stavů a zvládnutí extrémních situací, jež mohou za provozu nastat. Do vnější paměti jsou ukládána data, která nejsou potřebná pro běžný provoz a funkce CJ.

10.7. Způsoby označování obvodů měření a regulace

Pro označení měřených veličin ve schématech a výkresech obvodů měření a regulace je používáno mezinárodně standardizované symboliky využívající písmen vycházející z angličtiny (v kapitole 10.2. byla uvedena v závorkách). Stejná symbolika je zavedena ČSN vycházející ze standardů ISO. Pro projektanty a výrobce měřící a řídící techniky je závazná.

První písmeno označuje měřenou nebo regulovanou veličinu (dle druhého sloupce), druhé písmeno upřesňuje měřenou nebo regulovanou veličinu (dle třetího sloupce), třetí a další písmena uvádí funkci obvodu MaŘ (dle čtvrtého sloupce připojené tabulky):

Písmeno Měřená (regulovaná) veličina Upřesnění Funkce obvodu___________________________________________________________________________

A Signalizace B C D hustota rozdíl E elektrické veličiny F Průtok (objemový, hmotnostní) poměr G rozměr, poloha H ruční ovládání I ukazování, indikace J přepínání K čas, program L hladina M vlhkost (absolutní, relativní) N rezervní písmeno O rezervní písmeno P tlak, podtlak Q vlastnost, kvalita dávkování R radioaktivita zapisování,registrace S rychlost, frekvence spínání T teplota převodník U vstup několika měřených veličin V viskozita W hmotnost X ostatní parametry Y rezervní písmeno Z havarijní činnost

blokování

V projektech je rovněž předepsáno normou číselné označování obvodů soustavy MaR ve vzestupné řadě po směru toku materiálu nebo ve skupinách po jednotlivých technologických operacích. Způsob číslování musí být v popisu dokumentace.

Příklad způsobu označování obvodů schémat automatizace:

T - teplota

R – zapisovaná (registrace)C – automatická regulaceA – signalizace horní meze

H – ruční ovládání

HSled písmenového značeníSpojovací vedení k dalšímu obvodu a směr působení

Číslo obvodu soustavy MaŘ

Odběr signálu

Měřená(regulovaná)

veličina

Funkce obvodu

Upřesnění signalizace

T R C A

146