Funkcje realizowane przez automatykę w inżynierii środowiska: - regulacja, - sterowanie, - zabezpieczenie, - optymalizacja.
Układ regulacji jest połączeniem elementów automatyki, które współdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie.
Element automatyki jest to urządzenie posiadające sygnał wejściowy i wyjściowy
Elementy liniowe są to takie elementy, których matematyczny opis ma postać zależności liniowych.
• Elementy nieliniowe są opisywane za pomocą nieliniowych równań algebraicznych, różnicowych lub różniczkowych.
Obiektem regulacji może być urządzenie, zespół urządzeń lub proces technologiczny, w którym w wyniku zewnętrznych oddziaływań realizuje się pożądany algorytm działania.
• Na obiekt regulacji oddziałują zmienne wejściowe nazywane sygnałami nastawiającymi u oraz zmienne szkodliwe nazywane sygnałami zakłócającymi z.
• Sygnały wejściowe wpływają na sygnały wyjściowe nazywane
zmiennymi regulowanymi y.
Zakłócenie z jest sygnałem wywierającym niekorzystny wpływ na wartość wielkości regulowanej y.
• Zakłócenia generowane poza systemem są sygnałami wejściowymi do obiektu regulacji.
• Wartość zadana w wielkości regulowanej jest określona przez wielkość wiodącą w procesie regulacji.
Regulator jest to element układu regulacji, którego zadaniem jest wytworzenie sygnału sterującego wpływającego na przebieg wielkości regulowanej. Sygnałem wejściowym regulatora jest uchyb regulacji e, a sygnałem wyjściowym wielkość sterująca u.
• Uchyb regulacji e otrzymuje się w regulatorze w wyniku porównania wartości zadanej w oraz wartości wielkości regulowanej y.
e=w–y
Regulator zależnie od uchybu regulacji odpowiednio zmienia sygnał sterujący u tak aby spełnić warunek równości wielkości regulowanej i
wartości zadanej y=w.
Urządzenie wykonawcze
• Urządzenie wykonawcze składa się z elementu napędowego oraz elementu wykonawczego.
• Element wykonawczy jest to urządzenie wymuszające zmiany wielkości regulowanej.
• W systemach grzewczych i wodociągowych elementem wykonawczym jest najczęściej pompa i zawór regulacyjny. W systemach wentylacyjnych wentylator i przepustnica. W urządzeniach transportowych – podajnik, przenośnik.
• Element napędowy służy jako napęd (silnik, siłownik) elementu wykonawczego.
Element pomiarowy jest to część układu regulacji, której zadaniem jest pomiar wielkości regulowanej y oraz wytworzenie sygnału ym dogodnego do wprowadzenia do regulatora.
SCHEMATY BLOKOWE
• W technice regulacji strukture i działanie układu automatyki przedstawia sie czeesto w formie graficznej w postaci schematu blokowego.
Elementarne bloki sa członami obwodu regulacyjnego, kazdy z nich ma wielkość wejściowa i wyjściowa.
• Bloki sa rysowane w postaci prostokatów z umieszczonymi wewnatrz informacjami opisujacymi ich właściwości.
Wezły informacyjne umozliwiaja przekazanie tej samej informacji do kilku róznych punktów schematu blokowego (jedno wejście i co najmniej dwa wyjścia)
Wezły sumujace (porównujace) umozliwiaja algebraiczne sumowanie kilku sygnałów (jedno wyjście i co najmniej dwa wejścia)
ŁACZENIE BLOKÓW
Podstawowe bloki moga być połaczone: • szeregowo, • równolegle •lub w układzie ze sprzezeniem zwrotnym.
W kazdym z wymienionych połaczeń mozna wyznaczyć wypadkowa zalezność miedzy sygnałem wejściowym a sygnałem wyjściowym.
Zalezność miedzy tymi sygnałami nazywana jest transmitancja.
Połaczenie szeregowe charakteryzuje sie tym, ze sygnał wyjściowy jednego bloku jest sygnałem wejściowym bloku nastepnego.
Połaczenie to nazywane jest równiez połaczeniem kaskadowym.
Transmitancja wypadkowa jest iloczynem transmitancji.
Gw = G1 · G2· ... · Gn
Połaczenie równoległe charakteryzuje sie tym, ze ten sam sygnał jest wprowadzany do kilku bloków, a sygnały wyjściowe tych bloków sa algebraicznie sumowane.
Transmitancja wypadkowa dla dowolnej liczby bloków jest suma algebraiczna poszczególnych transmitancji.
• Gw=G1+G2+...+Gn
Połaczenie ze sprzężeniem zwrotnym
• Połączenie ze sprzężeniem zwrotnym charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy układu, bezpośrednio lub za pomocą innego bloku zostaje wprowadzony na wejście tego układu.
• Jeżeli sygnał wejściowy odejmujemy od sygnału wejściowego do układu wówczas sprzężenie nazywamy ujemnym, jeżeli sygnał ten dodajemy wówczas sprzężenie nazywamy dodatnim.
•
Transmitancję wypadkową opisuje wzór
Gw=G1/1±G1 •G2
• Znak dodatni w mianowniku występuje przy sprzężeniu dodatnim, znak ujemny przy sprzężeniu ujemnym.
--
Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie którego mierzy się jakąś wielkość fizyczną, nazywaną wielkością regulowaną y, porównuje z wartością innej wielkości nazywanej wielkością zadaną w i wpływa na jego przebieg w celu minimalizacji różnicy tych wielkości e [DIN 19226]. W procesie regulacji przebieg sygnałów odbywa się w obwodzie zamkniętym, nazywanym układem automatycznej regulacji.
• Schemat funkcjonalny układu regulacji temperatury powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu
1 - regulator, 2 – czujnik temperatury powietrza w pomieszczeniu, 3 - człon wykonawczy, 4 - obiekt regulacji (pomieszczenie z grzejnikiem), u - wielkość nastawna, w - wartość zadana, y - wielkość regulowana, z1, z2, z3, z4, z5 - wielkości zakłócające
Schemat funkcjonalny – schemat blokowy układu regulacji
1 = REGULATOR 2 = CZUJNIK TEMPERATURY 3 = SIŁOWNIK Z ZAWOREM 4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM
zz = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna
e = odchyłka regulacji
Układ regulacji = układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym
(zamknięty układ sterowania)
• W literaturze z zakresu automatyki układ regulacji jest definiowany również jako zamknięty układ sterowania lub układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.
• Aby otrzymać zamknięty układ sterowania należy zamknąć pętlę oddziaływań, uzależniając sterowanie od skutków jakie to sterowanie wywołuje.
Sterowanie - definicja
• Sterowanie jest to proces w układzie, w którym jedna wielkość lub ich większa ilość, jako wielkości wejściowe, wpływają na wielkości wyjściowe według prawidłowości właściwej układowi [DIN 19226].
• Układ sterowania jest układem otwartym, w którym sygnał wyjściowy nie jest mierzony ani porównywany z sygnałem wejściowym i nie wpływa na akcję sterowania (brak sprzężenia zwrotnego!).
• Otwarte układy sterowania stosowane są wówczas, gdy związek pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym jest znany.
Regulacja i sterowanie. Różnice!
Przykład regulacji i sterowania
Sterowanie temperaturą powietrza w pomieszczeniu i regulacja temperatury wody zasilającej grzejnik: 1 - regulator, 2 – czujnik temperatury wody, 3 – zawór regulacyjny z siłownikiem, 4 - wymiennik ciepła, 5 - pompa obiegowa, 6 – grzejnik w ogrzewanym pomieszczeniu, w – wartość zadana, u – sygnał nastawiający, y- wielkość regulowana, ym – zmierzona wartość wielkości regulowanej, y’ – wielkość sterowana, z1, z2 – zakłócenia
Regulacja pogodowa jako przykład regulacji i sterowania
tzco - wielkość regulowana tw- wielkość sterowana
Przykład sterowania
Sterowanie czasowe (programowe) przełączaniem równolegle połączonych pomp
Rodzaje regulacji
• Ręczna • Automatyczna Różnice w regulacji ręcznej i automatycznej. Przykład:
-termostat grzejnikowy – regulacja automatyczna (ręczne nastawianie wielkości regulowanej?),
-zawór grzejnikowy – regulacja reczna.
• Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu zakłóceń na wielkość regulowaną.
•Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji: np. regulacja temp. w pomieszczeniu
Regulacja stałowartościowa
Regulacja temperatury powietrza nawiewanego.
Regulacja stałowartościowa temperatury powietrza w pomieszczeniu – kocioł jako człon wykonawczy.
Przykład regulacji stałowartościowej:
• Regulacja temperatury wody w zasobniku (podgrzewaczu pojemnościowym).
· Regulacja poziomu wody w zasobniku
Regulacja programowa
• Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym programem zmiany wartości zadanej (w = w(t)). Typowym przykładem regulacji programowej w systemach ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie temperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w godzinach nocnych lub w dni wolne od pracy.
Regulacja stałowartościowa sekwencyjna
• Regulacja stałowartościowa sekwencyjna stosowana jest w przypadku gdy dla utrzymania stałej wartości wielkości regulowanej konieczna jest współpraca regulatora z dwoma lub więcej elementami wykonawczymi.
Przykład regulacji stałowartościowej sekwencyjnej
• Układ regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu.
• Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy lub do siłownika chłodnicy.
• Załączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie
Sekwencyjna regulacja temperatury powietrza
• Wykres przebiegu sygnału sterujacego
Regulacja nadążna
• Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))
• W ogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego zasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną w)
• Regulacja ta uwzględnia wpływ parametrów klimatu zewnętrznego potocznie jest nazywana regulacją pogodową lub kompensacyjną.
Regulacja nadążna (pogodowa?)
Wykres regulacji jakościowej c.o.
Regulacja nadążna kaskadowa
• Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatury w systemach wentylacji i klimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dynamicznych obiektu regulacji.
• W procesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz regulatora pomocniczego (nadążnego).
• Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą być zaprogramowane w jednym urządzeniu.
Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniu wentylowanym. Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość pomocnicza y1) utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tW (główna wielkość regulowana y2).
Regulacja kaskadowa korzystna jest szczególnie wówczas gdy własności dynamiczne obu obwodów regulacji różnią się znacznie między sobą. Dzięki małej inercyjności pierwszego obiektu regulacji (nagrzewnica powietrza) mimo dużej bezwładności cieplnej głównego obiektu regulacji (pomieszczenie wraz z instalacją wentylacyjną) stosując regulację kaskadową można znacznie poprawić własności dynamiczne układu regulacji i uzyskać wysoką jakość regulacji.
Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach regulacji kaskadowej
Klasyfikacja układów sterowania
Ze wzgledu na pełnione funkcje: -układy regulacyjne, -układy zabezpieczajace, -układy optymalizujace.
Zakres automatyzacji centrali klimatyzacyjnej – realizowane funkcje
1. Regulacja temperatury powietrza w pomieszczeniu:
W zależności od struktury układu może być stosowana regulacja: a) pośrednia,
b) bezpośrednia (prosta i sekwencyjna),
c) nadążna, d) regulacja kaskadowa (tn = f(tw)).
Regulacja pośrednia temperatury powietrza w pomieszczeniu (stałowartościowa powietrza nawiewanego)
Regulacja pośrednia polega na utrzymaniu stałej wartości temperatury powietrza nawiewanego.
W przypadku zmian wartości wewnętrznych i zewnętrznych zakłóceń (strat, zysków ciepła) nie ma możliwości uzyskania stałej temperatury wewnętrznej.
Regulacja może być stosowana przy dopuszczeniu dużych wahań temperatury powietrza wewnętrznego ti.
Wahania temp. wewnętrznej można kompensować poprzez automatykę instalacji wodnego c.o..
Regulacja bezpośrednia temperatury powietrza wewnętrznego (stałowartościowa)
Regulacja bezpośrednia polega na utrzymywaniu temperatury wewnętrznej jako stałej wartości regulowanej.
Wielkością mierzoną może być temperatura powietrza:
-wewnętrznego,
- wywiewanego (z ewentualnym pomiarem temperatury powietrza nawiewanego w celu ograniczenia zakresu zmian temperatury powietrza nawiewanego (np. 12 do 24 °C).
Regulacja bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury powietrza w pomieszczeniu ti
Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy.
Zalety i wady lokalizacji czujnika temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu:
zalety: bezpośredni pomiar wielkości regulowanej,
wady: problem wyznaczenia miejsca reprezentatywnego, duża liczba czujników (wysoki koszt) do pomiaru średniej temperatury powietrza dużych pomieszczeń, inercyjny charakter pomiaru (niekorzystne własności dynamiczne czujników pomieszczeniowych), wysoki koszt okablowania czujnik - sterownik.
Regulacja bezpośrednia prosta z pomiarem temperatury powietrza w kanale wywiewnym twywiewu
Regulacja bezpośrednia z utrzymywaniem jako stałej wartości regulowanej temperatury powietrza wywiewanego (z ewentualnym ograniczeniem zakresu temperatury powietrza nawiewanego tNmax i tNmiń np. od 12 do 24 °C).
Zalety: duża dynamika pomiaru temperatury powietrza czujnikiem kanałowym, niższy koszt okablowania i tylko jednego czujnika.
Wada : Konieczność korygowania wielkości regulowanej (różna od ti).
Regulacja bezpośrednia sekwencyjna
Układ regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu (z pomiarem wielkości regulowanej w pomieszczeniu lub kanale wywiewnym).
Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu (lub kanale wywiewnym) wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy lub do siłownika chłodnicy.
Załączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (dwa urządzenia wykonawcze)
Regulacja bezpośrednia sekwencyjna z odzyskiem ciepła w postaci recyrkulacji
Sterowanie odzyskiem ciepła Tw>Tzew(chłodu Tw<Tzew). Trzy urządzenia wykonawcze.
Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłowników przepustnic powietrza (wywiew + recyrkulacja) oraz do siłownika zaworu regulacyjnego nagrzewnicy lub do siłownika zaworu chłodnicy.
Załączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie (trzy urządzenia wykonawcze).
Priorytetowy jest odzysk ciepła i chłodu z powietrza wywiewanego poprzez recyrkulację (ze względów higienicznych odzysk musi być niższy od 100%).
Następnie ogrzewanie lub chłodzenie powietrza nawiewanego (nagrzewnica wodna zimą, chłodnica latem).
Oszczędności na energii cieplnej i chłodniczej.
Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))
W ogrzewaniach powietrznych temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza wywiewanego tw lub tzew (wartością zadaną w)
Regulacja ta jest nazywana także regulacją kompensacyjną.
Schemat regulacji temperatury nadążnej powietrza w pomieszczeniu wentylowanym
Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość regulowana y1) utrzymywana jest przez regulator na poziomie zadawanym nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tW.
Zakres automatyzacji – realizowane funkcje
5. Płynna regulacja wydajności wentylatorów (falownik – przetwornik częstotliwości).
6. Załączanie pompy cyrkulacyjnej przy nagrzewnicy.
7. Zabezpieczenie nagrzewnicy wodnej przed zamrożeniem (termostat przeciwzamrożeniowy, minimum 10% otwarcia zaworu regulacyjnego zimą).
8. Funkcja „odmrażania”( wentylator stop, przepustnica 0% otwarcia, zawór regulacyjny 100% otwarcia –sygnalizacja awarii).
9. W centralach dachowych dodatkowe grzałki elektryczne przy nagrzewnicy oraz przewody grzejne z termostatem wzdłuż rurociągów wodnych.
10. Sterowanie przepustnicą powietrza zewnętrznego (siłownik z funkcją bezpieczeństwa).
11. Zabezpieczenie silnika wentylatora przed zerwaniem klinowych pasków napędowych (presostaty wentylatorów przy spadku sprężu wyłączają silniki – sygnalizacja awarii, dobór nastawy presostatu).
12. Sygnalizacja zabrudzenia filtra powietrza (presos...
brit-85