Automatizace

„Najdi si cestu k technice“

Lektor: Mgr. Petr Matyáš

Technické dotazy: elearning@iss-sokolnice.cz

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

„Najdi si cestu k technice“ reg. č. CZ.1.07/1.1.16/01.0006

AUTOMATIZACE

2

Obsah

Automatizace......................................................................................................................... 1

Obsah ..................................................................................................................................... 2

Úvod ....................................................................................................................................... 3

1 Automatizace procesů .................................................................................................. 4 1.1 Prvky pro získávání informací – snímače .................................................................. 4 1.1.1 Poţadavky na snímače ................................................................................................ 4 1.1.2 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 7

1.2 Regulátory ..................................................................................................................... 8 1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory ............................................................... 10 1.3.1 Proporcionální regulátor P ........................................................................................ 10 1.3.2 Integrační regulátor – I ............................................................................................. 13 1.3.3 Derivační-regulátor – D ............................................................................................ 15 1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických charakteristik při spojení bloků ......... 16 1.3.5 ID-regulátor .............................................................................................................. 19

1.3.6 PID-regulátor ............................................................................................................ 19 1.3.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 21

1.4 Motory ......................................................................................................................... 22 1.4.1 Motory na střídavý proud ......................................................................................... 22

1.4.2 Motory na stejnosměrný proud ................................................................................. 24 1.4.3 Lineární elektromotor ............................................................................................... 25

1.4.4 Krokové motory........................................................................................................ 27

1.5 Pneumatické pohony .................................................................................................. 30 1.5.1 Membránové pohony ................................................................................................ 30 1.5.2 Pístové pohony ......................................................................................................... 30

1.6 Hydraulické pohony ................................................................................................... 31 1.6.1 Rozdělení hydromotorů ............................................................................................ 31 1.6.2 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 31

1.7 Řízení procesů ............................................................................................................. 32 1.7.1 Základní pojmy řízení............................................................................................... 32 1.7.2 Ruční řízení .............................................................................................................. 33 1.7.3 Relé a stykače ........................................................................................................... 33

1.7.4 Programovatelná relé ................................................................................................ 34

1.7.5 PLC systémy ............................................................................................................. 36

1.7.6 Mikrokontroléry ....................................................................................................... 37 1.7.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 43

2 Příklady regulace a automatizace z praxe ............................................................... 44 2.1 Automatická pračka ................................................................................................... 44 2.2 Inteligentní dům ......................................................................................................... 49 2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů .......................................................... 49 2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD ............................................................................ 50 2.2.3 Ventily zónové a směšovací ..................................................................................... 53

2.3 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 55

Literatura ............................................................................................................................ 56

Obrázky ............................................................................................................................... 57

Slovník pojmů ..................................................................................................................... 58

AUTOMATIZACE

3

Úvod

Tyto opory nemají za úkol nahradit učebnice a příručky, ale doplnit vhodnými materiály

pro výuku, které v učebnicích chybí. Automatizace je obor, který je nedílnou součástí našeho ţivota. Bez ní se neobejde

ţádný výrobní nebo technologický proces. Najdeme ji v obchodních i komerčních centrech

a stále více se uplatňuje pří řízení moderních rodinných domů.

ZAPAMATUJ SI

„Mechanizace je proces kdy se využívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se

fyzické práce člověka.

Automatizace je proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen fyzické, ale

zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí.

Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení.

Ovládání je řízení bez zpětné vazby.

Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udržování určité fyzikální veličiny na

konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě.Během

regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít. Podle

zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se odchylky

odstranily“.

(Švarc. 2002)

Veličina, která je regulací upravována podle stanovených podmínek, se nazývá regulovaná

veličina.

Abychom mohli nějaký proces regulovat a automatizovat potřebujeme výkonový prvek

řídit řídícím prvkem. K tomu ovšem potřebujeme získávat informace o řízeném procesu.

Tyto informace nám dodávají snímače (senzory) poţadovaných veličin.

AUTOMATIZACE

4

1 Automatizace procesů

1.1 Prvky pro získávání informací – snímače

ZAPAMATUJ SI

„Základní prvky informující o stavu, činnosti technického zařízení jsou snímače (senzory),

převádějící zvolenou technickou veličinu na vstupu na tzv. měronosnou veličinu na

výstupu.„ (Kovář a kol.)

Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci, sledováni

a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu. Snímače jsou v přímém styku

s měřeným objektem, slouţí jako primární zdroj informace. Snímač pracuje tak ţe, snímá

sledovanou veličinu a transformuje ji na veličinu, kterou lze snadno vyhodnotit. Většinou

se vyhodnocuji elektrické napětí a proud. Z toho také vyplývá, ţe podstatou většiny

snímačů jsou fyzikální jevy, které lze na změnu napětí nebo proudu dobře převádět (změna

osvětleni→změna odporu→změna proudu; změny kapacity, odporů, magnetického

indukčního toku).

Technická veličina na vstupu snímače může být měřena dvěma způsoby

Přímo na základě její definice (např. Ohmův zákon).

Nepřímo – tyto metody vycházejí ze známé závislosti měřené veličiny na jiné měřené

veličině. Většinou se pro přenos pouţívají elektrické veličiny jako napětí, proud,

kapacita.

Toto použití má tyto přednosti

Moţnost dálkového přenosu dat včetně jejich soustředění do jednotlivých center.

Snadné provádění operací s elektrickými signály jak v analogové tak v digitální formě.

Moţnost pouţití unifikovaného regulačního obvodu při řízení libovolné technické

veličiny.

Vysoká citlivost s pouţitím techniky zesilování elektrických signálů, bezdotyková

měřidla, rychlá reakce snímačů.

1.1.1 Požadavky na snímače

Požadavky kladené na snímače lze shrnout do následujících bodů

Jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině vstupní.

Přesnost snímače a reprodukovatelnost výsledků měřeni, tj. časová nezávislost

parametrů snímače.

AUTOMATIZACE

5

Vhodný tvar statické charakteristiky, nejlépe lineární s velkou strmosti a minimálním

prahem citlivosti.

Optimální dynamické parametry (časová konstanta, tvar frekvenční charakteristiky,

šířka přenášeného frekvenčního pásma).

Minimální závislost na parazitních jevech (teplota, tlak, vlhkost, chvěni).

Minimální signálové zatěţovaní měřeného objektu.

Jednoduchá konstrukce a z toho plynoucí snadná údrţba a dostupná cena.

Statické vlastnosti snímačů

Rozsah stupnice.

Měřici rozsah přístroje.

Nominální hodnota výstupního signálu.

Kalibrační křivka.

Korekce.

Třída přesnosti.

Reprodukovatelnost.

Pohyblivost.

Stálost (stabilita).

Přetíţení.

Citlivost přístroje.

Chyba údaje měřidla.

Chyba linearity.

Chyba hystereze.

Dělení snímačů dle konstrukce

Aktivní (generatorické) snímače se působením měřené veličiny chovají jako zdroje

o elektrické energie (termočlánky, fotoelektrické, indukční, piezoelektrické).

Pasivní (parametrické) snímače účinkem měřené veličiny mění některý ze svých

parametrů (polohu, tlak, odpor, kapacitu, vlastni či vzájemnou indukčnost, magneticky

tok, Hallovo napětí).

AUTOMATIZACE

6

1.1.1.1 Dělení snímačů dle výstupních signálů

Analogové snímače

Snímají mechanické veličiny, např. dráhu a převádějí tyto snímané veličiny na elektrické

signály, a to napěťové nebo proudové. Po připojeni snímače signálu na měřidlo a kalibraci

stupnice měřidla vznikne měřici přistroj snímané veličiny. Kalibrace spočívá ve zjištěni

vztahu mezi hodnotami měřené veličiny a stupnici a označeni stupnice odpovídajícími

hodnotami. Při nepřímém měřeni můţe byt stupnice kalibrovaná přímo v jednotkách

měřené veličiny.

Binární snímače

Mají binární výstupní signál např. sepnuty/rozepnuty kontakt. Většinou vyhodnocuji, zda je

přijímaná veličina pod nastavenou prahovou úrovni nebo nad ni. Binární snímače mohou

mít podobu např. mechanických spínačů. Diference mezi přepínací úroveň snímané

veličiny pro přepnuti z 0 do 1 a přepínací úrovni pro přepnuti z 1 do 0 se nazývá přepínací

diference. Všechny binární snímače mají přepínací diferenci.

Číslicové snímače (digitální senzory)

Mají číslicový výstupní signál, který je číslicovým kódem snímané veličiny, např. dráhy,

doby nebo energie. Některé snímače digitalizuji s pomoci mikroprocesoru snímanou

analogovou veličinu, např. obrazové snímače digitalizuji obrazový signál, který pak slouţí

k posouzeni tvaru snímaného tělesa.

AUTOMATIZACE

7

1.1.2 Kontrolní otázky

Co je mechanizace?

Mechanizace je proces kdy se vyuţívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se

fyzické práce člověka.

Co je automatizace?

Automatizace je proces, kdy technická zařízení vyuţíváme k nahrazení nejen fyzické, ale

zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí.

Co je kybernetika?

Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení.

Co je regulace?

Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udrţování určité fyzikální veličiny na

konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě. Během

regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít.

Podle zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se

odchylky odstranily.

K čemu nám slouží snímače senzory?

Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci,

sledováni a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu.

AUTOMATIZACE

8

1.2 Regulátory

ZAPAMATUJ SI

Automatická regulace

Je samočinné udrţování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a hodnot této

veličiny, zjištěných měřením. Je to průběh, který probíhá v uzavřeném regulačním obvodu

bez zásahu člověka. V porovnání s ruční regulací nahrazuje člověka přístroj – regulátor.

.

Regulátor je tvořen

• měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny

• členem pro nastavení ţádané hodnoty

• měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny

• členem pro nastavení ţádané hodnoty

• porovnávacím členem , který vykonává skutečnou a ţádanou hodnotu regulované

• veličiny

• výkonovým členem

Přehled základních pojmů

Akční veličina – výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované

soustavy.

Akční člen – člen regulačního obvodu, který je řízen signálem akční veličiny a působí

rovnou na regulovanou soustavu.

Fyzikální veličina - je kaţdá z vlastností látky, která je měřitelná.

Ustálený stav určité veličiny – stav, ve kterém je daná veličina konstantní.

Porucha – kaţdá změna, která způsobí odchylku regulované veličiny od nastavené

hodnoty.

Regulace – udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této

veličiny zjištěných měřením. Je:

a) ruční

b) automatická

Regulovaná veličina – veličina, jejíţ hodnota je regulací dorovnávána podle předem

nastavených podmínek. Regulací se tedy udrţuje na poţadované hodnotě.

Regulační obvod – obvod, ve kterém je realizována regulace.

Jednoduchý regulační obvod – jedná se o spojení regulované soustavy a regulátoru,

kde se na vstup regulátoru přivádí pouze regulovaná a řídící veličina a kde regulátor má jen

jeden výstup akční veličiny.

Regulovaná soustava - je zařízení, na kterém se provádí regulace.

Regulátor – zařízení, které realizuje automatickou regulaci.

Nastavená hodnota regulované veličiny – je jí poţadovaná hodnota nastavená na řídícím

členu regulátoru.

AUTOMATIZACE

9

Poruchová veličina – veličina způsobující poruchu v regulačním obvodu.

Změna regulované veličiny – rozdíl mezi skutečnou a poţadovanou hodnotou regulované

veličiny.

Změna akční veličiny – rozdíl okamţité a poţadované hodnoty.

Hystereze – závislost stavu soustavy nejen na současných vstupních veličinách ,ale i na

jejich předchozích stavech. Nebo ji také můţeme popsat jako situaci kdy je rovnováţný

stav systému závislý na cestě, po které se rovnováze přibliţujeme.

Obr.1 Blokové schéma regulovaného obvodu.

Kde:

z – poruchová veličina

y – regulovaná veličina

w – požadovaná hodnota výstupní veličiny

e – regulační odchylka

u – akční veličina

Obr. 2 Blokové schéma regulátoru.

AUTOMATIZACE

10

1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory Studiu této kapitoly musí předcházet studium kritérií stability, co je to jednotkový skok

a jednotkový impulz a rychlost přeběhu!

DŮLEŽITÉ

Regulační obvody se spojitými regulátory odstraňují nevýhody nespojitých regulátorů.

U obvodů s nespojitým regulátorem regulovaná veličina mění svou hodnotu skokem . Je

to tím, ţe akční veličina nabývá omezených počtů hodnot.

Vlastností spojitého regulátoru je, že výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní

veličiny, která můţe nabývat libovolné hodnoty od minima po maximum.

DŮLEŽITÉ

Regulační pochod je průběh regulované veličiny, který probíhá při změnách řídících

a poruchových veličin při současném působení regulátoru. Regulační pochod můţe být

vyvolán změnou působení regulátoru.

Jeho průběh se stanovuje hůř neţ u nespojitého regulátoru, protoţe u kaţdého okamţiku je

nutno také uvaţovat vliv regulované veličiny na akční veličinu a její zpětné působení

na regulovanou veličinu.

Typy regulátorů: P,I D, PI, PD a PID regulátory.

1.3.1 Proporcionální regulátor P

DŮLEŽITÉ

Proporcionální regulátor P

Zajišťuje přímou úměrnost mezi vstupní a výstupní veličinou. Řád regulátoru se určuje

podle počtu elektronických kapacit v obvodu (1 kondenzátor = l řád) Kaţdé hodnotě

vstupní veličiny (regulovaná) odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny výstupní(akční).

Kde:

K – je součinitel přenosu regulátoru

U regulovaných soustav je součinitel přenosu konstantní. Součinitel přenosu regulátoru

je moţno měnit. Záporné znaménko sděluje, ţe regulátor pracuje s inverzí. Při kladné

odchylce x se akční veličina zmenší a naopak.

Přesnost regulace závisí na zesílení regulátoru, které u setrvačných regulovaných

soustav můţe být značné, aniţ by hrozila nestabilita. U soustav vyšších řádů, kdy doba

průtahu je menší neţ desetina doby náběhu, je někdy na závadu překmitnutí regulované

veličiny. Překmitnutí je moţné sníţit zmenšením zesílení regulátorů, avšak za cenu větší

regulační odchylky.

AUTOMATIZACE

11

POZNÁMKA

Kmitání je téţ moţno odstranit zavedením setrvačnosti do regulované soustavy. To se

realizuje paralelním připojením kondenzátoru nebo RC členu.

Tento regulátor je vhodný i pro astatické soustavy, je-li přípustná trvalá regulační

odchylka.

Obr. 3 Schémata proporcionálních regulátorů

Statická charakteristika regulátoru P

Proporcionální člen P můţeme realizovat pomocí invertujícího zesilovače, který je

zobrazen na obr.3.2.2. obr 1.

Výstupní napětí P členu je dáno vztahem (1) a přechodová charakteristika P členu je

zobrazena na obr. 3.2.2 obr. 2.

Symbol pro P člen je na obr. 3.2.2 obr. 3.

Rozporuplné požadavky na regulátor P

Regulátor reguluje tím citlivěji a přesněji, čím je součinitel přenosu větší, coţ platí opačně

o stabilitě regulátoru.

Pásmo proporcionality je regulační odchylka, o kterou se musí změnit regulovaná veličina,

aby se regulační člen přestavil z jedné krajní polohy do druhé.

AUTOMATIZACE

12

DŮLEŽITÉ

Přechodová charakteristika regulátoru P

Při skokové změně vstupní veličiny se výstupní veličina téměř okamţitě ustálí na nové

hodnotě. Její velikost je dána nastavením pásma proporcionality.

Obr. 4 Proporcionální regulátor – přechodová charakteristika.

Obr. 5 Proporcionální regulátor.

AUTOMATIZACE

13

1.3.2 Integrační regulátor – I

Neţádoucí trvalá regulační odchylka proporcionálního regulátoru P je způsobena pevnou

vazbou mezi regulační odchylkou a akční veličinou.

DŮLEŽITÉ

Jestliţe je na regulační odchylce závislá rychlost změny akční veličiny, vznikne integrační

regulátor. Základní nevýhodou je, ţe se zvyšující se frekvencí klesá zesílení, takţe

regulátor pomalu reaguje na poruchy. Nehodí se tedy v případech výskytu častých poruch.

Regulátor I je velmi vhodný pro astatické regulované soustavy bez setrvačnosti, jeho

zesílení můţe být velmi vysoké, aniţ by hrozilo nebezpečí rozkmitání. Také je vhodný

pro setrvačné soustavy I. řádu. Nevýhodou je větší překmit regulované veličiny.

Regulátor I je nejvhodnější ze všech ostatních typů pro regulaci statických soustav

s dopravním zpoţděním. Tyto soustavy jsou nejvíce ohroţeny rozkmitáním regulovaného

obvodu. Proto nastavujeme menší zesílení regulátoru.

Regulátor I je méně vhodný pro regulaci soustav vyšších řádů, tam je lepší regulátor PI.

Nelze jej pouţít u astatických soustav, neboť regulovaný obvod by byl nestabilní. Má

stejnou charakteristiku jako u astatické soustavy. Regulátor I můţe být pouţit samostatně

nebo v kombinaci: PI a PID. I regulátor zajišťuje vţdy přesné doregulování a kombinuje se

s jinými regulátory pouze proto aby se zkrátila doba přechodu.

DŮLEŽITÉ

Statická charakteristika integračního regulátoru I je charakteristickou veličinou. S větší

integrační časovou konstantou klesá jeho stabilita, naopak se zvyšováním hodnoty této

konstanty stoupá.

Přechodová charakteristika

Je reakcí výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku.

Rychlost změny akční veličiny je úměrná regulační odchylce:

Kde:

Ti – integrační časová konstanta

Kr – výstupní veličina odpovídající proporcionálnímu přenosu

a pásmu proporcionality 100%. Integrál vstupní veličiny

x odpovídá přímo úměrné hodnotě výstupní veličiny y.

AUTOMATIZACE

14

Obr. 6 Schémata integračních regulátorů.

Relé v následujícím obrázku je ze stejného důvodu jako ve stavebnici RC. Na začátku

měření se kontakt rozpojí na konci měření spojí. To znamená, ţe mimo vlastní měření je na

kondenzátoru I regulátoru zabezpečeno nulové napětí.

Obr.7 Integrační regulátor.

AUTOMATIZACE

15

1.3.3 Derivační-regulátor – D

U integračního regulátoru odpovídala kaţdé hodnotě vstupní veličiny určitá změna

výstupní veličiny.

Tedy změně rychlosti vstupní veličiny vx odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny

výstupní Y.

DŮLEŽITÉ

Nemění-li se vstupní signál, je na výstupu derivačního regulátoru výstupní signál nulový.

Derivační regulátor D se nikdy nepouţívá samostatně, vţdy jako součást regulátorů

sloţených. Ideální regulátor reaguje na jednotkový skok na vstupu diracovým impulsem,

coţ u reálného regulátoru není moţné.

DŮLEŽITÉ

Statická charakteristika derivačního regulátoru D

Je charakteristickou veličinou s časovou konstantou derivační. Součinitel přenosu Kz je

konstantní. Derivační regulátor reguluje citlivěji. Přesnějším je časová konstanta τd, jeho

větší stabilita naopak se zvyšováním hodnoty této konstanty klesá.

Přechodová charakteristika

Charakteristická veličina τd je doba, za kterou výstupní veličina dosáhne stejné hodnoty,

jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl proporcionální a pásmo proporcionality

bylo 100 %.

Obr. 8 Schémata derivačních obvodů.

AUTOMATIZACE

16

Obr. 9 Schéma derivačního regulátoru – přechodová charakteristika.

1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických

charakteristik při spojení bloků

DŮLEŽITÉ

Bloky mohou být vzájemně spojeny sériově, paralelně či zpětnovazebně. Pro získání

výsledné statické charakteristiky je nejvhodnějším řešením pouţití grafických konstrukcí.

Regulátor D se pouţívá pro zrychlení regulačních pochodů. Nelze jej samostatně pouţít.

Uţívá se ve spojení s regulátory typu P nebo PI. Nereaguje na regulační odchylku, ale jen

na změnu odchylky.

Jejich vlastnosti jsou součtem vlastností jednotlivých regulátoru. Do činnosti zasahují

nejprve derivační, pak proporcionální a na závěr integrační.

AUTOMATIZACE

17

Přechodové charakteristiky kombinovaných regulátorů

Typ regulátoru Označení Přechodová charakteristika

proporcionální P

integrační I

derivační D

proporcionálně-integrační PI

proporcionálně-derivační PD

proporcionálně-integračně-derivační PID

DŮLEŽITÉ

PI-regulátor

Paralelní spojení regulátoru P a I.

Pracuje bez lineární regulační odchylky hodnot.

Do regulace zásahu se zapojí nejprve proporcionální část, pak integrační.

AUTOMATIZACE

18

Obr. 11 Přechodová charakteristika PI regulátoru.

Obr. 12 Schéma PI regulátoru.

DŮLEŽITÉ

PD-regulátor

Vlastnosti jsou dány součtem vlastností regulátorů P a D. Do regulace nejprve zasáhne

derivační část regulátoru, pak proporcionální.

AUTOMATIZACE

19

1.3.5 ID-regulátor

Nepouţívá se.

1.3.6 PID-regulátor

DŮLEŽITÉ

Vlastnosti jsou dány součtem jednoduchých regulátorů. Do činnosti zasahují nejprve

derivační, pak proporcionální a na závěr integrační.

Odezva na jednotkový skok u PID regulátorů se blíţí ideálnímu stavu, tedy jednotkový

skok s tlumenými zákmity nízké amplitudy

Obr. 13 Blokové schéma PID regulátoru.

AUTOMATIZACE

20

Obr. 14 Schéma PID regulátoru.

AUTOMATIZACE

21

1.3.7 Kontrolní otázky

Jak nazýváme vstupní veličinu regulované soustavy?

Akční veličinou

Regulační obvod je?

Regulátor

4 řád regulátoru je dán?

Počtem kondenzátorů v obvodu

Vlastností spojitého regulátoru je?

Ţe výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní veličiny, která můţe nabývat libovolné

hodnoty od minima po maximum.

Jaký je signál na výstupu derivačního regulátoru nemění-li se vstupní signál?

Výstupní signál je nulový

PID regulátor je tvořen?

Paralelním spojením P,I a D regulátorů

Který z regulátorů je nejdokonalejší?

PID

Je nutný zásah člověka při automatické regulaci?

Ne.

AUTOMATIZACE

22

1.4 Motory

DŮLEŽITÉ

Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie

na mechanickou práci.

Většinou jde o točivý stroj, ale existují i netočivé elektromotory, např. lineární

elektromotor. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován

výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako

motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná jednoduchou

konstrukcí. Nejčastěji se pouţívají jako napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí

můţe být jednofázové nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.

1.4.1 Motory na střídavý proud

Jsou točivé elektrické stroje (elektromotory) pracující na střídavý proud. Tok energie

mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí

elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční.

Nejčastěji jsou napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí můţe být jednofázové

nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.

1.4.1.1 Rozdělení

Asynchronní motor

Základem činnosti třífázového asynchronního motoru je vytvoření točivého

magnetického pole, které vznikne průchodem střídavého trojfázového proudu vinutím

statoru. Toto magnetické pole indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud vyvolává sílu

otáčející rotorem (viz. příručka elektrické stroje).

Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece.

Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. Tím, ţe se

tyče rotoru (nebo vodiče vinutí rotoru) pohybují v magnetickém poli vytvářeném statorem,

se v rotoru indukuje elektrický proud.

V důsledku indukčního účinku se ve vinutí rotoru vytváří točivé pole a točivý moment.

Otáčky motoru přitom závisí na počtu pólových párů a frekvenci napájecího napětí. Směr

otáčení můţe být změněn prostřednictvím záměny dvou fázových svorek:

Kdyţ je motor alespoň minimálně zatíţen, v ustáleném stavu nedosáhne ideálních

otáček daných frekvencí napájecího proudu. Vzniká tzv. skluz (při jmenovitém zatíţení je

obvykle v řádu několika procent synchronní frekvence). V běţném provozním stavu motor

nedosahuje „synchronních“ otáček proto se nazývá asynchronní motor.

Vzhledem k jednoduché konstrukci, robustnosti a moţnosti bezjiskrového provedení je

tento druh motoru v praxi nejběţnější. Je vyuţíván v mnoha oblastech průmyslu, dopravy

i v domácnostech. Výkon asynchronních motorů se pohybuje od několika wattů aţ do

AUTOMATIZACE

23

mnoha set kilowattů. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná

jednoduchou konstrukcí.

Synchronní motor

Rotor stroje je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějţ je přiveden střídavý

proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaţí uchovat si svoji

konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vytvářenému průchodem střídavého

proudu ve statoru, drţí se v synchronismu aţ do kritického kroutícího momentu.

PŘÍKLAD

Pracovní oblast motorů řady SM (VUES Brno)

Průběh momentu a výkonu motoru je patrný z následujícího grafu. V rozsahu otáček 0 aţ

jmenovité otáčky (základní oblast) je oblast konstantního momentu. V rozsahu

jmenovitých otáček aţ nodb pracuje motor v odbuzeném stavu s konstantním výkonem.

Velikost otáček nent je závislá na velikosti motoru a nepřekračuje hodnotu 2× jmenovité

otáčky.

Graf 1 Výkonové a momentové charakteristiky.

Synchronní motory mají řadu nevýhod

Je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním

rozběhovým vinutím (především rozběh jako hvězda, samotný chod pak zapojen do

trojúhelníku). Pokud pod zátěţí ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne

jejich výkon a zastaví se. Proto jsou vyuţívány jen ve speciálních případech (např. pohon

gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváţeny poţadavkem na pravidelnost otáček

o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, ţe frekvence napájecí

AUTOMATIZACE

24

sítě je skutečně konstantní). V současné době se ovšem uplatňují i v pohonu dopravních

prostředků.

Synchronní motory s permanentními magnety ze vzácných zemin

Pokrok v technologii výroby strojů s permanentními magnety ze vzácných zemin, dává

reálnou moţnost uplatnění pohonů větších výkonů se synchronními motory buzenými

permanentními magnety v aplikacích, kde je poţadován vysoký moment od nulových

otáček. Další předností těchto pohonů je zvýšení účinnosti - pohony tak vykazují vyšší

uţitnou hodnotu a úsporu provozních nákladů.

Velmi významným parametrem je sníţení hmotnosti proti standardním motorům.

1.4.1.2 Způsoby spouštění a řízení rychlosti

Asynchronní rozběh

Kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se

rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko. Po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno.

Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se v táhne do

synchronismu.

Rozběh pomocným motorem

Pro rozběh se pouţije buď budič (stejnosměrný generátor, který je umístěn na hřídeli

motoru, nebo rozběhový asynchronní motor – pro velké výkony.

Řízený rozběh

Motor je napájen z měniče kmitočtu. Otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího

napětí. Pro regulované pohony se pouţívají přímé nebo nepřímé měniče kmitočtu.

1.4.2 Motory na stejnosměrný proud

Ve vnitřním magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje

magnetické pole, které je vţdy orientováno stejně jako vnější magnetické pole; toho je

dosaţeno díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaţdé, kdy dojde

k překlopení. Energie této soustavy bude niţší, pokud budou magnetická pole orientována

proti sobě. Proto působí na smyčku moment, který se ji snaţí překlopit. Po překlopení se

změní směr proudu protékajícího smyčkou, a toto pokračuje pak dále.

Existuje další moţné ekvivalentní vysvětlení. Proud protékající smyčkou se chová stejně

jako permanentní magnet, který se můţe otáčet. Díky komutátoru se navíc dvakrát

za otáčku změní jeho polarita. Pokud je komutátor nastavený tak, ţe se polarita magnetů

změní v okamţiku, kdy jsou si jejich opačné póly nejblíţe, tak budou na pohyblivý magnet

neustále působit síly, které ho budou nutit k pohybu, jelikoţ souhlasné póly magnetů

se odpuzují.

AUTOMATIZACE

25

Výhody

- Snadné řízení – změnou budícího napětí na rotoru.

- Lineární charakteristika závislosti otáček na budícím napětí na rotoru.

Nevýhody

- Komutátor – nutná údrţba kluzných kontaktů (uhlíkových kartáčů).

- Vzniká zde také jiskření, které v kombinaci s průmyslovým prachem můţe zapříčinit

výbuch.

- Konstrukčně náročné, rozměrné.

1.4.2.1 Rozdělení

Derivační elektromotor

Má elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně

závislé na zátěţi motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ

motoru vyuţívá především u strojů, kde jsou poţadovány relativně neměnné otáčky.

Sériový elektromotor

Místo permanentního magnetu se pro statory běţných větších motorů vyuţívá

elektromagnetu. Pokud je vinutí statoru (budicí vinutí) spojeno s vinutím rotoru do série,

mluvíme o sériovém elektromotoru. Tento typ elektromotoru má točivý moment nepřímo

úměrný otáčkám. To znamená, ţe stojící elektromotor má obrovský točivý moment.

Vyuţívá se proto především u dopravních strojů a v elektrické trakci (vlaky, metro,

tramvaje). Ve spojení s generátorem je schopen ideálně nahradit mechanickou převodovku.

Proto dostupnější sériový elektromotor (na rozdíl od střídavých) proto často nalezneme

také v levnějších přestavbách elektromobilů.

1.4.3 Lineární elektromotor

Jedná se o synchronní nebo asynchronní třífázové motory s rozloženým vinutím napájené

ze statického měniče kmitočtu a se zpětnovazebním polohovým čidlem, které umoţňují

přesný lineární pohyb a přenos síly při zachování vysoké dynamiky pohonu.

Lineární motor si můţeme představit jako klasický nebo asynchronní motor rozvinutý

do roviny viz. obrázek.

AUTOMATIZACE

26

Obr. 14 Schéma PID regulátoru.

Statorem je u lineárních motorů zpravidla označován primární díl a rotorem sekundární díl.

Primární část je tvořena jako u klasických strojů feromagnetickým svazkem sloţeným

z elektrotechnických plechů a trojfázového vinutí uloţeného v jeho dráţkách.

U synchronních motorů je proti primárnímu dílu konstrukčně spořádána sekundární část

tvořená permanentními magnety ze vzácných zemin (např. Nd-Fe-B), které jsou nalepeny

na ocelovou podloţku.

U asynchronní verze je sekundární díl tvořen klecí nakrátko uloţenou, buď do dráţek

feromagnetického svazku, nebo ocelovou podloţku poháněného zařízení.

Sekundární díl tvoří zpravidla delší část stroje. O tom, která část lineárního motoru se

bude pohybovat rozhoduje konstrukce poháněného zařízení. Ve většině konstrukcí se

pohybuje primární část po dráze tvořené libovolným počtem sekundárních dílů. Toto

uspořádání ovšem vyţaduje pohyblivý napájecí kabel, kabel snímače polohy a je-li pouţito

vodní chlazení, také pohyblivý přívod a odvod chladící kapaliny.

Základní princip lineárního motoru má řadu obměn.

Vzhledem k tomu, ţe statická (nepohyblivá) část stroje se nachází podél celé pojezdové

dráhy stroje, pořizovací náklady u velkých pohonů vybavených lineárními elektromotory,

například u speciálních drah v ţelezniční dopravě nebo v městské hromadné dopravě

(typicky v metru), bývají velmi vysoké. Mnohakilometrová trať je i náročnější na kontrolu

a údrţbu, neţ je tomu u běţných tratí, a provozní náklady celého zařízení mohou být také

velmi vysoké.

Využití

V přesných CNC obráběcích strojích (typicky brusy), kde jemný magnetický pohyb vítězí

nad mechanickými převody, jeţ trpí vůlemi.

AUTOMATIZACE

27

1.4.4 Krokové motory

Patří mezi moderní, laciné a spolehlivé pohony, které nacházejí stále širší uplatnění

v průmyslové automatizaci. Umožňují s vysokou přesností definovat polohu, rychlost

a časový průběh pohybu. Při současném řízení více motorů je moţné definovat přesnou

trajektorii ve dvou nebo i vícerozměrném prostoru. Krokovými motory lze ve velké většině

případů s úspěchem nahradit mnohem draţší servopohony.

DŮLEŽITÉ

Krokový motor je synchronní točivý stroj napájený impulsy stejnosměrného proudu.

Magnetické pole je generováno postupným napájením jednotlivých pólových dvojic.

Pohyb rotoru krokového motoru je při nízkých rychlostech nespojitý, rotor se pohybuje

mezi stabilními polohami vţdy v určitém úhlu – v krocích.

Počet kroků je dán počtem pólových dvojic. K pohybu tohoto motoru je vţdy třeba řídící

jednotka – ovladač krokového motoru. Vyznačují se proto velkou mechanickou odolností,

dlouhou dobou ţivota a provozem téměř bez údrţby. Nevýhodou krokových motorů je tzv.

ztráta kroku, která nastává při překročení mezního zatíţení a sklon k mechanickému

zakmitávání, které můţe vést k nestabilitě při pohybu. Obě tyto negativní vlastnosti lze

předem vyloučit volbou vhodného motoru a ovladače s přihlédnutím k momentovým

charakteristikám pohonu.

Funkce krokového motoru

Základní princip aktivního krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházející

cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru.

Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které

otáčí rotorem.

Podle poţadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného

odběru volíme některou z variant řízení. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je

omezena rychlost otáčení motoru, a to na několik stovek kroků za sekundu (závisí na typu

motoru a zatíţení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo při příliš velké zátěţi)

motory začínají ztrácet kroky.

1.4.4.1 Krokové motory s pasivním rotorem

Jsou označované jako reakční či reluktanční, protoţe rotor je opatřen výstupky (zuby),

takţe magnetický obvod motoru má po obvodu vzduchové mezery proměnnou

magnetickou vodivost. Na statoru je osm zubů (pólu). Na kaţdém zubu je navinuta cívka,

přičemţ dvojice protilehlých cívek jsou spojeny do série a tvoří vţdy jednu fázi (A, B, C,

D). Rotor má na povrchu šest zubů bez vinutí. Šířka statorových i rotorových zubů ve

vzduchové mezeře je stejná. Předpokládáme-li, ţe jeden pár pólů statoru je vybuzen, tj.

např. fáze A, přitáhne nejbliţší zuby rotoru tak, aby magnetický obvod měl minimální

magnetický odpor a motor byl v magnetické klidové poloze. V této situaci se symetricky

vlevo a vpravo od vybuzeného pólu nekryjí protilehlé páry rotorových zubů se statorovými

postupně o 1/4, 1/2, 3/4 zubové rozteče. Odpojením fáze A a nabuzení fáze B způsobí, ţe

výslednice magnetického pole se pootočí do osy statorových zubů fáze B a rotor se pootočí

tak, aby se nejbliţší zuby sesouhlasily se statorovým polem do polohy s minimálním

AUTOMATIZACE

28

magnetickým odporem, tj. o čtvrtinu zubové rozteče. Vybuzením cívek C a D se

analogicky rotor pootočí vţdy o další čtvrtinu rozteče, takţe po proběhnutí jednoho cyklu

se rotor pootočí o jednu zubovou rozteč.

1.4.4.2 Krokové motory s aktivním rotorem

Obsahují magneticky aktivní část, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, jehoţ póly

mohou být uspořádány dvojím způsobem. S radiálně polarizovaným permanentním

magnetem – stator je navinut dvoufázově (počet pólů musí být dělitelný čtyřmi) tak, ţe ve

vybuzeném stavu dané fáze se po obvodu střídají polarity. Rotor s permanentním

magnetem má proti statoru poloviční počet pólů. Buzení statoru dvěma napětími fázově

posunutými o 90° el. vyvolá pootočení rotoru o jednu rozteč statoru, přičemţ jeho polaritou

je jednoznačně definován smysl otáčení.

s axiálně polarizovaným permanentním magnetem

Metody řízení krokových motorů

a) Unipolární

- unipolární jednofázové řízení s plným krokem

- unipolární dvoufázové řízení s plným krokem

- unipolární řízení s polovičním krokem

b) Bipolární

- bipolární jednofázové řízení s plným krokem

- bipolární dvoufázové řízení s plným krokem

- bipolární řízení s polovičním krokem

1.4.4.3 Lineární krokové motory

Jsou určeny pro přesné polohování menších břemen. Jedná se o kompaktní lineárně

rozvinutý systém třífázového krokového motoru. Sestává se z pevného lineárního statoru,

nad kterým se pohybuje po tenkém vzduchovém polštáři běţec. Při pohybu běţce

nedochází k ţádným mechanickým ztrátám ani opotřebení a funkci neomezuje ani malé

znečištění povrchu. Motory tohoto typu se vyznačují poměrně vysokou účinností a dlouhou

ţivotností a jsou prakticky bezúdrţbové. Velkou výhodou ve srovnání s klasickými

polohovacími osami se šroubem nebo řemenem jsou celkově menší nároky na prostor,

zejména zástavbová délka.

Lineární krokový motor např. LINSTEP3-0621 – stator je tvořen 750 cm dlouhým

hranolem z nerezové oceli, ve kterém je vytvořena velmi přesná struktura zubů a mezer

vyplněných polymerem. Povrch statoru je zabroušen, takţe struktura zubů a mezer je

viditelná, ale nehmatatelná. Stator vytváří současně vedení lineární osy, a proto není nutné

ţádné další přídavné vedení.

V běţci jsou zabudovány tři fáze vinutí motoru. Běţec se pohybuje nad statorem na

stlačeném tenkém vzduchovém polštáři, jehoţ výška je 1,5 mm. Vzduch o tlaku 3,5 barů je

rozváděn systémem trysek po vnitřní ploše běţce a působí proti magnetické síle přitahující

AUTOMATIZACE

29

běţec ke statoru. Vypnutím přívodu vzduchu je motor zabrţděn. Běţec je magneticky

pevně přitaţen ke statoru a motor tedy nepotřebuje ţádnou přídavnou brzdu.

Výhoda principu krokového motoru, jak uţ bylo zmíněno, spočívá v tom, ţe není

potřeba mít v soustavě měřící systém polohy. Ani v tomto případě zde nenajdeme ţádné

zařízení, které by zjišťovalo polohu běţce. Lineární krokový motor dosahuje rozlišení

3,33 mm s opakovanou přesností nastavení polohy ± 2,0 mm.

AUTOMATIZACE

30

1.5 Pneumatické pohony

DŮLEŽITÉ

Vyznačují se jednoduchým a robustním provedením, čistotou provozu, vysokou provozní

spolehlivostí, velkými přestavnými silami (řádově aţ 104 N) a poměrně krátkými

přestavnými dobami. Jsou vhodné do provozů s agresivním prostředím i nebezpečím

poţáru či exploze.

Dělí se podle

Prvku převádějícího tlak na sílu nebo výchylku

• s membránou

• pístem

• vlnovcem

• speciální

Způsobu generování pohybu

• jednočinné

• dvojčinné

Dráhy výstupního prvku

• posuvné

• kyvné

• rotační

Signálu

• spojité (proporcionální)

• nespojité

1.5.1 Membránové pohony

Dělíme je na pohony pro proporcionální činnost a pro nespojitou činnost (dvoupolohové).

Membránové pohony pro proporcionální činnost se pouţívají především v oblasti spojité

regulace pro pohon regulačních orgánů. Vyrábí se ve velkých sériích a ve stavebnicovém

uspořádání. Jejich výhodou je dokonalá těsnost, nevýhodou je relativně malý zdvih.

1.5.2 Pístové pohony

jejich předností je moţný velký zdvih (řádově aţ metry), robustnost a spolehlivost

konstrukce, značné síly (desítky kN) nebo momenty (stovky Nm), malý zastavěný prostor

a relativně nízká cena. Nevýhodou je značné tření při pohybu, a moţná netěsnost. Pro

regulaci – musí být vybaveny korektorem, který umoţní přesné polohování.

AUTOMATIZACE

31

1.6 Hydraulické pohony Pouţívané pracovní tlaky dosahují řádově aţ desítky MPa.

Vţdy dvojčinné a chovají se jako astatické členy, tj. mají integrační charakter činnosti

(kvůli tlaku).

Jsou schopny generovat největší síly nebo momenty, při malých dobách přestavení

a současně při nejmenších moţných rozměrech i tíze pohonů, ve srovnání s jinými typy

pohonů.

Pouţívají se v mobilní technice – pozemní vozidle, lodě, letadla, atd. Pracují obvykle

s elektronickým zařízením.

Problémem hydraulických pohonů je jejich nečistý provoz a jsou problematické tam,

kde je nebezpečí poţáru.

Při pouţití pro spojitou regulaci průmyslových zařízení, tvoří vţdy jednu stavební

jednotku s čerpadlem, zásobní nádrţí oleje a rozvaděčem.

Výhody

Obvykle nepotřebují transformační blok.

Snadná realizace přímočarého pohybu.

Jednoduché řízení.

Velká tuhost.

Plynulý a rovnoměrný chod.

Velká účinnost.

Nevýhody

Potřeba samostatného energetického bloku.

Problém s realizací vyšších rychlostí.

Závislost viskozity média na teplotě.

Ekologie.

1.6.1 Rozdělení hydromotorů

Přímočaré hydromotory

jednočinné, dvojčinné

jednostranné, oboustranné

jednostupňové, vícestupňové

Rotační hydromotory

zubové

pístové –axiální, radiální

Kývavé

1.6.2 Kontrolní otázky

KONTROLNÍ OTÁZKY

Co je elektromotor?

Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie

na mechanickou práci.

AUTOMATIZACE

32

1.7 Řízení procesů

1.7.1 Základní pojmy řízení

DŮLEŽITÉ

Řízení je působení řídícího členu na člen řízený. Můţe to být více či méně sloţité

zařízení, ve kterém se snaţíme dosáhnout předem stanoveného stavu.

Teorie řízení je naukou o řízení a popisu systémů. Základní dělení je na klasickou teorii

řízení a na moderní teorii řízení. Toto dělení má spíše pedagogický význam a v současné

době se pouţívají jak metody z klasické, tak moderní teorie.

Klasická teorie řízení

Teorie řízení, jejíţ formální rozvoj začal ke konci 19. století. Je zaloţena na vnějším popisu

systémů. Základními pojmy tu jsou: přenos systému, frekvenční charakteristika, impulsní

charakteristika, přechodová charakteristika, diferenciální rovnice.

Moderní teorie řízení

Vizualizace procesů – vizualizací se rozumí zobrazování skutečnosti, jejíţ výsledky jsou

znázorněny prostřednictvím vnímání zrakových receptorů. Vizualizace úzce souvisí

s uplatňováním zásady názornosti. S vizualizací se setkáváme v mnoha oblastech,

ve stavebnictví, technice, strojírenství, geografii atd. Je při tom vyuţíváno moderních

metod počítačového modelování.

Vizualizace v našem pojetí především znamená vizualizace výrobních procesů

pro efektivní řízení objemů výroby společnosti. Hlavním předpokladem pro efektivní řízení

je především znalost informací v reálném čase, a to hlavně informací o aktuálním stavu

výroby, ovšem téţ i o plánu, a to pro všechny výrobní sloţky.

Rozdělení řízení podle způsobu řízení:

a) řízení ovládáním

b) řízení regulací

c) řízení kybernetickým zařízením

Rozdělení řízení podle funkce:

ruční

samočinné (automatické) – veškerá činnost je prováděna bez zásahu člověka.

AUTOMATIZACE

33

1.7.2 Ruční řízení

Některým z členů ovládacího nebo regulačního systému je člověk. To znamená,

ţe při jakékoliv změně je nutný zásah člověka, většinou na tom místě, kde se nachází řídící

prvek.

Rozdělení:

a) ovládání je řízení bez zpětné vazby

b) regulace je udrţování velikosti některé fyzikální veličiny na poţadované hodnotě

pomocí zpětné vazby.

1.7.3 Relé a stykače

ZAPAMATUJ SI

Relé a stykače jsou elektromagneticky ovládané spínače, určené k dálkovému nebo

automatizovanému vypínání a zapínání elektrických obvodů.

Mají čtyři hlavní částí

Cívka – vinutí na kostřičce z nevodivého a nemagnetického materiálu. V provedení:

kulatá nebo hranatá.

Magnetické jádro – magneticky měkký materiál, tj. materiál, který nezůstane

zmagnetizovaný. Pro relé na stejnosměrné napětí jsou cívka a jádro, (které spolu tvoří

elektromagnet), zhotoveny z normálního kulatého ţelezného materiálu. Pro střídavé

napětí mají obdélníkový nebo čtvercový průřez. Jádro je poskládáno

z transformátorových plechů se závitem nakrátko.

Kotva – mechanické zařízení, které přitaţením k elektromagnetu spíná nebo přepíná

kontakty.

Kontakty – relé můţe mít jeden spínací, rozpínací nebo přepínací kontakt, můţe

o se skládat také z několika přepínacích párů. Kontakty jsou všechny stejné, na

stejné napětí a proud.

Stykač je relé, které je jinak mechanicky provedeno. Je určeno pro spínání velkých proudů,

nízkého a vysokého napětí. Je jinak mechanicky přizpůsobeno. Má hlavní kontakty pro

spínání velkých proudů, které jsou ve zhášecích komorách. Pomocné kontakty jsou menší

a slouţí k ovládání buď vlastního stykače nebo dalších zařízení.

AUTOMATIZACE

34

1.7.4 Programovatelná relé

Programovatelná relé nebo řídící relé jsou vlastně taková velmi jednoduchá PLC, vhodná

pro ty nejjednodušší automatizované aplikace. Někdy se také stále označují jako PLC,

protoţe hranice mezi těmito dvěma označeními není nijak přesně daná. Jak jiţ samotné

označení „programovatelné relé“ naznačuje, jde o zařízení nabízející binární vstupy

a spínané tranzistorové či reléové výstupy. Ty jsou napojeny na vnitřní elektroniku obvykle

tvořenou nějakým moderním vícevývodovým mikrokontrolérem výrobců ATMEL, NEC,

Freescale apod. V něm pak běţí výrobcem uloţený firmware a uţivatelem z PC nahraný

program, který se ve smyčce neustále dokola opakuje a určuje, jaká bude reakce řídícího

relé na vstupy a co to následně provede s výstupy.

Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek

umístěných na těle „krabičky“. Ta jsou vţdy jiţ ovládaná firmwarem, ale lze jim obvykle

přiřadit funkce i v uţivatelském programu. Tak lze například vytvořit jednoduché HMI

rozhraní v uţivatelském programu.

Tlačítka i displej slouţí k zobrazování a nastavení některých výrobcem určených

stavových informací a času.

Základní modul je moţné rozšířit o další tzv. rozšiřující moduly dalších vstupů

a výstupů. Spínací úroveň vstupů je dána hodnotou napájecího napětí. Tzn. pokud je

napájení 24 V DC, vstupy rozlišují 0 V a 24 V, pokud 230 V AC, opět vstupy rozliší jen

stavy 0 a 230 V.

Z pohledu provedení pouzdra jde u všech výrobců o téměř shodná řešení tvořená

plastovou rozebíratelnou krabičkou s upínacím mechanismem na 35 mm DIN lištu.

Programovatelná relé jsou schopna řešit kombinační a sekvenční úlohy. Programování

lze provádět přímo přes displej a tlačítka přímo na přístroji, nebo komfortněji počítačem

pomocí programu.

Vlastní programování se provádí buď pomocí tzv. spínacího schématu, které lze

přirovnat k elektrickému obvodu. Zobrazení vodivých drah v provozu nebo v testovacím

reţimu ukazuje, kudy teče proud. Uvedení do provozu se tak usnadňuje a urychluje.

Programování je moţné téţ pomocí logických funkcí a funkčních bloků.

1.7.4.1 Rozdělení dle výrobce

Omron – Z 20C

Obsahuje 12 vstupů a 8 výstupů (reléových nebo tranzistorových) v jediném modulu.

Modul 20 I/O je dodáván s displejem LCD, ovládacími a programovacími tlačítky,

kalendářem a hodinami, se stavovými indikátory LED.

ZEN-20C1/C2, rozšiřitelné aţ na 44 I/O

DC jednotky ZEN mají analogový vstup 0–10 V DC

DC modely mají také 150 Hz vysokorychlostní čítač.

Je moţné rozšíření o reléové nebo tranzistorové výstupy.

AUTOMATIZACE

35

Moeller – řídicí relé EASY700

Má 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U variant DA, DC a AB jsou

k dispozici čtyři analogové vstupy. Pro čítaní impulsů jsou k dispozici čtyři rychlé vstupy

do 1 kHz. Pro zadávání kontaktních schémat nabízí EASY řady 700 tři kontakty a jednu

cívku v sérii v jedné linii a maximálně 128 linií. Na vestavěném displeji lze zobrazit

maximálně 16 libovolných textů vţdy se 48 znaky. V případě potřeby můţete nechat na

displeji zobrazit také v kaţdém textu dvě proměnné. Tyto přístroje lze navíc rozšířit o další

vstupy a výstupy nebo pomocí komunikačních modulů připojit na vyšší komunikační

sběrnice. Komunikuje v češtině.

Řídicí relé EASY800

Obsahuje 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U všech variant DC jsou

k dispozici čtyři analogové vstupy a případně jeden analogový výstup. V kontaktním

schématu lze propojit aţ čtyři kontakty a jednu cívku v sérii v jedné linii, celkem aţ v 256

liniích. Na podsvíceném displeji lze zobrazit aţ 32 libovolných textů (po 64 znacích).

Zobrazovány jsou ţádané hodnoty, datum, čas a skutečné hodnoty. Zadávání ţádaných

hodnot na textovém displeji je velmi jednoduché. Komunikuje v češtině.

Siemens – základní jednotka LOGO! 0BA6

Má 38/43 integrovaných funkcí s hodinami reálného času, velikost programu 200 / 400

funkčních bloků, 8 digitálních vstupů a 4 digitální výstupy (verze 12/24 RC 4 AI). Je

moţné rozšířeni aţ na 24 DI, 16 DO, 8 AI a 2 AO. Umoţňuje zobrazení procesních

proměnných na displeji a jejich editace pomocí tlačítek. Zajišťuje zálohu dat v případě

výpadku napájení. Software LOGO! Soft Comfort.

Siemens LOGO!0BA7

Největší rozdíly mezi novou a staršími verzemi tvoří komunikační moţnosti.

Umoţňuje komunikaci s dalšími základními jednotkami LOGO!.

Rozšíření počtu I/O pro základní jednotku – jedno LOGO! obsahuje program a ostatní

základní jednotky LOGO! mu poskytují pouze svoje vstupy a výstupy (maximálně

propojeno 8 LOGO! 0BA7). Maximální počet I/O je následující: 88 DI, 80 DQ, 40 AI

a 18 AQ.

Rozšíření paměti programu – kaţdé LOGO! Obsahuje svůj vlastní program a mezi

sebou si vyměňují pouze určitá data. Maximálně lze propojit 8 x LOGO! 0BA7.

Umoţňuje komunikaci s vyšší řadou programovacích kontrolérů SIMATIC S7,

vizualizačními panely SIMATIC HMI či OPC serverem.

Obsahuje celou řadu nových funkcí, které programátorovi zjednoduší práci. Mezi nové

funkce patří například bloky pro zjištění maximální a minimální hodnoty v určitém

časovém intervalu, stopky pro měření doby trvání libovolného procesu či astronomické

hodiny. K ukládání procesních dat lze pouţít funkci Datového záznamu.

Je zajištěna plná kompatibilita základních jednotek se stávajícími rozšiřujícími moduly.

Tato skutečnost značně zjednodušuje přechod ze starších verzí na nové. Kompatibilita

však není pouze hardwarová, ale do nové základní jednotky LOGO! 0BA7 je moţné

beze změny nahrát projekt z jakékoliv starší verze LOGO.

AUTOMATIZACE

36

Lovato Electric – Kinco

Napájecí napětí: 24 V DC nebo 100 aţ 240 V AC

10, 12 a 20 vstupů/výstupů na základních jednotkách, expanzní modely obsahují

4 vstupy/výstupy, jeho maximální konfigurace je 44 vstupů/výstupů.

Tepelný proud reléových výstupů je Ith 8 A pro verzi AC i DC.

Transistorové výstupy mají hodnotu 0,3 A, 24 V DC.

Jsou k dispozici analogové vstupy 0 aţ 10 V DC, standardně hodiny s reálným časem

(RTC), sériový port RS-232 pro připojení počítače nebo zálohovací baterie programu,

čtyřřádkový 12 znakový displej s podsvícením, programovací jazyk: liniové schéma

(max. 200 řad) nebo funkční bloky (max. 99 bloků).

1.7.5 PLC systémy

Programovatelný logický automat – PLC je malý průmyslový počítač pouţívaný pro

automatizaci procesů v reálném čase – např. pro řízení strojů nebo výrobních linek

v továrně.

Pro PLC je charakteristické, ţe program se vykonává v tzv. cyklech.

PLC automaty jsou odlišné od běţných počítačů nejen tím, ţe zpracovávají program

cyklicky, ale i tím, ţe jejich periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení

na technologické procesy.

Převáţnou část periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy

(DO).

Pro další zpracování signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy

(AI) a analogové výstupy (AO) pro zpracování spojitých signálů.

S rozvojem automatizace v průmyslu jsou pouţívány i další moduly periferních

jednotek připojitelných k PLC, které jsou nazývány funkčními moduly (FM), např. pro

polohování, komunikačními procesory (CP) pro sběr a přenos dat a další specifické

moduly.

Rozdělení

Kompaktní systém – je takový systém, který v jednom modulu obsahuje CPU (Central

Procesor Unit), digitální a analogové vstupy/výstupy a základní podporu komunikace,

v některých případech i zdroj. Rozšiřitelnost kompaktních systémů je omezena.

Modulární systém – je takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do

modulů. Celý systém PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů,

funkčních modulů. Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity

výstavby systému), a to v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.

AUTOMATIZACE

37

1.7.6 Mikrokontroléry

S elektronikou se dnes setkáváme na kaţdém kroku. Díky pokročilé integraci není nutné

pro kaţdou aplikaci vyvíjet vlastní zařízení, ale je výhodné z důvodů časových i finančních

pouţít to, co je k dispozici na trhu. Seznámíme se se základními principy činnosti

mikroprocesorů a ukáţeme si, jaké jsou jejich základní vlastnosti.

Terminologie není jednoznačná. Můţeme se setkat s pojmy jednočipové mikropočítače,

mikrokontroléry, mikrořadiče. Všechny tyto pojmy zahrnují elektronické součástky určené

pro realizaci zařízení s minimálními nároky na zastavěný prostor, spotřebu elektrické

energie a pouţití dalších součástek a obvodů. V ideálním případě vystačíme pouze

s několika pasivními součástkami.

Výrobou mikrokontrolérů se dnes zabývá celá řada renomovaných výrobců. Zmíníme

pouze ty nejvýznamnější, jako jsou firmy ATMEL, MICROCHIP, HITACHI, INTEL atd.

1.7.6.1 Rozdělení

Pokud jde o vnitřní uspořádání, jedná se o Harvardskou architekturu s redukovanou

instrukční sadou RISC. Harvardská architektura pouţívá oddělenou sběrnici pro paměť

programu. Další sběrnice je společná pro paměť dat a další části mikrokontroléru –

vstupně/výstupní porty, časovače, A/D a D/A převodníky, apod. Toto řešení umoţňuje

překrývání činností uvnitř mikrokontroléru. V jednom okamţiku probíhá dokončení jedné

instrukce, které vyţaduje komunikaci po sběrnici dat a současně uţ můţe probíhat čtení

následující instrukce z paměti programu. Podle konkrétního pouţití můţeme volit 8 bitové

aţ 32 bitové řešení.

Mikrokontrolér PIC16F84A

Mikrokontrolér PIC16F84A od firmy Microchip patří k těm nejjednodušším. Má 8 bitovou

datovou sběrnici, dva porty a pouţívá sadu 35 jednoduchých instrukcí. Přesto vyhovuje ve

spoustě aplikací.

Obr. 16 Blokové schéma PIC16F84A [1]

AUTOMATIZACE

38

Obr. 17 Blokové schéma V850/ME2 [2]

Mikrokontrolér V850/ME2

Mikrokontrolér V850/ME2 od firmy Hitachi naopak patří k těm nejvýkonnějším

na současném trhu. Vnitřní architektura je 32 bitová a obsahuje bloky pro sériovou

komunikaci, A/D převodník, obvody pro pulsně-šířkovou modulaci pro řízení motorů,

interní čítače/časovače atd.

AUTOMATIZACE

39

1.7.6.2 Příklady realizací určených pro tzv. embedded systémy

Kit AT90USB

Kit AT90USB od firmy Atmel má konektor pro programovací rozhraní JTAG a můţe

komunikovat s počítačem přes standartní USB rozhraní. Je rozšiřitelný o 6 portů, na

obrázku je porovnána jeho velikost s krabičkou zápalek.

Obr. 18 Kit AT90USB [3]

Raspberry Pi

Raspberry Pi je jednodeskový počítač o velikosti zhruba platební karty. Vyvíjí ho britská

nadace Raspberry Pi Foundantion s cílem podpořit výuku informatiky ve školách. Je řízen

procesorem ARM pracujícím na kmitočtu 700 MHz. Vyrábí se ve dvou verzích, s 256 MB

nebo 512 MB RWM. Nemá ţádné rozhraní pro připojení harddisku nebo SSD. Pro

nastartování systému a trvalé uchování dat je určen slot na SD kartu. Pro Raspberry Pi

vzniklo několik neoficiálních rozšiřujících desek, které umoţňují například komunikaci po

RS232, řízení DC motoru, A/D a D/A převodník, výstupy s otevřeným kolektorem atd.

Samotný výrobce nabízí k počítači jako operační systémy ARM verze linuxových

distribucí Debian a Arch. Jeho výhodou, kromě malých rozměrů, je minimální spotřeba,

cca 3,5 W, a proto je ideálním řešením pro nonstop běţící aplikace, jako je např. hostování

webových stránek, provozování datových úloţišť, virtuálních sítí apod. Také zvládne

přehrát video ve vysokém rozlišení.

AUTOMATIZACE

40

Obr. 19 Raspberry Pi [4]

Arduino

Arduino je platforma zaloţená na mikrokontroleru ATMega od firmy Atmel a grafickém

vývojovém prostředí. Arduino můţe být pouţito k vytváření samostatných interaktivních

zapojení nebo můţe být připojeno k software na počítači. Jeho cílem bylo vytvořit

jednoduchou prototypovací platformu pro studenty, která umoţní rychlý vývoj

a jednoduché pouţívání. Pro své univerzální uplatnění je Arduino vyhledáváno především

domácími kutily. Moţnosti jeho vyuţití jsou rozsáhlé. V České republice se začíná

postupně rozšiřovat. Existuje několik elektronických obchodů, které dováţí jiţ hotovou

desku, a vznikají i weby a články věnované právě Arduinu.

Obr. 20 Arduino [5]

AUTOMATIZACE

41

1.7.6.3 Praktické příklady použití mikrokontrolérů

Zabezpečení budov – je to rozsáhlá problematika zahrnující prostorová čidla pohybu,

čidla rozbití oken nebo výloh, kouřová čidla, v některých případech čidla venkovních

ţaluzií, GSM bránu, venkovní sirénu atd.

Zabezpečovací zařízení

Základní funkce zabezpečovacího zařízení (ústředny) jsou:

Odesílá informační SMS.

Zavolá na nastavená čísla a přehraje akustické upozornění.

Komunikuje s pultem centrální ochrany (PCO).

Umoţňuje dálkový přístup z klávesnice telefonu.

Obr. 21 Klávesnice zabezpečovacího zařízení [6]

AUTOMATIZACE

42

Programátor topení

Programovatelné termostaty se skládají ze dvou částí – vysílače, který bývá umístěn

v referenční místnosti, např. obývacím pokoji, a přijímače, který je v blízkosti ovládaného

zdroje tepla, nejčastěji teplovodního kotle. Výhodou je bezdrátový přenos v pásmu

433 MHz.

Obr. 22 Programátor topení [7]

AUTOMATIZACE

43

1.7.7 Kontrolní otázky

K čemu slouží stykač?

Ke spínání proudu a napětí.

V jakém regulačním systému je nutný zásah člověka?

Při ručním řízení.

Můžou programovatelná relé Siemens LOGO!0BA7 komunikovat mezi sebou

Ano

Na jakých kmitočtech pracuje programovatelný bezdrátový termostat?

433 Mhz

Co je Modulární systém?

Takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů. Celý systém

PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů, funkčních modulů.

Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity výstavby systému), a to

v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.

AUTOMATIZACE

44

2 Příklady regulace

a automatizace z praxe

Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes

běţným vybavením domácností. Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků.

Během jedné vsázky se několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá

proces namáčení, ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se

podle programu přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu.

Teplota bývá nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé

etapy praní.

Druhým příkladem je rodinný dům. Člověk je od přírody velmi líný, a tak si často

pokládá otázku. Co vše můţu udělat pro to, abych nemusel nic dělat, nebo jen s nejmenším

úsilím? Proto si i my poloţíme otázku: Co vše můţeme v rodinném domě řídit, regulovat

a automatizovat? Je toho hodně, vše záleţí na účelnosti, ekonomičnosti, pohodlnosti

a finanční dostupnosti. Podle toho se rozhodneme, jaké stupně pouţijeme.

2.1 Automatická pračka Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes

běţným vybavením domácností.

Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků. Během jedné vsázky se

několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá proces namáčení,

ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se podle programu

přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu. Teplota bývá

nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé etapy praní.

Prací program

Je řízen programátorem pomocí různých typů regulátorů a snímačů. Program můţe být

řízen malým motorkem poháněným mechanickým vačkovým válcem s příslušnými

kontakty nebo elektronicky mikroprocesorem. Programátor nám určuje, kdy má který

proces nastat a co má sepnout.

Mechanický programátor

Programátor si představme jako řadu spínačů, které jsou ovládány pomocí vaček a kulis.

Kulisy jsou umístěny na motorku, který je zpřevodovaný a velmi pomalu otáčí vačkami

a knoflíkem. Pomocí poměrně sloţitého systému spínačů jsou ovládány přímo elektrické

části pračky (topné těleso, čerpadlo, motor, atd.).

Elektronický programátor

Pro jednodušší a spolehlivější spínání elektrických částí pračky se začalo pouţívat

elektronického spínání a řízení. Řízení elektronických spínačů je prováděno elektrickými

AUTOMATIZACE

45

signály, coţ umoţňuje připojit další elektroniku, která můţe vyhodnocovat výsledky praní

a podle jejich vyhodnocení řídit spínání elektrických částí pračky. Tím se zjednodušil

programátor, který jiţ nemusí řídit všechny činnosti pračky, ale musí zajistit nastavení

programu uţivatelem a podle toho řídí elektronickou část ovládání pračky. Kontakty

programátoru jiţ nejsou namáhány proudem elektrických částí a jejich počet se sníţil.

Elektronika zajišťuje funkce, které by byly pomocí řízení mechanickým programátorem

nerealizovatelné. Také můţe dávat uţivateli na vědomí, co pračka právě dělá, jaké se

vyskytly chyby a další údaje. I tento volič programů má často podobu otočného knoflíku,

aby se zachovala kontinuita ve způsobu ovládání.

Obr. 23 Programátor topení.

Je moţné volit několik úrovní hladiny vodní lázně v pracím prostoru. Úroveň hladiny je

kontrolována tlakovým snímačem hladiny (presostavem), tlakový spínač je spojen s vanou

pračky trubicí s oddělovací vzduchovou tlakovou komorou. Stoupne-li hladina lázně,

vzroste i tlak ve snímači hladiny a příslušný kontakt se rozpojí.

Tlakový spínač

Je vyuţit i jako ochrana před zapnutím topení, jestliţe ve vaně není dostatečné mnoţství

vody. Všechny tyto informace se zároveň zpracovávají v mikroprocesoru, který celý

program řídí. Řídí se i přívod vody v závislosti na elektrické vodivosti vodní lázně, která se

měří pomocí tyčové norné elektrody. Se zvyšující se hladinou vody ve vaně klesá

elektrický odpor mezi nádobou a elektrodou. Tím se mění potenciál v můstkovém obvodu

tranzistorů v elektronickém obvodu pro řízení hladiny (obr. 22). V ţádané úrovni vypne

spínací relé elektromagnetický ventil pro napouštění vody a zapne časování dalšího

postupného programu.

AUTOMATIZACE

46

Obr. 24 Tlakový spínač.

Automatické vážení prádla

Další funkcí můţe být automatické váţení prádla, které umoţňuje napouštět vodu podle

mnoţství prádla. Pracuje na principu nasákavosti prádla. Pračka napouští nejniţší hladinu

vody a k ní připouští vodu, která se nasákne do prádla. Díky přesnému presostatu je tak

výsledné mnoţství vody skutečně závislé na mnoţství prádla a jeho nasákavosti.

Elektromagnetické ventily

Přívod vody je řízen dvěma ventily a usměrňován ve volném prostoru rozdělovače do tří

vstřikovacích komor, které jsou dalším potrubím spojeny s pracím prostorem. Tři

napouštěcí cesty tak odlišují hlavní přívod vody od přívodu pro předepírání a od přívodu

vody se změkčovacími prostředky. Spotřebu vody podstatně ovlivňuje přidávání

změkčovacích prostředků. Vypouštění vody z pračky zajišťuje samostatné vypouštěcí

čerpadlo s předřazeným sítovým filtrem.

AUTOMATIZACE

47

Obr. 25 Elektromagnetické ventily.

Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky

Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky je na následujícím obrázku.

Vytápění lázně je řízeno kapilárním termostatem, bimetalovým spínačem nebo

elektronickým regulačním členem. Pračky bez nastavitelného termostatu mají určenu

teplotu prací lázně podle nastaveného programu. Nastavitelný termostat přináší moţnost

sníţit prací teplotu i u programů, které by jinak probíhaly při zbytečně vysokých teplotách

a tím ušetřit elektrickou energii. Pokud na termostatu nastavíme teplotu vyšší, neţ

umoţňuje program, bude nastavení termostatu ignorováno.

AUTOMATIZACE

48

Obr. 26

Zjednodušené schéma pračky

PBC – deska plošného spoje

FA – odrušovač

Switch – vypínač

M – motor

MR – dveřní zámek

NTC – teplotní čidlo

EVP, EVF – přívodní ventil

P – tlakový spínač

R – topné těleso

B1 – vypouštěcí čerpadlo

AUTOMATIZACE

49

2.2 Inteligentní dům

DŮLEŽITÉ

Inteligentní dům je takový dům, jehoţ řídící systém sjednocuje všechny inteligentní

technologie a je zaloţen na jednotné síťové infrastruktuře a systému řízení. Takový dům

je vybaven počítačovými a komunikačními jednotkami, které na základě vyhodnocení

situace ovládají funkce domu podle předdefinovaných potřeb obyvatel.

Centrální počítač Inteligentního domu dokáže ovládat mnoho funkcí

Multimediální domácí zábava.

Připojení k internetu.

Osvětlení.

Elektronická ostraha objektu s kamerovým a poplašným systémem.

Zabezpečení domu při poţáru, úniku plynu, zaplavení.

Řízená správa energií přinášející energetické úspory aţ 40% (koordinované ovládání

vzduchotechniky, vytápění, klimatizace, chlazení, větrání, zastínění, ohřev vod.

Ovládání domácích elektrických spotřebičů (například spouštění určitých spotřebičů

podle předem nastaveného načasování).

Kontrola stavu a mnoţství potravin v lednici, objednávka chybějících potravin.

Zavlaţování zahrady.

Identifikace a odstraňování jednotlivých poruch

Prostřednictvím telefonu nebo internetu je moţné mít přehled o všem, co se v domě

děje, i tisíce kilometrů od domu a zároveň všechna zařízení ovládat např. přes plochu

monitoru prostoru.

Systém je natolik inteligentní, ţe dokáţe rozpoznat venkovní povětrnostní podmínky.

Dokáţe vyhodnotit situaci a podle toho nejvhodnější formou přizpůsobit „chování“

domu tak, aby vyuţití energie bylo co nejefektivnější a nedocházelo ke zbytečným

výkyvům a energetickým ztrátám.

2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů

ZAPAMATUJ SI

Regulace kamen, krbů a kotlů na tuhá paliva je problematická. Výkon můţeme

regulovat pouze omezením přístupu vzduchu, a tím omezíme hoření. Omezením přístupu

vzduchu sníţíme také účinnost.

Automatická regulace hoření pro teplovzdušné krby a kamna je automatické nastavení

spalovacího procesu tím, ţe řídí tok vzduchu k ohništi krbu. Díky moţnosti řídit proudění

vzduchu do ohniště, šetří palivo. Na základě informací o průběhu kontroly hoření řídí

vzduchovou klapku a udrţuje tak poţadovanou teplotu spalování. Tím se prodluţuje doba

mezi přikládáním paliva do krbu.

AUTOMATIZACE

50

Obr. 27 Kotel s vzduchovou klapkou.

Obr. 28 Vzduchová klapka.

Automatizace malých kotlů je prakticky moţná jen u kotlů na peletky, kde dopravníkem ze

zásobníku dopravujeme peletky do kotle. Mnoţstvím můţeme částečně regulovat i výkon

kotle.

Regulace kotlů na plyn a tekutá paliva je možná v širokém rozsahu.

Automatizace kotlů na plyn a tekutá paliva je moţná v širokém rozsahu. Kotle na plyn

a tekutá paliva vyţadují pouze uvedení do provozu, kontrolu a údrţbu. Nepotřebují zásah

člověka. Pouze u propan – butanu nebo u tekutých paliv vyţadují doplňování zásobníků.

Pro nejjednodušší a nejlepší regulaci se hodí elektrické přímotopy. Mají nejjednodušší

instalaci. Regulovat se dá teplota v kaţdé místnosti samostatně.

Nevýhoda je, ţe se jedná o nejdraţší typ vytápění.

2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD

Regulační kohouty

Starší soustavy obsahující pouze regulační kohouty škrtí průtok otopného média do

otopného tělesa. Regulační kohouty ovšem automaticky neregulují vytápění v daném

prostoru. Vyvinuté teplo je, i v případě přetopení prostoru, neustále vydávané z otopného

tělesa. Uţivatel musí ventil ručně přivřít. Kdyţ je v daném prostoru teplota niţší, uţivatel

opět musí ventil pootevřít, aby se teplo vydávané zdrojem vytápění prostřednictvím

otopného tělesa dostalo do prostoru. Tímto způsobem nelze zajistit ani rovnoměrné, ani

hospodárné vytápění.

Termostatické ventily

Udrţují teplotu vzduchu v místnosti na zvolené hodnotě nastavené na hlavici uţivatelem

bytu bez nutnosti uţivatele věnovat topení pozornost. Jak termostatické ventily vlastně

fungují? Tělesa termostatických ventilů se skládají z těla ventilu a vloţky (obsahující

kuţelku) termostatického ventilu. Vloţka termostatického ventilu je umístěna uvnitř těla

AUTOMATIZACE

51

ventilu. Skrze těleso termostatického ventilu protéká otopné médium. To, kolik protéká

otopného média termostatickým ventilem, určuje zdvih kuţelky termostatického ventilu.

Tento zdvih je řízen pomocí termostatické hlavice.

Termostatické hlavice

Pracují na principu tepelné dilatace kapaliny, plynu, nebo pevné látky. Vlivem zvyšující se

teploty prostředí okolo termostatické hlavice dochází k roztahování teplotně citlivé látky.

Teplotně citlivá látka je obsaţena v řídicím snímači, který je zabudován v termostatické

hlavici. Roztahování teplotně citlivé látky působí na vřeteno kuţelky termostatického

ventilu, a tím dochází k uzavírání či otevírání průtoku média. Nastavení poţadované

teploty, otočením termostatické hlavice na odpovídající hodnotu, provádí uţivatel. Další

regulace prostorové teploty je pak prováděna automaticky bez ohledu na přítomnost

uţivatele v bytě. Podle potřeby přivírá nebo otevírá přívod teplonosného média do

otopného tělesa.

Nevýhodou je pevně daná teplota, nezávislá na čase. Pokud odcházíme z domu

a ztlumíme topení, vrátíme se do chladného prostředí.

Obr. 29 Řez termostatickým ventilem.

Obr. 30 Ventil bez kuželky.

Obr. 31 Rozložený kompletní ventil s termostatickou hlavicí.

AUTOMATIZACE

52

Termostaty

Jejich pomocí můţeme ovládat zapínání a vypínání elektrických i plynových kotlů,

přímotopných panelů, troj a čtyřcestné ventily, čerpadla kotlů, či ventily pro jednotlivé

tepelné okruhy.

Pokojové termostaty

Slouţí k jednoduché a spolehlivé regulaci teploty v místnosti.

Mechanické – jejich hlavní výhodou je jednoduchá obsluha a provoz bez nároku

na napájení. Velké kolečko s jasnou stupnicí umoţňuje jednoduché nastavení teploty.

Elektronické termostaty - zobrazují teplotu na LCD displeji a můţou být napájené

ze sítě, nebo pomocí baterií.

Obr. 32 Různé druhy mechanických termostatů.

Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním programem mají přehledný displej.

Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu

nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých teplot

během dne.

Obr. 33 Různé druhy pokojových programovatelných termostatů.

AUTOMATIZACE

53

2.2.3 Ventily zónové a směšovací

Téměř kaţdý moderní systém vytápění s více zdroji energie a více otopnými okruhy

se neobejde bez zónových a směšovacích ventilů, které umoţňují komfortní a bezobsluţné

vytápění s důrazem na maximální úspory energií.

Obr. 34 Ovládání všech otopných okruhů.

Zónové ventily

Slouţí k řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo

chladicích systémů, rozvodů vody apod.). Rozdělují se na dvoucestné a třícestné.

Dvoucestné mají za úkol pouze zavírat nebo otevírat jednotlivé hydraulické okruhy,

třícestné se někdy také označují jako „hydraulické výhybky“, coţ přesně popisuje jejich

činnost – z jednoho společného vstupu směřují průtok do jednoho z dalších dvou výstupů

podle toho, zda jsou sepnuty nebo vypnuty. Zónové ventily se dále dělí podle pouţití,

maximálních a uzavíracích tlaků, teplot a typů kapalin, typů elektrických pohonů

a bezpečnostních funkcí.

AUTOMATIZACE

54

Obr. 35 Různé druhy elektricky ovládaných ventilů.

Směšovací ventily

Slouţí ke směšování dvou kapalin o různé teplotě v takovém poměru, aby byla z ventilu

docílena konkrétní poţadovaná výstupní teplota. Rozdělují se na třícestné a čtyřcestné.

Třícestné ventily směšují ze dvou přívodů do jednoho výstupu, směšováním tedy sniţují

nebo zvyšují průtok v jednotlivých přívodech. Typické pouţití těchto ventilů je pro

směšování otopné vody do otopných okruhů (podlahové, stěnové vytápění, otopná tělesa),

nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva pro zamezení nízkoteplotní koroze.

Tam, kde je nutné zajistit konstantní neškrcený průtok i na přívodu do směšovacího

ventilu, je nutné pouţít čtyřcestný směšovací ventil, který zajišťuje směšování

na poţadovanou teplotu při zachování průtoků na obou stranách ventilu. Typickým

příkladem vyuţití je směšování za plynovým kotlem, ve kterém je nutné zachovat průtok

otopné vody, nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva.

Obr.36 Různé druhy směšovacích ventilů.

AUTOMATIZACE

55

2.3 Kontrolní otázky

KONTROLNÍ OTÁZKY

Jak dělíme Pokojové termostaty?

Mechanické

Elektronické termostaty

Lze mechanickými termostaty nastavovat čas sepnutí?

Ne.

Co nám umožňují Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním

programem?

Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu

nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých

teplot během dne.

K čemu slouží zónové ventily?

K řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo

chladicích systémů, rozvodů vody apod.).

Vyjmenuj výhody vytápění elektrickými přímotopy.

Nejjednodušší regulace.

Nejjednodušší instalace.

Regulovat lze teplotu v kaţdé místnosti samostatně.

AUTOMATIZACE

56

Literatura

1. Ing. Vavřiňák P, ing. Anna Řehová., Automatizace, [online]. [cit.15.července 2013]. Dostupný

z http://www.ssenajizdarne.cz/dokumenty/studijni_materialy/automatizace.pdf

2. Ing. Kovář j. a kol., PLC – hardware – LYT, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný

z http://www.spszl.cz/soubory/plc/plc_hardware_lyt.pdf

3. Akční členy, [online]. [cit.16.července 2013]. Dostupný z http://www.e-

automatizace.cz/ebooks/ridici_systemy_akcni_cleny/Akc_el.html

4. Coptel, Regulační technika základní pojmy, úvod do předmětu, [online]. [cit.22. března2013]. Dost

upný z http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=18785&revision=-1&instance=2

5. Bydlet, [online]. [cit.16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.bydlet.cz/161292-inteligentni-dum-

-dum-ktery-se-postara-o-vas-i-sam-o-sebe-i-cast/

6. VUES, elektrické stroje a pohony, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný

z http://www.vues.cz/file/429/CZ_SM250-400__091013.PDF

7. Ing. Kocman, Synchronni stroje, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný

z http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_synchronni_stroje_bc.pdf

8. EUROLINE BOHEMIA s.r.o - Inteligentní domy - [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z

http://www.euroline.cz/cz/projekty/rodinne-domy/inteligentny-dum.html

9. Rescom s. r. o. - Inteligentní domy - úsporné a chytré řešení pro každého [online]. [cit.16. ledna

2013]. Dostupný z http://www.rescomid.cz/cz/inteligentni-domy

10. Elektrobock , Inteligentní dům, [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z

11. http://www.elektrobock.cz/cs/inteligentni-dum/text.html?id=34

12. Regulus, Termostatické ventily, [online]. [cit.22.února 2013]. Dostupný z http://www.regulus.cz/cz

/termostaticke-ventily-a-regulace-pro-kotle-na-tuha-paliva

13. Měření a regulace - [online]. [cit. .22.února 2013]. Dostupný z http://vytapeni.tzb-info.cz/mereni-

a-regulace

14. Thermona, Pokojové regulátory teploty - přehled trhu, [online]. [cit. 22.února 2013]. Dostupný

z http://www.thermona.cz/plynula-usporna-regulace

15. Heimier, Třícestný směšovací ventil [online]. [cit. 25.února 2013]. Dostupný z

16. http://kamna.astranet.cz/shops/3790/navody/Heimeier-ventil-in2-out1.pdf

17. Regomat, Ventily zónové a směšovací, [online]. [cit. 25.února 2013].

http://www.regulus.cz/cz/ventily-zonove-a-smesovaci

18. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z

http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat

19. ROSS, Obory činnosti, Elektroinstalace, Automatizace, ASŘ a MaR, [online]. [cit.14. prosince

2013]. Dostupný z http://www.ross.cz/Automatizace-ASR-a-MaR/Automatizace-ASR-a-MaR/sc-54-

sr-1-a-164/default.aspx

20. Wikipedie, Automatizace, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z

http://cs.wikipedia.org/wiki/Automatizace

21. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z

http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat

22. Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z

http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení

23. OMRON, Programovatelné relé ELC-12DC-DA-R, [online]. [cit.15. listopadu 2012]. Dostupný z

http://industrial.omron.cz/cs/products/catalogue/control_components/programmable_relays/zen_20c/defa

ult.html/

24. Moeller, Základní přístroj řady EASY 500: EASY512 AC RC, 115/240VAC, 8/4 R [online]. [cit. 15.

listopadu 2012]. Dostupný z http://automatizace.hw.cz/programovatelna-ridici-rele-plc-moeller-

easy500-700-800. online/6.12.2012

25. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012].

26. http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat

27. Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z

http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení

28. Akční členy: [cit. 15.7. 2013]. Dostupný z

http://kteiv.upol.cz/uploads/soubory/serafin/mechatronika/akcni-cleny.ppt

29. RCdidactic systems Výukový systém RC 2000-µLAB Regulační technika

AUTOMATIZACE

57

Obrázky 1. Bokumentace firmy Microchip

2. Dokumentace firmy Hitachi

3. Vlastní fotografie

4. http://cs.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi (dostupné online)

5. http://cs.wikipedia.org/wiki/Arduino (dostupné online)

6. Vlastní fotografie

7. http://www.top-termostat.cz (dostupné online)

AUTOMATIZACE

58

Slovník pojmů

Analogový vstup

Vstupní veličina se mění spojitě a můţe nabývat libovolných hodnot v rámci daných mezí.

Digitální výstup

Výstupní veličina, u nichţ daná hodnota můţe nabývat několika definovaných stavů.

Prakticky se jedná o „sepnuto a vypnuto“.

Hydromotor, hydromotory

Zařízení slouţící k přeměně kinetické a tlakové energie kapaliny na mechanickou energii

posuvného pohybu (u přímočarých hydromotorů) nebo rotačního pohybu (u rotačních

a kývavých hydromotorů) poháněné součásti.

Transformátorový plech, transformátorové plechy

(Elektrotechnické) plechy se vyrábí z křemíkové oceli o tloušťce 0,35 a 0,5 mm. Jsou

alespoň jednostranně izolované. V minulosti se plechy izolovaly olepením papírem.

Moderní plechy se izolují pokrytím fosfátovou vrstvou.

Mikrokontrolér, mikrokontroléru

Jednočipový mikropočítač vhodný pro vyuţití v řízení. Kromě vstupních a výstupních

obvodů jsou v něm integrovány i mnohé další obvody – např. analogově-digitální nebo

digitálně-analogový převodník, čítač, časovač, komparátor, synchronní sériový port, USB,

PWM (pulsně-šířkový modulátor), EEPROM a další. Díky tomu, ţe jsou tyto obvody

v mikrokontroléru jiţ integrovány, není potřeba je realizovat externě, a proto

mikrokontrolér často disponuje méně výstupy, díky čemuţ můţe být jeho pouzdro menší

a levnější. Mikrokontroléry se obvykle pouţívají pro tzv. vestavné (embedded) aplikace, tj.

jsou součástí nějakého dalšího zařízení, kde plní nějakou specifickou funkci.

Elektromagnetický ventil, elektromagnetické ventily

Jsou důleţitými řídicími členy regulačních obvodů a obvodů či systémů v automatizaci.

Jsou to součásti, které na základě vnějšího elektrického signálu ovládají přívod plynných

a kapalných médií k dalším prvkům a zařízením. Jsou ovládány pomocí elektromagnetu.

Tyto akční členy pracují dvoupolohově a jsou vyráběny v provedení „v klidu uzavřen“ i „v

klidu otevřen“. Konstrukční provedení elektromagnetických ventilů určuje jejich vlastnosti

a technické parametry – ovládací napětí, připojovací rozměry, druh média, pracovní tlak,

průtok, teplotní rozsah, rychlost odezvy, velikost a v neposlední řadě ţivotnost.

Peletky

Granulát materiálu rostlinného původu z tzv. biomasy.

Biomasa

Souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak

i ţivočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu vyuţitelnou pro

energetické účely

AUTOMATIZACE

59

Termostat, termostaty

Technické zařízení, které v určitém více méně uzavřeném prostoru udrţuje stálou teplotu.

Výstup z termostatu můţe ovládat vytápění nebo naopak klimatizaci.

Hallovo napětí

Vloţíme-li vodivou destičku tloušťky, kterou protéká řídící elektrický proud, do

magnetického pole s magnetickou indukcí, kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru,

kolmém na směr proudu a zároveň na směr magnetického pole změříme potenciálový

rozdíl. Následkem Hallova jevu vzniká Hallovo napětí.

Akční veličina, akční veličiny

Výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované soustavy.

Regulovaná soustava, regulované soustavy

Zařízení, na kterém se provádí regulace.

Regulace

Udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této veličiny

zjištěných měřením. Je ruční a automatická.

Přechodová charakteristika, přechodové charakteristiky

Reakce výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku.

Tlakový spínač, tlakové spínače

Přístroj pro kontrolu a řízení tlaku. Pouţívá se v regulačních obvodech, nebo jako

bezpečnostní prvky v systémech řízení.

Kompatibilita

V běţné řeči označuje míru, v jaké se dvě myšlenky, projekty, osoby atd. „snášejí“ čili dají

kombinovat. V počítačové technice: Schopnost různých zařízení pracovat dohromady. Míra

funkční shody dvou zařízení, například počítačů. Kompatibilní jsou dvě zařízení, které lze

ve větší nebo menší míře zaměnit, protoţe mají stejná rozhraní, protokoly, instrukční kódy

a podobně.