Prostředky automatického řízení

Předmět je určen pro studenty druhého ročníku magisterského studia katedry automatizační techniky a řízení na fakultě strojní. Obsah navazuje na předměty „Automatizační technika“, „Logické prvky a systémy“ z bakalářského studia a předmět „Měřicí a senzorová technika“ v magisterském studiu, využívá nabytých znalosti studenta v těchto předmětech a v předmětech „Automatické řízení“ a „Teorie automatického řízení“ při aplikaci řízení na reálné systémy.

Na cvičeních se studenti seznamují s řízenými a řídicími systémy, které konfigurují pomocí uživatelského rozhraní vytvořeném ve SCADA/MMI prostředí. Při konfiguraci musí využít znalosti nabytých v teoretických předmětech týkajících se řídicích algoritmů, typů regulátorů a nastavení jejich parametrů. Výstupem je 7 protokolů, které je nutno odevzdat do konce aktuálního semestru. V opačném případě je nutno předmět absolvovat znovu.

Témata předmětu (přednášek)

  1. Seznámení s problematikou a obsahem studovaného předmětu. Rozdělení prostředků automatického řízení a jejich charakteristika (programové a technické prostředky), systémy řízení, hierarchická struktura.
  2. Přehled snímačů a senzorů (návaznost na předměty Automatizační technika, Měřicí a senzorová technika).
  3. Akční členy.
  4. Distribuované systémy řízení, řešení týmové práce její realizace a schopnosti systémového inženýra. SCADA/MMI systémy jejich vlastnosti a nasazení v hierarchické struktuře řízení.
  5. Průmyslové sítě, základní typy, 7 vrstvý model, fyzická vrstva …. aplikační vrstva.
  6. Wifi sítě, konfigurace přístupových bodů a konfigurace AD-HOC, připojení řídicích systémů k technologickému procesu (ILAN, LAN, WLAN). Ukázka laboratorní sestavy.
  7. Programovatelné logické automaty vnitřní struktura, vývojové prostředí, programování PLC, připojení PLC k řízenému systému.
  8. Popis jednočipových počítačů vyšších řad, popis vybraných implementovaných modulů.
  9. Programování jednočipových počítačů pomocí vyššího programovacího jazyka.
  10. Postupy odladění navrhovaných algoritmů přímo na reálné úloze.
  11. Zařízení podporující meziobvodovou komunikaci I2C, SPI (MEMS, paměti, převodníky, …).
  12. Inteligentní senzory jejich vnitřní struktura a popis realizace.
  13. Počítačově integrované systémy CIM-CAD-CAM-CAP-CAQ-PPS.
  14. Časová rezerva.

CZ (podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7

EN (support): L1, L2,L3, L4, L5, L6, L7

Cvičení

Úloha 1: Dvouhodnotová regulace (podklady), EN

  1. Seznamte se s laboratorní úlohou dvouhodnotová regulace teploty a její modifikaci.
  2. Proveďte 15 měření průběhu dvouhodnotové regulace pro 3 polohy snímače a 5 pracovních bodů.
  3. Proveďte vyhodnocení naměřených charakteristik a vyjádřete se k vlivu změny pracovního bodu regulace a polohy snímače na průběh regulace.

Úloha 2: DC a EC motory (podklady1, podklady2), EN

  1. Seznamte se s akčními členy a řídicími jednotkami firmy UZIMEX.
  2. Proveďte konfiguraci řídicích jednotek přes RS-232 a CAN s využitím firemního software.
  3. Ověřte základní příkazy ROTACE, POSUN, CYKLICKÁ ROTACE … .
  4. Spusťte aplikaci v prostředí CW6 a s využitím ActiveX komponenty ověřte základní konfigurační příkazy.

Úloha 3: RS-485 (podklady)

  1. Seznamte se s reálnými modely a programovou podporou pro laboratorní úlohy „Regulace tlaku“ a „Regulace otáček motoru“.
  2. Identifikujte obě soustavy a vytvořte vhodný model (MATLAB).
  3. Navrhněte regulátor a jeho vhodné parametry a ověřte jak na modelu, tak na reálné soustavě.

Úloha 4: TVM (podklady)

  1. Proveďte identifikaci TVM (akční zásah – ventilátor, měřená veličina – vrtulkový průtokoměr).
  2. Navrhněte vhodný model (MATLAB).
  3. Navrhněte vhodný typ regulátoru.
  4. Navržený typ regulátoru a parametry ověřte jak na modelu, tak na reálné soustavě.

Úloha 5: RC Didactic (podklady1, podklady2), EN

  1. Proveďte identifikaci soustavy ss motoru bez zátěže.
  2. Navrhněte vhodný model (MATLAB).
  3. Navrhněte vhodný regulátor a jeho parametry.
  4. Ověřte navržený regulátor jak na modelu, tak na reálné laboratorní úloze.
  5. Popište vliv změny zátěže na průběh regulace.

Úloha 6: Hierarchická struktura řízení (podklady, zapojení) 

  1. Seznamte se s ovládáním jednotlivých úrovní hierarchické struktury řízení a s možnostmi přístupu k nim.
  2. Připojte se k IPC pomocí vzdálené plochy a ověřte možnosti této aplikace (konfigurace typu regulace, parametrů regulátoru,  … ).
  3. Na třetí úrovni hierarchické struktury řízení (PC) zkuste provést základní konfiguraci úlohy a popište rozdíly mezi možnostmi jednotlivých úrovni.
  4. Připojte se k http serveru a proveďte konfiguraci úlohy ze čtvrté úrovně řízení.
  5. Zaznamenejte dva průběhy regulace (dvouhodnotová, pid) pro Vámi vybraný způsob regulace (teplota, průtok vzduchu, mnohorozměrná regulace). Konfiguraci proveďte na druhé úrovni řízení (IPC) a záznam na třetí úrovni regulace.

Úloha 7: Návrh řídicího řetězce“

  • Blokové schéma obvodů.
  • Využití normovaných značek pro popis.
  • Popis funkce aplikací v PC a na jednotlivých úrovních (SCADA/MMI – CW, uP).
  • Komunikační protokol (RS 232).
  • Popis jednotky na bázi procesoru PIC a příslušný interface.
  • Definice, popis a distribuce algoritmů.
  • Specifikace použitých komponent a základní popis (internetové odkazy, pdf, …).
  • Zhodnocení a celkové náklady.

Studenti kombinovaného studia odevzdají 3 protokoly z praktických měření (aktivní účast), Návrh řídicího řetězce a semestrální úlohu s prezentací (15-20 stran), ta nahrazuje zbývající dva protokoly. 

Otázky

  1. Hierarchická struktura řízení, distribuované a víceúrovňové systémy řízení a jejich dekompozice, důvody nasazení.
  2. Statické a dynamické vlastnosti prvků měřicích a řídicích systémů. Základní pojmy – citlivost, přesnost, časová konstanta, perioda vzorkování, kvalita regulace.
  3. Základní rozdělení senzorů a snímačů – struktura a vlastnosti, rozsah, přesnost, fyzikální principy a parametry senzorů.
  4. Snímače pro měření rozměrů, délky, přítomnosti objektů, polohy, výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů (principy hlavních typů snímačů, rozsahy, chyby, příklady aplikací).
  5. Snímače pro měření průtoků a tlaků plynů, kapalin a sypkých hmot (principy a provedení snímačů, srovnání vlastností, rozsahy, příklady použití).
  6. Snímače pro měření teploty a tepla (fyzikální principy a typy snímačů, porovnání vlastností, kontaktní a bezkontaktní měření, rozsahy a příklady použití).
  7. Snímače pro měření rychlosti, otáček, hmotnosti, sil, krouticích momentů a vibrací (základní principy a typy snímačů, rozsahy, příklady použití).
  8. Normalizace signálů řídicích systémů (členy pro zesílení signálu, členy pro unifikaci signálů, úrovně normovaných signálů, OZ, tranzistor, dioda, …) .
  9. Vnitřní struktura řídicích systémů v průmyslu (typy vstup/výstupních signálů, převodníky A/Č, Č/A, způsob spojení s PC, …).
  10. Vývojová prostředí pro programování jednočipových procesorů (řady PIC), popis vlastnosti, (ne)výhod jednotlivých prostředí.
  11. Výkonové prvky pro spínání akčních členů (tranzistor, tyristor, relé, stykač …).
  12. Řídicí počítače IPC (architektura, technické a programové vybavení, způsoby připojení k technologickému procesu, příklad řídicích počítačů třídy IPC, současné trendy v této oblasti).
  13. Logické úlohy (postup řešení kombinačních a sekvenčních logických úloh, příklad …).
  14. Prvky pro logické zpracování informace (logické obvody, hradla, spínače, obvodové prvky).
  15. PLC – vnitřní struktura programovatelných logických automatů, popis jednotlivých částí, kompaktních a modulárních PLC, příklady PLC, komunikační možnosti, nasazení v hierarchické struktuře řízení).
  16. PLC – programovací jazyky (popis na příkladech, výhody, možnost konverze mezi jazyky, …).
  17. SCADA/MMI systémy (použití, prostředí, vlastnosti, výhody, nasazení systémů v hierarchické struktuře řízení, vazby, programovatelnost a otevřenost systému, řízení v reálném čase …).
  18. Přenos informace na malé vzdálenosti – meziobvodová komunikace (I2C, SPI, číslicové přenosové systémy a sběrnice).
  19. Jednočipové počítače (základní vlastnosti, vnitřní struktura, možnosti konfigurace, komunikace, implementované moduly, …).
  20. Instrukční sada jednočipových počítačů řady PIC, jednoduchý aplikační příklad – vysvětlení instrukcí.
  21. Informační vazby hierarchické struktury řízení, architektura, vlastnosti a využití počítačových sítí (model síťové struktury OSI, počítačové sítě LAN-MAN-WAN, odolnost proti rušení, průmyslové počítačové sítě, bezdrátové sítě WLAN, příklady).
  22. Pohony a akční členy (struktura, charakteristiky, vlastnosti, srovnání, způsoby jejich řízení).
  23. MEMs systémy (vnitřní struktura, možnosti přenosu naměřených dat, vzorkování, příklady použití).

Literatura

SCHMID, Dietmar. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Přeložil Jiří HANDLÍŘ. Praha: Europa-Sobotáles cz., 2005. ISBN 80-86706-10-9.

BALÁTĚ, Jaroslav. Technické prostředky automatického řízení. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986.

Odkazy

Technické prostředky, Snímače mechanických veličin,  Snímače I, Výukový modul MaST, Průmyslové sítě, Převodníky, Měření energetických veličin, Aplikace praxe, Jednočipové procesory, Zpracování signálů, Snímače, Obvodové prvky, El. motory I, El. motory II. MODBUS

Control systems I